Если в трубопроводе на пути движения газа или пара встречается местное сужение, то вследствие сопротивлений, возникающих при таком сужении, давление p2 за местом сужения всегда меньше давления p1 перед ним (рис.16.1). Процесс уменьшения давления в итоге которого нет ни увеличения кинетической энергии, ни совершения технической работы и без подвода или отвода теплоты называется адиабатным дросселированием, или мятием (также редуцированием или торможением).
Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопротивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывает дросселирование газа или пара и, следовательно, падение давления. Иногда дросселирование специально вводится в цикл работы той или иной машины: например, путем дросселирования пара перед входом в паровые турбины регулируют мощность, аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных ДВС, где мощность регулируется изменением положения дроссельной заслонки карбюратора. Дросселирование газов и паров используют для понижения их давления в специальных редукционных клапанах, широко применяемых в системах тепло- и парогазоснабжения различных предприятий, а также и в холодильной технике для получения низких температур и сжижения газов путем их многократного дросселирования.
Физическое представление о падении давления за местным сопротивлением обусловлено диссипацией (рассеянием) энергии потока, расходуемой на преодоление этого местного сопротивления.
При дросселировании потеря давления p1 - p2 тем больше, чем меньше относительная площадь сужения. При отсутствии теплообмена в соответствии с уравнением (13.17) будем иметь h1 – h2 = ½ . ().
где h1, h2 – энтальпии газа в сечениях I-I и II-II.
Как правило, изменение скорости c2 – c1 при одинаковом сечении трубы до и после диафрагмы незначительно и им можно пренебречь. Поэтому в результате мятия энтальпия газа до сужения и после него имеет одно и то же значение, т.е.
h1 = h2 .
Исследование процесса дросселирования показывает также, что при проходе через сужение скорость потока в этом месте возрастает, а давление падает до p′ в самом узком месте потока, находящемся на небольшом расстоянии за сужением канала. Конечно, полученное приращение кинетической энергии струи можно было бы при наличии диффузора перевести обратно в потенциальную энергию и этим поднять давление до первоначального p1. Однако отсутствие диффузора исключает такой обратный процесс, а большая часть приращения кинетической энергии из-за наличия вихревых движений за суженным сечением переходит в теплоту, которая воспринимается паром (газом). Последнее же, как известно, связано с увеличением энтропии, и рабочее тело не возвращается в первоначальное состояние, несмотря на равенство скоростей и энтальпий. Все это приводит к тому, что процесс дросселирования, будучи по существу, адиабатным, является типичным необратимым процессом.
Эффект дросселирования в идеальном газе не проявляется. Например, условие h1 = h2 для идеального газа приводит к заключению, что температура также не изменяется, т.е. Т1 = Т2, т.к. энтальпия идеального газа является однозначной функцией температуры.
h2 – h1 = . (Т2 – T1).
На T-S диаграмме (рис.16.2) явление мятия идеального газа может быть представлено точками 1 и 2, которые лежат на одной горизонтали, т.к. Т1 = Т2. Считать, что отрезок изотермы 1-2 соответствует процессу дросселирования газа, нельзя, ибо только крайние точки 1 и 2 характеризуют состояние газа как равновесное, а все промежуточные точки не соответствуют действительному процессу, совершающемуся с газом. Поэтому линия 1-2 проведена на рис.16.2 пунктиром. Действительно, при адиабатном процессе в месте сужения проходного сечения скорость потока возрастает в соответствии с уравнением (13.17) за счет энтальпии, а значит, температура уменьшается. После этого по мере перехода внешней кинетической энергии в теплоту температура газа повышается, и на некотором удалении от места сужения, где течение потока становится стационарным, температура достигает своего первоначального значения. таким образом, действительный процесс между точками 1 и 2 протекает при переменных значением h и t, и поэтому неправильно определять процесс дросселирования как процесс при h = const и называть его изоэнтальпийным.
Физическая сущность эффекта дросселирования реалього газа или пара состоит в следующем.
На основании равенства h1 = h2 можно написать
U1 + p1 . υ1 = U2 + p2 . υ2, (16.1)
или U1 – U2 = p2 . υ2 – p1 . υ1 , (16.2)
Откуда следует, что работа проталкивания (правая часть уравнения (16.40) совершается за счет уменьшения внутренней энергии реального газа или пара. Внутренняя энергия реального газа складывается из двух частей: из кинетической (функция температуры) и потенциальной (функция температуры и объема).
В большинстве случаев (практических) процесс дросселирования проходит при затрате работы проталкивания p2 . υ2 – p1 . υ1, что обуславливает увеличение внутренней энергии газа или пара.
В зависимости от соотношения абсолютных значений прироста работы проталкивания, потенциальной части внутренней энергии и кинетической части внутренней энергии на основании (16.40) возможны следующие случаи:
1. Работа проталкивания p2 . υ2 – p1 . υ1 по абсолютному значению меньше прироста потенциальной части внутренней энергии, в этих условиях кинетическая часть внутренней энергии уменьшается, поэтому температура газа снижается
Т2 < Т1.
2. Работа проталкивания p2 . υ2 – p1 . υ1 по абсолютному значению больше прироста потенциальной части внутренней энергии, избыток работы затрачивается на увеличение кинетической энергии, поэтому температура газа возрастает
Т2 > Т1.
3. Если работа проталкивания p2 . υ2 – p1 . υ1 равна приросту потенциальной части внутренней энергии, то кинетическая часть внутренней энергии газа, а следовательно, и его температура остаются неизменными Т2 = Т1.
Явление, при котором температура реального газа до дросселя и после него остается неизменной (Т2 = Т1), называется инверсией газа, а температура, при которой это явление происходит, называют температурой инверсии и обозначают Тин.
Таким образом, при дросселировании реальных газов энтальпия для начальных и конечных значений остается постоянной (h1 = h2), но энтропия и объем увеличиваются, давление падает, а температура может уменьшаться, увеличиваться или же в частном случае оставаться постоянной.