Дросселирование газа и пара.

 1. Основные положения

Пример 1. Если в трубопроводе на пути прохождения пара или газа давлением P₁ имеется сужение (рисунок 1), то давление Р₂ по другую сторону сужения становится меньше. Происходящее таким путем понижение давления пара или газа называется дросселированием, или мятием.

Рисунок 1 - Схема процесса дросселирования пара

Пример 2. Если поток реального газа пропускать через пористую вставку (дроссель), то в зависимости от исходных параметров он или охлаждается, или нагревается, но давление его всегда уменьшается (dp < 0).

Вентили, употребляемые для регулирования мощности паровых машин и турбин, а также дроссельные заслонки для двигателей внутреннего сгорания вызывают дросселирование. Падение давления пара при дросселировании объясняется тем, что часть пара потенциальной энергии пара за­трачивается на увеличение скорости его прохода через сужение.

После сужения скорость движения потока уменьшается и становится равной скорости потока до сужения. Однако часть кинетической энергии потока, приобретенной им при истечении через сужение, затрачивается на образование вихрей. Освобождающаяся при этом теплота потока нагревает его.

Таким образом, при дросселировании уменьшается только давление и незначительно понижается температура, скорость же остается без изменения.

Дросселирование рабочего пара в паровых двигателях — явление нежелательное, так как при этом снижается экономичность паросиловых установок. На судах иногда возникает необходимость в получении путем дросселирования небольших количеств пара низкого давления из котлов высокого давления (например, для парового отопления, подогрева топлива). Для этой цели на ответвление паровой магистрали для прохода пара устанавливают специальные клапаны с малым сечением, называемые дроссельными или редукционными. Регулируя натяжение пружины клапана, можно получить необходимое давление за клапаном.

Кроме того, дросселирование находит применение в рабочих процессах, холодильных установок.

2. Основные понятия, связанные с дросселированием газа и пара

Дросселирование протекает без под­вода (отвода) теплоты извне и без совершения внешней работы. Этот процесс необратим и сопровождается возрастанием энтропии.

Рис. 2 – Схема дросселирования потока газа, изменение давления, скорости и энтальпии потока вдоль канала при дросселировании

1) Энтальпия

При адиабатном процессе справедливо выражение:

h₁ – h₂ = 0,5 (w²₂ - w²₁), (1)

где h₁ и h₂– значения энтальпий рабочего тела в сечениях 1 –1 и 2–2.

Так как массовый расход в каждом сечении канала не изменяется, а площади проходного сечения до сужения и после него равны, то скорости течения изменяются незначительно.

Поэтому мож­но принять, что h₁= h₂, т.е. при адиабатном дросселировании газа или пара энтальпия его до и после дросселирования имеет одно и то же значение.

2) Температура

Для идеального газа h₁ – h₂ = c_p(T₁-T₂) , что свидетельствует о постоянстве температуры идеального рабочего тела, как до су­женного сечения, так и после него.

У реальных газов и паров в процессе дросселирования темпе­ратура изменяется в зависимости от изменения давления: a= (dT/dp)_h, (2)

где а – коэффициент адиабатного дросселирования, или коэффици­ент дифференциального дроссель–эффекта (рисунок).

Явление изменения температуры рабочего тела в результате адиабатного дросселирования называют эффектом Джоуля–Томсона.

Знак температуры:

Так как при дросселировании во всех случаях dp<0, то знак из­менения dT зависит от знака а.

Если а > 0, то dT < 0, т.е. при дросселировании рабочее тело охлаждается. Это явление называют по­ложительным эффектом Джоуля–Томсона.

При а < 0, dT> 0, т.е. при дросселировании рабочее тело нагревается – отрицательный эффект Джоуля–Томсона.

При а = 0, dT=0, т.е. в результате дросселирования рабочее тело не меняет своей температуры.

Температура, соответствующая состоянию рабочего тела, при котором она (температура) в процессе адиабатного дросселирования не изменяется, называется температурой инверсии.

Геометрическое место точек температуры инверсии на рТ – диаграмме образует кривую инверсии. Она представляет собой линию, разделяющую область по­ложительного и отрицательного значений дроссель–эффекта.

Примерный вид кривой инверсии приведен на рисунке 3

Рис. 3– Кривая инверсии в рТ – координатах

Поскольку процесс дросселирования необратим, его можно изображать в Ts и hs – координатах лишь условно. Чаще всего пользуются анализом процесса дросселирования на hs – диаграмме.

При дросселировании температура пара понижается, влажный пар подсушивается и становится перегретым. Описанный процесс справедлив для паров низкого и среднего давления, но именно такой пар находит применение в сельскохозяйственном производстве. При дросселировании давление рабочего тела падает, и поэтому этот процесс приводит на практике к невозобновляемым поте­рям (потери давления в процессе наполнения цилиндров двигателя при впуске пара в ротор турбины, потеря в газо– и паропроводах и т. д.).

3. Применение дросселирования

В то же время особенности процесса дросселирования ис­пользуются при решении многих технических задач. Приведем ряд примеров.

1)  При регулировании работы паросиловых установок пар дросселируют. Так как при этом располагаемый теплоперепад h₁ – h₂ уменьшается, то это приводит к уменьшению технической работы двигателя.

2) Дроссельный способ регулирования используют в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. Поскольку при дросселировании температура рабочего тела уменьшается (при условии, что дроссельэффект положителен), то этот процесс находит применение в холодильной технике.

Примеры решения задач

Задача. Через цилиндрическое сопло вытекает m =2 кг/с кислорода в среду с давлением р_ср= 0,3 МПа. При входе в сопло кислород имеет давление р₁=1,5 МПа и температуру t₁= 27°С. Определить площадь выходного сечения сопла и теоретическую скорость истечения.

Дано:

m =2 кг/с

р₂=0,3 МПа

t₁= 27°С

р₁=1,5 МПа

А₂-?

ω- ?

Решение:

1) Определяем отношение .

Критическое отношение давлений для воздуха как для двухатомного газа β_кр=0,528, получаем β < β_кр

2) Критическое давление и критическая скорость:

р_кр = р₁· β_кр = 0,792 МПа

3) Определим температуру на выходе из сопла:

Т₁ = t₁ + 273 = 300К

4) Определи удельный объем на входе в сопла из уравнения состояния идеального газа (газовая постоянная для воздуха R_μ = 260 Дж/(кг·К)):

p₁V₁ = R_μ  T₁

Домашнее задание

Задача. Через сужающееся сопло вытекает m =1 кг/с воздуха в среду с давлением р₂=0,6 МПа. Начальное давление воздуха р₁=1 МПа и температура t₁= 127°С.Определить площади выходного сечения сопла и скорость истечения.

Контрольные вопросы:

1. Что называется дросселированием?

2. Приведите примеры наблюдения дросселирования газа и пара.

3. Какие параметры газа меняются при дросселирование?

4. Что можно сказать об изменении температуры для идеального и реального газа при дросселировании газа?

5. От чего зависит знак температуры при дросселировании?

6. В каких установках используется дросселирование газа и пара?