Дросселирование газов и паров

Если на пути движения потока газа или пара имеется местное сопротивление, т. е. резкое сужение проходного сечения (например, диафрагма с небольшим отверстием в центре), то в месте сужения скорость резко возрастает, а давление понижается. При последующем понижении скорости из-за завихрений давление восстанавливается не полностью, как показано на графике. Перепад давления тем больше, чем меньше отношение f_o / f₁.

Понижение давления газа или пара при прохождении его через какое-либо местное сопротивление называется дросселированием. Процесс дросселирования идет без теплообмена с окружающей средой и не сопровождается производством технической работы, поэтому аналитическое выражение первого закона термодинамики для горизонтального потока принимает вид:

или

Изменение скорости при дросселировании может быть весьма значительным, но даже при очень больших скоростях кинетическая энергия потока столь несущественна по сравнению с его энтальпией, что вторыми слагаемыми можно пренебречь. Тогда получаем

т.е. при дросселировании газа или пара его энтальпия практически не изменяется.

При дросселировании идеального газа, для которого причем с_p = const, получаем

,

т.е. температура идеального газа при дросселировании не изменяется.

Если в Ts–диаграмме точка 1 соответствует состоянию идеального газа до дросселирования, то точка 2, соответствующая состоянию его после дросселирования, лежит с ней на одной горизонтали и располагается правее (поскольку изобара р₂ находится правее изобары p₁).

График показывает, что дросселирование идеального газа сопровождается ростом его энтропии, несмотря на то, что процесс идет без теплообмена с окружающий средой. Это очевидно, поскольку этот процесс является необратимым.

Энтропия является функцией состояния и, следовательно, ее изменение не зависит от пути, по которому газ переходит из состояния 1 в состояние 2. Это означает, что оно будет таким же, как при обратимом изотермическом процессе 1-2, т. е. может быть определено по формуле:

Горизонтальную прямую 1-2 можно рассматривать как линию процесса дросселирования лишь условно, поскольку в принципе графическому изображению поддаются лишь обратимые процессы и фактически линия 1-2 изображает не дросселирование, а обратимое изотермическое расширение газа.

Равным образом нельзя рассматривать реальный процесс дросселирования и как изоэнтальпийный, т. е. протекающий при i=const.

Легко видеть, что эти два процесса, изображающиеся одной и той же линией, но в принципе совершенно различны:

в изотермическом процессе площадь 1-2-3-4-1, лежащая под линией процесса, представляет собой внешнюю теплоту, за счет которой и совершается работа расширения газа;

в процессе дросселирования эта площадь представляет собой внутреннюю теплоту, получаемую газом за счет превращения в тепловую энергию работы расширения, полностью затрачиваемой на вихреобразование.

Процесс дросселирования водяного пара.

Из графика видно, что влажный пар в области умеренных давлений (точка 1) при дросселировании подсушивается, сухой насыщенный пар (точка 2) перегревается, а перегретый (точка 3) увеличивает свой перегрев.

Температурный эффект дросселирования перегретого пара на Δр бар даёт понижение температуры ,⁰С.

В области высоких давлений, близких к критическому, перегретый пар (точка 1) сначала переходит в сухой насыщенный (точка 2), затем увлажняется, затем снова подсушивается, становясь сухим насыщенным (точка 3), и, наконец, вновь становится перегретым (точка 4).

Кипящая вода (точка 5) при дросселировании частично испаряется и переходит в смесь воды с насыщенным паром (точка 6).

С помощью is–диаграммы можно показать, что дросселирование сопряжено с потерей располагаемой работы.

Если до дросселирования пар имел давление (точка 1), то располагаемое теплопадение было равно h'_o, после дросселирования, когда его давление снизилось до (точка 2), располагаемое теплопадение стало равным h"_o.

А т.к. точка 4 располагается выше точки 3, очевидно, что .