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.