Общие закономерности дросселирования газов

Из опыта известно, что если на пути движения потока газа или пара встречается резкое сужение сечения канала, которое создает сопротивление потоку, то в этом месте скорость потока резко возрастает, а давление – уменьшается. За сужением сечения скорость потока уменьшается и восстанавливается до первоначального состояния, а давление восстанавливается не полностью. Такой процесс называется дросселированием.

Дросселированием или мятием называется процесс понижения давления потока вещества в результате его прохождения через местное сопротивление без совершения внешней работы.

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирование газа или пара, и, следовательно, падение давления. Иногда дросселирование специально вводится в цикл работы той или иной машины: например, путем дросселирования пара перед входом в паровые турбины регулируют их мощность. Аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных двигателях внутреннего сгорании, где мощность регулируется изменения положения дроссельной заслонки карбюратора.

Рассмотрим основные закономерности процесса дросселирования. Для него можно отметить две характерные особенности:

- дросселирование – процесс, протекающий настолько быстро, что теплообмен между рабочим телом и окружающей средой весьма незначителен, и его в расчетах можно не учитывать (q = 0);

- процесс дросселирования протекает без совершения внешней работы (l_Т = 0).

Кроме того, при прохождении рабочего тела через местное сопротивление, оно не изменяет своего положения по высоте, т.е. z₂ = z₁. В этом случае уравнение первого закона термодинамики для потока газа примет вид:

, или ,

где h₁, h₂ – удельная энтальпия газа соответственно в сечениях I и II;

w₁, w­₂ – скорость движения газа соответственно в сечениях I и II.

Так как до и после дросселирования изменение скорости потока очень мало (w₁ = w­₂), то изменением кинетической энергии можно пренебречь, тогда:

h₂ = h₁,

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

Особенности дросселирования идеального и реального газа.

Эффект Джоуля-Томсона

Для идеального газа справедливо соотношение:

Þ Т₂ = Т₁,

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

Так как давление идеального газа после дросселирования не восстанавливается (р₂ < р₁), а температура не изменяется (Т₂ = Т₁ или р₂u₂ = р₁u₁), то удельный объем газа увеличивается (u₂ > u₁).

Дросселирование реального газа или пара является типичным необратимым процессом.

Поведение реальных газов отличается от поведения идеальных. Экспериментальные исследования показали, что температура реальных газов при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной. Научное обоснование такого эффекта для реальных газов дали У.Томсон и Дж.Джоуль, вследствие чего явление получило название эффекта Джоуля-Томсона.

Физическую сущность эффекта Джоуля-Томсона можно выяснить, проведя анализ течения газа по каналу малого диаметра, соединяющему два участка трубы. В общем случае скорость потока в левой и правой части трубы может быть различной. Пусть, например, w₁ > w₂. Поместим в сечениях трубы I и II невесомые поршни, которые могут перемещаться в ней без трения. Перемещение левого поршня вправо будет вызывать перетекание газа через узкий канал в полость под правым поршнем. Под действием давления р₂ правый поршень будет перемещаться вправо. Из-за дросселирующего действия узкого канала давление р₁ будет всегда больше давления р₂ (р₁ > p₂), а удельный объем – меньше (u₁ < u₂).

При этом левый поршень, перемещаясь под действием окружающей среды, совершает отрицательную работу над рабочим телом. Правый поршень, перемещается под действием рабочего тела, следовательно, работа, совершаемая рабочим телом, будет положительной.

На основании равенства h₁ = h₂ можно записать:

, или

.

Так как трубка малого диаметра, через которую перетекает газ из левой части трубы в правую, представляет собой некоторое сопротивление, то на преодоление этого сопротивления затрачивается энергия в механической форме, равная . Эта энергия целиком преобразуется из механической формы в тепловую и, следовательно, изменяет внутреннюю энергию газа.

С другой стороны, внутренняя энергия реального газа вследствие наличия межмолекулярных сил взаимодействия состоит из двух частей:

- кинетической составляющей Е_К, являющейся функцией только температуры;

- потенциальной составляющей Е_П, определяемой положением молекул и зависящей как от температуры, так и от объема.

Потенциальная энергия зависит от расстояния между молекулами, т.е. пропорциональна удельному объему, поэтому в процессе дросселирования всегда возрастает на величину, зависящую от сжимаемости газа.

Итак, можно записать:

.

Тогда можно записать:

, Þ

Анализ записанных выражений позволяет сделать следующие выводы:

1. Если затраты внешней работы больше, чем приращение внутренней потенциальной энергии ( ), то избыток внешней работы идет на увеличение кинетической энергии ( ) потока газа и температура его при дросселировании повышается.

2. Если работа проталкивания расходуется только на расширение газа, т.е. только на увеличение его внутренней потенциальной энергии ( ), то внутренняя кинетическая энергия не изменяется ( ), а значит, не изменяется и температура газа.

3. Если затраты внешней работы меньше, чем вызванное расширением увеличение потенциальной энергии ( ), то недостающая внешняя работа компенсируется уменьшением внутренней кинетической энергии ( ). В этом случае при расширении работа по преодолению сил притяжения между молекулами совершается за счет части внутренней кинетической энергии, температура газа понижается. Этим объясняется физическая сущность эффекта Джоуля-Томсона.