Дроселювання газів і парів

Якщо в трубопроводі на шляху руху газу чи пари зустрічається місцеве звуження, то унаслідок опорів, що виникають при такому звуженні, тиск p₂ за місцем звуження завжди менше тиску p_1, що знаходиться до нього (мал.16.1). Процес зменшення тиску, у результаті якого немає ні збільшення кінетичної енергії, ні здійснення технічної роботи і без підведення чи відведення теплоти, називається адіабатним дроселюванням, або м’яттям (також редукуванням або гальмуванням).

Будь-який кран, вентиль, засувка, клапан і інші місцеві опори, що зменшують прохідний переріз трубопроводу, викликає дроселювання газу чи пари і, отже, падіння тиску. Іноді дроселювання спеціально вводиться в цикл роботи тієї чи іншої машини: наприклад, шляхом дроселювання пари перед входом в парові турбіни регулюють потужність, аналогічний процес здійснюється і в карбюраторних ДВЗ, де

Мал.16.1 потужність регулюється зміною положення дросельної заслінки карбюратора. Дроселювання газів і парів використовується для зниження їх тиску в спеціальних редуційних клапанах, що широко використовуються в системах тепло- і парогазопостачання різних підприємств, а також і в холодильній техніці для отримання низьких температур і зріджування газів шляхом їх багатократного дроселювання.

Фізичне уявлення про падіння тиску за місцевим опором обумовлене дисипацією (розсіянням) енергії потоку, що витрачається на подолання цього місцевого опору.

При дроселюванні втрата тиску p₁ - p₂ тим більша, чим менша відносна площа звуження. За відсутності теплообміну відповідно рівнянню (13.17) матимемо

h₁ – h₂ = 1/2 ^. ()

де h₁, h₂ – ентальпії газу в перетинах I-I і II-II.

Як правило, зміна швидкості c₂ – c₁ при однаковому перерізі труби до і після діафрагми є незначною і нею можна знехтувати. Тому, в результаті м’яття, ентальпія газу до звуження і після нього має одне і те ж значення, тобто h₁ = h₂.

Дослідження процесу дроселювання показує також, що при проході через звуження швидкість потоку в цьому місці зростає, а тиск падає до p^I в найвужчому місці потоку, що знаходиться на невеликій відстані за звуженням каналу. Звичайно, одержаний приріст кінетичної енергії струменя за наявності дифузора можна було б перевести в потенційну енергію і цим підняти тиск до первинного p₁. Проте відсутність дифузора виключає такий зворотній процес, а більша частина приросту кінетичної енергії із-за наявності вихрових рухів за звуженим перерізом переходить в теплоту, яка сприймається парою (газом). Останнє ж, як відомо, пов'язано із збільшенням ентропії, і робоче тіло не повертається до первинного стану, не дивлячись на рівність швидкостей і ентальпій. Все це призводить до того, що процес дроселювання, будучи по суті адіабатним, є типовим необоротнім процесом.

Ефект дроселювання в ідеальному газі не виявляється. Наприклад, умова h₁ = h₂ для ідеального газу приводить до висновку, що температура також не змінюється, тобто Т₁ = Т₂, оскільки ентальпія ідеального газу є однозначною функцією температури.

h₂ – h₁ = ^. (Т₂ – T₁)

На T, S діаграмі (мал.16.2) явище м’яттяідеального газу може бути представлено точками 1 і 2, які лежать на одній горизонталі, оскільки Т₁ = Т₂. Не можна вважати, що відрізок ізотерми 1-2 відповідає процесу дроселювання газу, бо тільки крайні точки 1 і 2 характеризують стан газу як рівноважний, а всі проміжні точки не відповідають дійсному процесу, що здійснюється над газом. Тому лінія 1-2 проведена на мал.16.2 пунктиром. Дійсно, при адіабат-

Мал.16.2 ному процесі в місці звуження прохідного перерізу швидкість потоку зростає відповідно до рівняння (13.17) за рахунок ентальпії, а значить, температура зменшується. Після цього, по мірі переходу зовнішньої кінетичної енергії в теплоту, температура газу підвищується, і на деякому віддалені від місця звуження, де перебіг потоку стає стаціонарним, температура досягає свого первинного значення. Таким чином, дійсний процес між точками 1 і 2 протікає при змінних значеннях h і t, і тому неправильно розглядати процес дроселювання як процес при h = const і називати його ізоентальпним.

Фізична суть ефекту дроселювання реального газу або пари полягає в наступному:

На підставі рівності h₁ = h₂ можна записати

u₁ + p₁ ^. v₁ = u₂ + p₂ ^. v₂, (16.1)

або u₁ – u₂ = p₂ ^. v₂ – p₁ ^. v₁ , (16.2)

Звідки витікає, що робота проштовхування здійснюється за рахунок зменшення внутрішньої енергії реального газу або пари. Внутрішня енергія реального газу складається з двох частин: з кінетичної (функція температури) і потенційної (функція температури і об'єму).

В більшості випадків (практичних), процес дроселювання проходить за рахунок витрати роботи проштовхування p₂ ^. v₂ – p₁ ^. v₁, що зумовлює збільшення внутрішньої енергії газу або пари.

Залежно від співвідношення абсолютних значень приросту роботи проштовхування, потенційної частини внутрішньої енергії і кінетичної частини внутрішньої енергії на підставі (16.40) можливі наступні випадки:

1. Робота проштовхування p₂ ^. v₂ – p₁ ^. v₁ за абсолютним значенням менша приросту потенційної частини внутрішньої енергії, в цих умовах кінетична частина внутрішньої енергії зменшується, тому температура газу знижується Т₂ < Т_1.

2. Робота проштовхування p₂ ^. v₂ – p₁ ^. v₁ за абсолютним значеннямбільша приросту потенційної частини внутрішньої енергії, надлишок роботи витрачається на збільшення кінетичної енергії, тому температура газу зростає Т₂ > Т₁.

3. Якщо робота проштовхування p₂ ^. v₂ – p₁ ^. v₁ дорівнює приросту потенційної частини внутрішньої енергії, то кінетична частина внутрішньої енергії газу, а отже, і його температура, залишаються незмінними Т₂ = Т₁.

Явище, при якому температура реального газу до дроселя і після нього залишається незмінною (Т₂ = Т₁), називається інверсією газу, а температура, при якій це явище відбувається, називають температурою інверсії і позначають Т_ін.

Таким чином, при дроселюванні реальних газів ентальпія для початкових і кінцевих значень залишається постійною (h₁ = h₂), але ентропія і об'єм збільшуються, тиск падає, а температура може зменшуватися, збільшуватися або ж в окремому випадку залишатися постійною.