Дроселювання
диференціального ефекту Джоуля-Томсона, інтегрування в такий спосіб:
Процес дроселюванняне квазістатичний. рівноважні тільки початковий і кінцевий, але не проміжні стани. Розгляд процесу дроселювання як квазістатичного можливий тільки тому, що шлях переходу з початкового стану в кінцевий тут не важливий і можна замінити його деякою теоретичною квазістатичною абстракцією.
При дроселюванні відбувається адіабатне розширення від тиску P1 до тиску P2 без виконання роботи, тобто дроселювання - суттєво необоротний процес, що супроводжується збільшенням ентропії та об'єму при постійній ентальпії.
Ефект дроселювання застосовується у промисловості у витратомірах змінного тиску [2]. в яких витрата газу або пари вимірюється по перепаду тиску P1 - P2 перед і після звуження прохідного каналу (діафрагма або сопло в Вентурі трубі) трубопроводу.
Дроселювання застосовується в компресійних холодильниках як засіб забезпечення перепаду тиску для випаровування зрідженого холодоагенту.
Дроселюванням називається явище, при якому пара або газ переходить з високого тиску на низький без здійснення зовнішньої роботи і без підведення або відведення теплоти. Таке явище відбувається у трубопроводі, де є звуження прохідного каналу (Рис.5.2). За такого звуження, внаслідок опорів, тиск за місцем звуження — Р2. завжди менше тиску перед ним – Р1.
Будь-який кран, вентиль, засувка, клапан та інші місцеві опори, що зменшують прохідний переріз трубопроводу, викликають дроселювання газу або пари. отже, падіння тиску. Найчастіше це явище приносить безумовну шкоду.Але іноді воно є необхідним і створюється штучно (регулювання парових двигунів, в холодильних установках, приладах для вимірювання витрати газу і т.д.).
При проходженні газу через отвір, кінетична енергія газу та його швидкість у вузькому перерізі зростають, що супроводжується падінням температури та тиску.
Газ. протікаючи через отвір, приходить у вихровий рух. Частина його кінетичної енергії витрачається на утворення цих вихорів і перетворюється на теплоту. Крім того, на теплоту перетворюється і робота, витрачена на подолання опорів (тертя). Уся ця теплота сприймається газом. внаслідок чого температура його змінюється (зменшується або збільшується).
В отвір швидкість газу збільшується. За отвором газ знову тече по повному перерізі і його знову знижується. А тиск збільшується, але до початкового значення він не піднімається; деяка зміна швидкості відбудеться у зв'язку із збільшенням питомого обсягу газу від зменшення тиску.
Дроселювання є незворотним процесом, при якому відбувається збільшення ентропії та зменшення працездатності робочого тіла.
Рівнянням процесу дроселювання є наступне рівняння: i1 = i2. (5.14)
Ця рівність показує, що ентальпія в результаті дроселювання не змінюється і справедливо тільки для перерізів, які досить віддалені від звуження.
При дроселюванні реальних газів ентальпія газу залишається постійною, ентропія та обсяг збільшуються, тиск падає, а температура змінюється (збільшується, зменшується або залишається незмінною).
Зміна температури рідин та реальних газів при дроселюванні називаєтьсяефектом Джоуля-Томсона. Для ідеального газу ефект Джоуля-Томсона дорівнює нулю.Розрізняютьдиференціальний температурний ефект. коли тиск і температура змінюються на нескінченно малу величину іінтегральний температурний ефект. при якому тиск та температура змінюються на кінцеву величину.
Диференціальний температурний ефект позначається б:
Інтегральний температурний ефект визначається з наступного рівняння:
Для реальних газів D T ¹ 0 може мати позитивний або негативний знак.
Стан газу. при якому температурний ефект змінює свій знак, називаєтьсяточкою інверсії. а температура. відповідна цій точці, називаєтьсятемпературою інверсії- Тінв.
У повітрозріджувальних установках
Основні процеси для отримання низьких температур
Дроселювання – це адіабатне розширення газу в умовах стаціонарної течії без здійснення зовнішньої роботи та збільшення швидкості. Практично, це перебіг газу через будь-який гідравлічний опір – дросельний вентиль, заслінку, жиклер, капіляр тощо.
Оскільки не відбувається енергообміну з навколишнім середовищем, процес протікає при незмінній ентальпії:i1 =i2 = const.
Залежно від природи газу та параметрів проведення процесу температура газуТможе змінюватися по-різному:
Це носить назву дросель-ефекту Джоуля-Томсона на честь британських фізиків, які досліджували це явище.
Розрізняють диференціальний, інтегральний та ізотермний дросель-ефекти Джоуля-Томсона.
Диференціальний дросель-ефектai. це відношення нескінченно малої зміни температури газу до нескінченно малої зміни тиску приi= const:
Тут ¶Р0 і, отже, ai> 0. Цепозитивний дросель-ефект.
Інтегральний дросель-ефектDTiпоказує сумарну зміну температури при кінцевому перепаді тисків DРi(приi=const):
Ізотермний ефектдроселювання являє собою різницю теплозмісту стисненого (до дроселювання) і розширеного газу при одній і тій же температурі - DiT. Це дуже важлива величина у розрахунках кріогенних установок.
Між ізотермним та інтегральним ефектами Джоуля-Томсона існує залежність:
деср- середня ізобарна теплоємність повітря в інтервалі зміни температур при дроселюванні.
Один і той же газ за різних початкових температур може мати різний дросель-ефект. Розглянемо це з прикладу розширення повітря (t.s-діаграма на рис. 2.1).
Мал. 2.1. Відображення процесів дроселювання повітряT.s-діаграмі
Повітря дроселюється від початкових параметрівР1 іТ1 (точка 1) до тискуР2. Кінцевий стан відображається точкою 2. Вона лежить на перетині ізобариР2 та ізоентальпиi1-2. Видно, щоТ2u1).
Дроселювання реального газу або пари є типовимнезворотнимпроцесом.
Поведінка реальних газів відрізняється від ідеальної поведінки. Експериментальні дослідження показали, що температура реальних газів при дроселюванні може зменшуватися, збільшуватися або залишатися незмінною. Наукове обґрунтування такого ефекту для реальних газів дали У.Томсон та Дж.Джоуль, внаслідок чого явище отримало назву ефекту Джоуля-Томсона.
Фізичну сутність ефекту Джоуля-Томсона можна з'ясувати, провівши аналіз перебігу газу каналом малогодіаметра, що з'єднує дві ділянки труби. У загальному випадку швидкість потоку в лівій та правій частині труби може бути різною. Нехай, наприклад,w1>w2. Помістимо в перерізах трубиIіIIневагомі поршні, які можуть переміщатися в ній без тертя. Переміщення лівого поршня вправо викликатиме перетікання газу через вузький канал у порожнину під правим поршнем. Під впливом тискур2правий поршень переміщатиметься праворуч. Через дроселюючу дію вузького каналу тискр1буде завжди більший за тискр2(р1>p2), а питомий об'єм – менше (u1