Дросселирование. 
Эффект Джоуля — Томсона

Из опыта известно, что если на пути струи газа или жидкости, протекающей по трубе, встречается препятствие, то давление протекающего газа или жидкости за препятствием всегда оказывается меньше, чем перед ним. Эффект падения давления в потоке рабочего тела, протекающего через сужение в канале, называют дросселированием. Причиной, вызывающей падение давления за местным сопротивлением, является диссипация энергии потока, которая расходуется на преодоление этого местного сопротивления.

При адиабатном дросселировании энтальпия газа до диафрагмы и после нее имеет одно и то же значение. Однако при течении газа внутри дросселя его энтальпия может меняться. В процессе течения газа через дроссель параметры потока меняются, при сужении канала скорость потока возрастает, энтальпия при этом уменьшается. После того как сечение потока восстанавливается, поток затормаживается и энтальпия возрастает до прежнего значения.

Процесс протекания потока через дроссель изображен на диаграмме Молье (рис. 5.24).

Рис. 5.24. Течение газа через дроссель на диаграмме Молье.

На участке 1—2' давление в дросселе падает от р₁ до р₂, энтальпия уменьшается, а скорость потока возрастает. Участок 2'—2 соответствует торможению потока за дросселем, в результате чего кинетическая энергия потока уменьшается, а энтальпия восстанавливается до первоначального значения.

В адиабатном потоке теплота, выделяющаяся при торможении потока, целиком усваивается рабочим телом. Таким образом, в рассмотренном процессе

Энтальпия адиабатного потока сохраняется, потому что работа, совершаемая против сил трения, превращается в теплоту, которая усваивается потоком.

Эффект Джоуля — Томсона (дроссель-эффект) — явление изменения температуры газов и жидкостей при адиабатном дросселировании.

Принято различать дифференциальный дроссель-эффект и интегральный дроссель-эффект.

Дифференциальный дроссель-эффект характеризуется производной.

где о./, — коэффициент адиабатного дросселирования. Этот коэффициент характеризует величину и знак изменения температуры газа при адиабатном протекании через дроссель, которое сопровождается бесконечно малым падением давления.

Расчет дифференциального дроссель-эффекта осуществляется следующим образом. Поскольку энтальпию можно представить в виде функции температуры и давления,.

формально запишем поэтому С учетом этого Полагая, что энтальпия постоянна, получим.

В свою очередь, поэтому.

В общем случае коэффициент адиабатного дросселирования не равен нулю.

Изменение температуры газа или жидкости в процессе адиабатного дросселирования при значительном перепаде давления на дросселе называется интегральным дроссель-эффектом:

Интегральный дроссель-эффект может достигать довольно больших значений. Например, при адиабатном дросселировании водяного пара от давления 294 бар и температуры 450 °C до давления 0,98 бар температура пара уменьшается на 270 °C до 180 °C. Медленное истечение углекислого газа из баллона с давлением 100 бар сопровождается сильным охлаждением и может вызвать замерзание газа. Водород при дросселировании нагревается.

Величину интегрального дроссель-эффекта можно определить с помощью h—Tдиаграммы (рис. 5.25).

Рис. 5.25. К определению величины интегрального дроссель-эффекта.

Если известно состояние газа перед дросселем (точка 1) и давление за дросселем р₂> то температуру Т₂ легко найти из диаграммы. При этом линия 1—2 не является линией адиабатного дросселирования, поскольку процесс дросселирования протекает необратимо, а на диаграммах состояния можно отображать только обратимые процессы. Однако положение точек 1 и 2 не зависит от пути процесса, поэтому изменение энтальпии в реальном процессе можно вычислить, проведя обратимый процесс перехода из точки 1 в точку 2.

Очень важным является вопрос о знаке коэффициента адиабатного дросселирования. В соотношении теплоемкость всегда положительна, а давление при дросселировании всегда падает, dp < 0. Поэтому если a_h > 0, то при дросселировании температура убывает, а если а_А < 0 — возрастает.

Если (dv / dT)_p < v / Т, то а_Л < 0, т. е. газ нагревается:

Если (dv / дТ)_р > v / Т, то сх_Л > 0, г. с. газ охлаждается:

Наконец, если (Эv/dT)_p = v/Т. то а_Л =0, т. е. температура газа не меняется.

Поскольку для идеального газа

его дросселирование происходит без изменения температуры.

Таким образом, эффект Джоуля — Томсона имеет место только для реального газа и жидкости.

Опыт показывает, что для одного и того же вещества коэффициент адиабатного дросселирования может иметь разный знак в зависимости от параметров газа.

Состояние газа, в котором а_А = 0, называют точкой инверсии эффекта Джоуля — Томсона. Геометрическое место точек инверсии на диаграмме состояния данного вещества называют кривой инверсии (рис. 5.26).

Рис. 5.26. Кривая инверсии эффекта Джоуля — Томсона для азота Адиабатное дросселирование используется в технике для охлаждения газов. Газ будет охлаждаться только в той области температур и давлений, в которой а/, > 0, т. е. под кривой инверсии.

Альтернативным способом охлаждения является изоэнгропное расширение газа с совершением работы. Чтобы определить, какой из двух способов обеспечивает более эффективное понижение температуры, нужно сравнить а_Л =(дТ /др)_1г и а_Л. =(ЭТ/др)₅.

таким образом,.

т.е. a_s, > а_л,.

изоэн гропное расширение газа в турбине охлаждает газ эффективнее, чем дроссель. Однако дроссель гораздо дешевле и надежнее в эксплуатации, чем турбина.

Измерение коэффициента адиабатного дросселирования. Для измерения коэффициента адиабатного дросселирования можно использовать такой эксперимент. Пусть у нас есть трубка, в которой находится войлочная пробка (препятствие). Мы имеем возможность менять температуру и давление до препятствия и измерять параметры после него (рис. 5.27). Параметры после препятствия можно менять посредством вентиля.

Параметры на входе, температура, давление и энтальпия постоянны. Меняя давление на выходе и измеряя температуру на выходе, получаем зависимость Т (р), точнее, Г₂(р₂), при h = const.

Величину коэффициента адиабатного дросселирования находим из графика с помощью соотношения a_h = (дТ / др)_1г Точка инверсии соответствует условию a_h = 0. Меняя параметры на входе, можно получить семейство кривых (рис. 5.28). Кривую инверсии можно получить путем обработки этих кривых. Из рис. 5.28 видно также, что не всякая изоэнтальпа имеет точку инверсии.

Рис. 5.27. К измерению коэффициента адиабатного дросселирования.

Рис. 5.28. Изоэнтальпы на Т—р диаграмме.