Дросселирование. Температура инверсии

Опыт показывает, что если на пути потока встречается местное сопротивление в виде суженного сечения (рисунок 8.4), то в процессе течения потока давление рабочего тела понижается. Процесс, про­исходящий при движении потока через местное сопротивление в канале, связанный с падением давления в направлении течения, называется дросселированием. Дросселирование протекает без под­вода (отвода) теплоты извне и без совершения внешней работы. Этот процесс необратим и сопровождается возрастанием энтропии.

 

Рис. 8.4 – Схема дросселирования потока газа, изменение давления, скорости и энтальпии потока вдоль канала при дросселировании

 

При адиабатном процессе справедливо выражение (8.9):

, (8.21)

где и – 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 = ,
т.е. при адиабатном дросселировании газа или пара энтальпия его до и после дросселирования имеет одно и то же значение.

Для идеального газа , 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:

, (8.22)

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

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

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 8.5.

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.).

Рис. 8.5 – Кривая инверсии в рТ – координатах

 

В то же время особенности процесса дросселирования ис­пользуются при решении многих технических задач. Приведем ряд примеров. При регулировании работы паросиловых установок пар дросселируют. Так как при этом располагаемый теплоперепад уменьшается, то это приводит к уменьшению технической рабо­ты двигателя. Дроссельный способ регулирования используют в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. Поскольку при дросселировании температура рабочего тела уменьшается (при ус­ловии, что дроссель–эффект положителен), то этот процесс находит применение в холодильной технике.