3.6. Процесс дросселирования

Дросселированием называется термодинамический процесс необратимого перетекания газа (жидкости) от большего давления к меньшему без совершения работы. Дросселирование, протекающее без теплообмена с окружающей средой, называется адиабатным. Этот процесс происходит при большом местном сопротивлении, когда можно пренебречь изменением кинетической энергии рабочего тела. Из основного уравнения термодинамики для потока:

следует, что при адиабатном дросселировании h₁=h₂, то есть начало и конец процесса находятся на линии h=const (на изоэнтальпе).

Рис. 3.11. Изображение процесса дросселирования на энтропийных диаграммах

Поскольку признаком необратимости процесса является рост энтропии рабочего тела на энтропийных диаграммах конечная точка процесса дросселирования всегда лежит правее начальной (рис. 3.11). Необратимый процесс на диаграммах состояния рабочего тела изображается штриховой линией.

При дросселировании температура рабочего тела может понижаться, повышаться, либо не изменяться. Если процесс дросселирования протекает правее максимума изоэнтальпы на диаграмме T,s либо правее минимума изотермы на диаграмме h,s (процесс 1-2), то температура рабочего тела понижается (дроссель-эффект α_h=(∂T/∂p)_h > 0). Если же процесс начинается и оканчивается левее соответствующих экстремумов этих линий (процесс 3-4), то температура рабочего тела повышается (α_h < 0). Кривая, соединяющая соответствующие экстремумы и разделяющая области параметров, в которых дроссельный эффект имеет разные знаки, называется кривой инверсии. На кривой инверсии α_h = 0.

Если процесс начинается в области α_h < 0, а оканчивается в области α_h > 0 (процесс 5-6), то в итоге может произойти как понижение, так и повышение температуры рабочего тела по сравнению с первоначальной, в зависимости от протяженности участков процесса в указанных областях.

Процесс дросселирования является одним из четырёх основных процессов холодильных циклов большинства парокомпрессорных холодильных машин. Он используется для понижения температуры рабочего тела (хладагента) от температуры конденсации до температуры кипения. Заменяя расширительный механизм (детандер) дроссельным клапаном, мы существенно упрощаем (удешевляем) холодильную установку.

Рассмотрим примеры решения задач, в которых рабочее тело (вода и водяной пар) совершают процесс дросселирования.

Задача 1. Определить термодинамические свойства пара, получаемого при дросселировании насыщенной жидкости (воды), находящейся при температуре 300°С, до нормального атмосферного давления.

Решение.

Поскольку область жидкости на диаграмме h,s не приведена, эту задачу можно решить только с помощью таблиц свойств воды и водяного пара, в частности с помощью табл. 1 приложения.

Энтальпия насыщенной жидкости при температуре 300°С равна h₁ = =1345,4 кДж/кг, а давление p₁ = 8,5917 МПа (точка 5 на рис. 3.11). При дросселировании этой жидкости до атмосферного давления получается влажный пар (точка 6), степень сухости которого рассчитывается из соотношения:

,

где h₂ = h₁= 1345,4 кДж/кг; h^’=419,06 иh^’’ =2676,3 кДж/кг – энтальпия насыщенных жидкости и пара при атмосферном давлении р₂ = 0,101325 МПа.

Тогда остальные свойства влажного пара в конце дросселирования:

Задача 2. Вода при температуре 40°С и давлении 50 бар дросселируется до давления 0,005 МПа. Определить состояние рабочего тела в конце дросселирования и его термодинамические свойства.

Решение

По таблице свойств воды и водяного пара ([3] стр. 124) определяем энтальпию и энтропию воды в начальной точке процесса дросселирования (точка 7 на рис. 3.11). Из таблицы для состояния насыщения видно, что h^’<h< h^’’, то есть конечная точка процесса (точка 8) соответствует состоянию влажного пара. При дросселировании h₈ = h₇ = 171,9 кДж/кг, тогда

Остальные термодинамические свойства влажного пара в конце процесса

t₈ = t_s = 32,9°C — это температура насыщения при давлении 0,05 бар,

Следовательно, температура образовавшегося влажного пара ниже температуры воды на 7,1°C, а его энтропия вследствие необратимости процесса дросселирования больше на 0,0175 кДж/(кг·К).

Задача 3. До какого давления необходимо дросселировать перегретый пар, находящийся при температуре 310°С и давлении 9 МПа, чтобы он стал насыщенным. Задачу решить с помощью диаграммы h,s, а затем уточнить по таблицам свойств воды и водяного пара.

Решение задачи с помощью диаграммы h,s.

Рис. 3.12. Дросселирование перегретого пара до состояния насыщения

На пересечении изотермы t₁ = 310°С и изобары р₁ =9 МПа, находим начальную точку 1. Из полученной точки проводим линию h₁ = const (горизонтальная линия) до пересечения с пограничной кривой. Поскольку пограничная кривая пара на диаграмме h,s имеет максимум, а начальная точка заданного процесса находится в однофазной области левее этого максимума, то линия h₁=const пересекает эту кривую в двух точках (2 и 3) при давлениях 6,2 МПа и 1,15 МПа. Поэтому при дросселировании пара от состояния 1 до указанных давлений он станет насыщенным (но его термодинамические свойства в этих состояниях, естественно, будут различными). При дросселировании до любого промежуточного давления пар на выходе будет влажным.

Решение задачи с помощью таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара.

В таблице свойств воды и водяного пара ІІІ [3] находим изобару 90 бар (стр.137) и при температуре 310°С определяем свойства пара: удельный объём v₁ = 0,02142 м³/кг; энтальпию h₁ = 2781,8 кДж/кг; энтропию s₁ = =5,7163 кДж/(кг·К).

Затем, используя табл. ІІ, интерполяцией по значению энтальпии h₁ = =2781,8 кДж/кг определяем свойства в точках 2 и 3:

Точка 2: , тогда

Следовательно, при дросселировании пара от давления 90 бар до 61,36 его температура уменьшилась на 32,97°С; энтропия увеличилась на 0,1609 кДж/(кг·К); а удельный объём увеличился в 1,48 раза.

Точка 3: , тогда

В данном случае температура пара уменьшилась на 124,21°С; энтропия увеличилась на 0,2773 кДж/(кг·К); а удельный объём увеличился в 7,98 раза.