Дросселирование газа

Дросселированием или мятием называется необратимый процесс с реальным газом, в котором давление, при прохождении через местное сужение в канале, уменьшается без совершения внешней работы.

Рис. 14.6. Дросселирование

Всякое сопротивление в трубопроводе (вентиль, задвижка, шайба, кран, клапан, пористое тело и т.д.) вызывает необратимый процесс дросселирования и, следовательно, падение давления. В большинстве случаев дросселирование, сопровождающееся уменьшением работоспособности тела, приносит безусловный вред. Но часто этот эффект используется в технике, например, при регулировании расхода, в холодильных установках, в расходомерах и т.д.

Рис. 14.7. Диаграммы

При проходе через сужение скорость газа растет, растет и его кинетическая энергия, температура и давление падают. Перед сужением и за ним образуются застойные зоны: завихрения, на образование которых расходуется энергия. По мере удаления вихрей от дросселя они затухают и их энергия переходит в тепло. Проходя через местное сужение проходного сечения канала, давление газа за местом сужения всегда меньше давления перед сужением. Но работа расширения газа (пара) при разности давлений во вне не передается, т.е. процесс дросселирования это существенно необратимый процесс, протекающий в изолированной системе, в которой к потоку рабочего тела теплота извне не подводится.

Полагая, что изменение состояния газа от сечения I-I к сечению II-II происходит адиабатно, воспользуемся уравнением .

Как следствие условия неразрывности потока, скорость его на некотором расстоянии до и после сужения можно считать постоянной, т.е. . Тогда , т.е. в результате дросселирования энтальпия газа (пара) не меняется, это справедливо и для реальных газов. Это главная закономерность процесса дросселирования, на основе которой выводятся теоретические и расчетные соотношения. Нужно понимать, что внутри дросселя энтальпия может изменяться: в месте сужения поток ускоряется, его кинетическая энергия возрастает и, следовательно, энтальпия уменьшается. За дросселем сечение потока снова возрастает, поток замедляется, его кинетическая энергия уменьшается и энтальпия увеличивается до прежнего значения.

Для идеального газа внутренняя энергия не зависит от объема, а в процессе дросселирования газ не совершает работы и не участвует в теплообмене с внешней средой, т.е. внутренняя энергия должна оставаться постоянной. В случае дросселирования идеального газа .

В реальном газе внутренняя энергия зависит от объема, поэтому в процессе дросселирования внутренняя энергия и температура меняются .

Процесс дросселирования идеального газа полностью необратим, т.к. невозможно создать первоначальное давление без затраты работы.

Процесс дросселирования реального газа частично обратим, т.к. изменение температуры по сравнению с окружающей средой можно использовать для получения работы, которую можно направить на возвращение газа в исходное состояние.

Изменение температуры, приходящееся на единицу изменения давления при дросселировании, оценивается дифференциальным уравнением

, (14.12)

выражающим так называемый дифференциальный дроссельный эффект Джоуля-Томсона .

В общем случае величина отлична от нуля. Явление изменения температуры газов и жидкостей при адиабатном дросселировании называется эффектом Джоуля-Томпсона, а часто именуется коэффициентом Джоуля-Томпсона.

Поскольку всегда , то знак коэффициента адиабатного дросселирования определяется знаком стоящей в числителе правой части уравнения (14.12) величины . При дросселировании . Очевидно, что если , то и тогда в процессе адиабатного дросселирования температура вещества возрастает.

Если , то и тогда в процессе дросселирования температура уменьшается. Наконец, если , то , т.е. в процессе адиабатного дросселирования температура вещества не изменяется.

Поскольку для идеального газа , то идеальный газ дросселируется без изменения температуры, что является одним из характерных признаков идеального газа. Таким образом, эффект Джоуля-Томпсона имеет место только для реальных газов и жидкостей.

Если в соотношение (14.12) ввести величины, характеризующие свойства реального газа из уравнения Ван-дер-Ваальса, то после преобразований получим .

Это выражение, оценивающее изменение температуры в процессе дросселирования при конечном перепаде давления, описывает интегральный эффект Джоуля-Томсона. В общем случае вычисляется из соотношения . При незначительном изменении давления .

Дифференциальный дроссельный эффект невелик, например для воздуха 0,25 к/бар. В технике используется интегральный эффект, при котором давление изменяется в широких пределах. Например, при адиабатном дросселировании водяного пара от давления 29400 кПа и температуры 450С до давления, равного 98 кПа температура пара уменьшается до 180С (т.е. на 270С).

Температуру, при которой эффект Джоуля-Томсона для данного газа меняет знак, называют температурой инверсии .

Как показывает опыт, для одного и того же вещества знак оказывается различным в различных областях состояния. Состояние газа (жидкости), в котором равно нулю, называется точкой инверсии эффекта Джоуля-Томсона. Геометрическое место точек инверсии на диаграмме состояния данного вещества называется кривой инверсии.

Поскольку и постоянны, знак интегрального эффекта будет меняться при .

Возможны три случая:

1)

2)

3)

Т.е. в зависимости от природы газа и начальной температуры в результате дросселирования его температура понижается, повышается или остается постоянной. Поскольку , найдем, что .

Температура инверсии зависит от давления и свойств газа. В качестве примера приведена кривая инверсии азота в - диаграмме.

Под ней находится область положительного эффекта, над ней отрицательного. Видно, что данному соответствует две точки инверсии – верхняя и нижняя.

Рис. 14.8. Кривая инверсии азота

При уменьшении давления влияние сил притяжения между молекулами газа приводит к охлаждению (положительный дроссельный эффект), в обратном случае наличие сил отталкивания определяет возможность нагревания (отрицательный дроссельный эффект). Это значит, что любой газ при дросселировании может охлаждаться при и нагреваться при ( - начальная температура газа). При нормальных условиях все газы в процессе дросселирования охлаждаются (кроме водорода и гелия, вследствие того, что их очень низки). Так, в результате дросселирования при от до температура воздуха понижается на 29К, а температура гелия повышается на 12К.

На практике адиабатное дросселирование может быть использовано в качестве способа охлаждения газов. При этом более эффективен с термодинамической точки зрения процесс обратимого адиабатного расширения (с отдачей внешней работы).

В заключение отметим, что удельный объем вещества в процессе дросселирования всегда увеличивается. Т.к. производная всегда отрицательна, а при , то .