2. Дросселирование

Под процессом дросселирования пони­мают непрерывный переход газа или жидкости от более высокого давления к низкому без совершения внешней полезной работы и без теплообмена с окружающей средой.

Дросселирование протекающего газа или жидкости возникает в том случае, когда поток внезапно сужается вследствие уменьшения сечения диафрагмой, вентилем или встретив сопротивление в виде пористой среды, а затем опять получает возможность двигаться в боль­шом сечении. В суженном сечении скорость потока воз­растает, что одновременно вызывает понижение темпе­ратуры потока и, следовательно, уменьшение внутрен­ней энергии его. Кинетическая энергия, полученная потоком в процессе дросселирования, расходуется на тре­ние, превращается в тепло, которое воспринимается самим потоком. Этот процесс приводит к изменению внутренней энергии и температуры дросселируемого ве­щества, а в случае дросселирования влажного пара - и к увеличению его сухости. В зависимости от свойств состояния дросселируемого вещества внутренняя энер­гия за дроссельным участком может быть больше или меньше либо равной внутренней энергии до дроссельно­го участка. От этого соотношения зависит изменение состояния дросселируемого вещества, следовательно, конечная температура вещества может быть выше, рав­на или ниже начальной. Подвод тепла за счет внутреннего трения приводит к изменению не только внутренней энергии, но и к возрастанию энтропии дросселируемого вещества, которая увеличивается не за счет внешних теплопритоков, а вследствие сообщения потоку тепла, эквивалентного потерянной на трение работы (энергии) самого потока, поэтому процесс дросселирования - внутренне необратимый.

Рис. 1. Схематическое изображение процесса дросселирования.

Процесс дросселирования можно рассмотреть с помощью схемы, изображенной на рис. 1. При анализе этого процесса исходят из условия, что количество энергии потока дросселируемого вещества до и после дросселирования не изменяется. В сечении I— I до дроссельного участка запас полной энергии потока (без учета гравитационных сил и сил магнитных полей):

соответственно в сечении II—II запас энергии потока будет:

где i и с — энтальпия и скорость потока.

Поток при дросселировании не совершает внешней полезной работы, поэтому справедливо равенство Э₁=Э₂. Если скорости потока й сечении I-I и II-II соизмеримы и достаточно мйлы (значительно меныше критической скорости), то i₁=i₂, т. е. начальное и ко­нечное значение энтальпий равны.

В большинстве случаев внутренняя энергия дросселируемого вещества изменяется. Изменение внутренней энергии просходит в результате механического взаи­модействия дросселируемого вещества со-средой. Это взаимодействие можно условно рассмотреть как дви­жение двух поршней А и Б вместе с потоком дроссели­руемого вещества.

В результате воздействия на поршень А среды, находящейся слева от него, совершается работа над потоком дросселируемого вещества, заключенным меж­ду поршнями А и Б; ей присваивают отрицательный знак:

где F₁—площадь поршня;

s₁ — ход поршня;

p₁ —давление до дроссельного участка;

V₁ — объем, вытесненный поршнем.

Эта работа увеличивает внутреннюю энергию среды, находящейся между поршнями. Рассматриваемая рабо­та не может полезно использоваться как внешняя без нарушения процесса и называется объемной работой или работой проталкивания. За счет внутренней энергии потока дросселируемого вещества, заключенного между поршнями А и Б, поршень Б совершает работу, вытесняя среду, находящуюся справа за ним. Эта объемная работа уменьшает внутреннюю энергию дросселируемого ве­щества, находящегося между поршнями:

Суммарная объемная работа дросселируемого веще­ства характеризуется выражением:

Давление вещества при дросселировании уменьша­ется, а объем увеличивается, поэтому разность p₂V₂— p₁V₁ (равная работе проталкивания газа через дрос­сельное отверстие) может иметь как положительное,. так и отрицательное значение.

Внутренняя энергия реального вещества состоит из двух частей. Первая часть представляет собой кинетическую энергию теплового движения всех молекул и является функцией одной лишь температуры, а вторая - это потенциальная энергия взаимного притяженя молекул. Она имеет отрицательный знак и зависит от объема, увеличиваясь с возрастанием его. При дросселировании происходит увеличение объема вещества V₂>V₁ поэтому отрицательная составляющая внутренней энергии всегда возрастает.

При p₂V₂—p₁V₁ >0 среда, находящаяся между поршнями, расходует свою внутреннюю энергию на совершение объемной работы над внешней средой. В этом случае падение температуры (уменьшение кинетической энергии молекул) будет происходить как вследствие роста отрицательной составляющей внутренней энергии среды, находящейся между поршнями, благодаря увеличению объема, так и в результате расхода внутренней энергии среды, находящейся между поршнями, на совершение объемной работы.

При p₂V₂—p₁V₁<0 внешняя среда за счет объемной работы увеличивает внутреннюю энергию среды, находящейся между поршнями. Если возрастание внутренней энергии в результате объемной работы меньше роста отрицательной составляющей внутренней энергии, связанной с ростом объема, то по-прежнему произойдет понижение температуры. В том случае, когда объемная работа скомпенсирует увеличение отрицательной со­ставляющей внутренней энергии, связанной с ростом объема, температура при дросселировании не изменяет­ся. Если, объемная работа окажется в избытке, темпе­ратура при дросселировании будет возрастать.

При p₂V₂ — p₁V₁ =0 понижение температуры будет происходить только вследствие роста отрицательной составляющей внутренней энергии, связанной с увеличе­нием объема.

Из термодинамики известно:

при i=const значение di=О, тогда:

Рис. 2. Изображение процесса дросселирования и изоэнтропного расширения в S—Т-диаграмме.

Полученное выражение называется дифференциальным дроссельным эффектом и обозначается .

Если α_i>0 — эффект положительный и сопровожда­ется понижением температуры, если α_i <0 — эффект отрицательный и сопровождается повышением температуры. При α_i=0 темпепратура остается без изменения. Для идеального газа pv=RT и - эффект дросселирования равен нулю.

Интегральный дроссельный эффект выражается от­ношением .

Дроссельный эффект принято также называть эф­фектом Джоуля — Томсона.

На рис. 2 в s — T -диаграмме изображены процессы дросселирования вещества, находящегося в различных состояниях.

Рис 2.

Состояние дросселируемого вещества, при котором изменяется знак эффекта дросселирования, носит вание инверсионного; на рис. 2 нанесена инверсионная линия α_i=0.

Если дросселирование протекает в области, располо­женной выше инверсионной линии (процесс 1-2), то при дросселировании температура повышается; в этом случае эффект дросселирования отрицательный. Раз­ность температур ΔT_i,- называют изотермическим эффек­том дросселирования. Если при дросселировании веще­ство проходит через состояние инверсии, то эффект дросселирования меняет свой знак (процесс 3-4). По мере удаления от состояния инверсии значение изотер­мического эффекта дросселирования возрастает. Эф­фект дросселирования повышается так же в области высоких давлений (в области высоких давлений линии i = const проходят круче).

При дросселировании насыщенной жидкости (из-за сопутствующего дросселированию парообразования) происходит значительное увеличение объема (соверша­ется большая отрицательная объемная работа) и из-за большого влияния сил взаимного притяжения молекул изотермический эффект дросселирования в значитель­ной степени возрастает, а сам процесс приближается к изоэнтропному (процесс 7-8).