Визначення інтегрального дросельного ефекту в процесі дроселювання повітря

Виконав:

ст. гр. ХТП-11

Прийняв:

ЛЬВІВ – 2012

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Ряд процесів хімічної технології, а саме деякі процеси абсорбції, кристалізації, розділення газів, сублімаційне сушіння, проводять при температурах значно нижчих, від тих, які можна отримати використовуючи в якості холодильних агентів повітря, воду та лід. В процесах штучного охолодження, зниження температури холодильного агенту досягається за допомогою випаровування низькокиплячих рідин та розширення попередньо стиснених газів.

Існують два методи, за допомогою яких можна здійснити розширення газів і досягнути глибокого охолодження. Перший метод – дроселювання газів або парів, тобто, перепускання газів із області з високим тиском в область з низьким тиском. У випадку дроселювання розширення газів відбувається адіабатично без здійснення зовнішньої роботи.

Другий метод – розширення газів у детандері. Процес охолодження при розширенні газу в детандері відбувається також адіабатично, але з виконанням зовнішньої роботи.

Дроселювання газів. З практики відомо, коли на шляху потоку газу або рідини, які протікають по трубопроводі чи каналі, поставити перегородку, яка зменшує їх січення, то тиск газу за перегородкою завжди стає меншим ніж перед нею. Ефект зміни тиску потоку робочого тіла в процесі протікання крізь звуження каналу називається дроселюванням.

Це пояснюється властивостями реальних газів, які на відміну від ідеальних не підпорядковуються рівнянню Клапейрона, тобто . Для ідеального газу відношення , тобто коефіцієнт стиснення є рівним одиниці. Для реального газу, в залежності від тиску та температури, це відношення може бути більшим або меншим за одиницю. Це пояснюється наявністю сил взаємного притягання між молекулами газу, які сприяють його стисненню, а наявність об’єму самих молекул не дозволяє йому стискатись. Суттєвою відмінністю реального газу від ідеального є те, що, в залежності від зовнішніх умов, реальний газ може знаходитись в трьох агрегатних станах – твердому, рідкому та газоподібному. В процесі дроселювання до газу може бути підведене або відведене тепло.

В процесі адіабатичного дроселювання тепло не підводиться і не відводиться, тобто, процес відбувається при постійній ентропії . В процесі адіабатичного дроселювання газ здійснює роботу, яка витрачається на подолання місцевого опору і яку називають роботою проштовхування. Ця робота здійснюється за рахунок зменшення внутрішньої енергії, тобто

(1)

– питома робота, Дж/кг газу; Р₁, Р₂ – тиски газу до і після перегородки Н/м²; V₁ та V₂ – питомі об’єми газу, м³/кг; U₁ та U₂ – внутрішня енергія газу, відповідно, до і після перегородки.

Оскільки, , то

(2)

Рівняння (2) показує, що в результаті адіабатичного дроселювання ентальпія газу не змінюється, тобто процес відбувається ізоентальпійно.

Ентальпія адіабатичного потоку зберігається постійною тому, що робота, яку здійснює газ (за рахунок його внутрішньої енергії) перетворюється в теплоту тертя , яка засвоюється потоком, тобто згідно першого закону термодинаміки .

Оскільки,

(3)

Для адіабатного потоку тепло не підводиться , то . Теплота тертя еквівалентна роботі тертя , тому .

Вплив температури, ентропії та інших параметрів можна пояснити на основі рівняння:

(4)

Відношення нескінчено малої зміни температури до нескінчено малого зменшення тиску газу, тобто величину , називають диференційним дросель ефектом.

Явище зміни температури реального газу чи рідини в умовах адіабатного дроселювання називають ефектом Джоуля-Томсона, або дросельним ефектом. Зміну температури газу в процесі адіабатного дроселювання при значному перепаді тиску на дроселі називають інтегральним дросельним ефектом. Він підраховується згідно рівняння:

(5)

де Т₁ та Т₂ – температури газу до дроселя і за дроселем.

Дросельний ефект вважається позитивним, коли під час дроселювання газ охолоджується, і негативним, коли газ нагрівається.

Знак інтегрального дросель ефекту (зменшення (-), збільшення (+)) залежить від співвідношення і правої частини рівняння (3).

Якщо , то (6)

І тоді в процесі адіабатного дроселювання температура дроселювання підвищується.

Якщо то (7)

І тоді в процесі адіабатного дроселювання температура газу понижується.

Якщо то (8)

Температура газу в даному випадку не змінюється, що справедливо для ідеального газу, який дроселюється без зміни температури.

Таким чином, ефект Джоуля-Томсона має місце тільки для реальних газів, і може мати різні значення (-) або (+) в різних областях стану.

Такий стан газу, в якому називається точкою інверсії. Геометричне місце точок інверсії на діаграмі стану даного газу називають кривою інверсії.

Для прикладу, на рис. 1 показана крива інверсії азоту в Р-Т діаграмі. Згідно цієї діаграми всередині області, обмеженої кривою інверсії, , тому газ в процесі дроселювання буде охолоджуватись. За межами вище вказаної області і температура газу буде підвищуватись під час дроселювання. Аналогічні криві інверсії можна одержати для інших речовин.

Як видно з рисунку 1, ізобари Р < Р_ін двічі перетинають криву інверсії (точка а та б). Переміщуючись по ізобарі з області високих температур, де (нагрівання газу в процесі дроселювання), попадаємо в область, де (охолодження газу в процесі дроселювання), а далі знову в область де ((нагрівання газу в процесі дроселювання).

Рис. 1. Інверсійна крива для азоту

ІІ. МЕТА РОБОТИ

1. Визначення параметрів потоку під час дроселювання повітря.

2. Визначення інтегрального дросельного ефекту (теоретично та експериментально).

ІІІ. ОПИС УСТАНОВКИ

Установка (рис. 2) складається з компресора 1, який стискає повітря і подає його в ресивер 2. Тиск повітря в ресивері контролюється манометром 3. Газ із ресивера виходить в атмосферу через дросельний вентиль 4. Температура газу до і після дросельного вентиля фіксується відповідними датчиками 5 та 6, сигнал від яких поступає на електронний прилад 7, який показує значення температур Т₁ та Т_2.

Рис. 2. Схема експериментальної установки

1 – багатоступеневий компресор; 2 – ресивер; 3 – манометр; 4 – дросельний вентиль; 5, 6 – датчики температури; 7 – потенціометр.