Если в трубопроводе на пути движения газа или пара в канале встречается препятствие (местное сопротивление), частично загромождает поперечное сечение потока, то давление Р2 за препятствием всегда оказывается меньше, чем перед ней Ри (рис. 1.37). Этот процесс уменьшения давления, в результате которого нет ни увеличение
кинетической энергии, ни осуществление технической работы, называется дросселированием или мьятием, а также Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и другие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают дросселирования газа или пара и, следовательно, падение давления. Иногда дросселирования специальное вводится в цикл работы той или иной машины: например, путем дросселирования пара перед входом в паровые турбины регулируют их мощность. Аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, где мощность регулируется изменением положения дроссельной заслонки карбюратора. Дросселирования газов и паров используют для снижения их давления в специальных редукционных клапанах, широко применяется в системах тепло-и пароснабжения различных предприятий, а также в холодильной технике для получения низких температур и сжижения газов путем их многократного дросселирования.
Физическое представление о падении давления за местным сопротивлением обусловлено диссипациею (рассеянием) энергии потока расходуется на преодоление этого местного сопротивления.
Рассмотрим течение рабочего тела по каналу диаметром D, который имеет местное сужение диаметром d (см. рис. 1.37). Приняв, что дросселирования происходит без теплообмена с окружающей средой, рассмотрим изменение состояния рабочего тела при переходе из сечения и к сечению II. При дросселировании потеря давления Pj-P2 тем больше, чем меньше относительная площадь сужения.
Если пренебречь изменением скорости, то есть считать, что Mj ^ (02, то hj = h2. Таким образом, в результате дросселирования энтальпия газа в сечения сужается, и после него имеет одно и тоже значение, т.е. остается постоянной. Энтропия и объект Объем при этом увеличиваются, а давление падает. Не следует делать вывод, что дросселирования газа протекает при неизменной энтальпии. Надо понимать так, что только при завершении процесса дросселирования и стабилизации состояния газа (т.е. выравнивания потока) его энтальпия оказывается такой же, что и в начала процесса.
Для идеальных газов исходя из равенства энтальпий соответствии (1.72) температура также остается неизменной. Но если Т = Т2, то
P2V2 = P1V1, а так как P2 <P1, то соответственно V2> V1.
При дросселировании реальных газов температура газа меняется. В реальных газах из-за наличия сил притяжения между молекулами на расширение газа по сужением должна расходоваться некоторая энергия. К месту дросселирования извне не подводится ни теплота, ни работа, поэтому расширение происходит за счет внутренней энергии газа. Это приводит к уменьшению температуры потока. Изменение температуры при дросселировании называется эффектом Джоуля-Томсона. Для идеальных газов эффект Джоуля-Томсона равен нулю, для реальных газов он может быть положительным или отрицательным. Этот эффект широко используется для получения низких температур, например, в бытовом холодильнике.
Дросселирования является типичным необратимым процессом, в результате которого энтропия рабочего тела растет без подвода теплоты. Как и всякий необратимый процесс, дросселирования приводит к потере работы. Это легко показать на примере водяного пара на hs-диаграмме (см. рис. 1.38). Точка 1 характеризует перегретый пар. Направим эту пару на лопатки паровой турбины, где она будет расширяться до давления Р2. Процесс расширения адиабатно, поэтому на hs-диаграмме он изображается вертикальной прямой 12. При этом пара выполняет работу lj2 = bh = hj-h2.
Если сначала провести процесс дросселирования до давления Pj> (процесс изображается горизонтальной прямой JJ ', а потом пару направить на лопатки турбины (линия 1 2'), то работа, которую пара при этом выполнит, будет уже равняться lj'2 '= hj- h2 ". На диаграмме четко видно, что во втором случае, то есть после дросселирования, мы получаем меньшее количество работы. Таким образом, при дросселировании газов и паров мы теряем часть полезной энергии.
Дросселирования используют для регулирования (уменьшения) мощности тепловых двигателей. Такое регулирование, конечно, не экономический, так как часть работы безвозвратно уходит, но вследствие своей простоты оно применяется достаточно широко.
1.5.8 Вопросы для самоконтроля
1 Укажите основные свойства газов при движении.
2 Первый закон термодинамики для потока газа.
3 Запишите уравнение неразрывности для потока газа.
4 Укажите виды насадок, примеры их применения.
5 Какие каналы зазивають диффузорами?
6 Какие каналы зазивають конфузора?
7 Что такое сопло Лаваля?
8 В чем заключаются основные особенности истечения газов через насадки?
9 Запишите основные уравнения истечения газов.
10 Что такое критическая скорость истечения?
11 Как определяется массовый расход газа при истечении?
12 Как влияет профиль канала на скорость истечения газов?
13 Как можно рассчитать скорость истечения водяного пара с помощью hs-диаграммы?
14 Укажите особенности дросселирования газов.