Дросселирование пара

Министерство образования Российской Федерации Орский Гуманитарно-технологический институт (филиал) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Оренбургский государственный университет”. Механико-технологический факультет Кафедра “Энергообеспечение”. РЕФЕРАТ по дисциплине: Теоретические основы теплотехники на тему: “Дросселирование пара” ОГТИ 101600                                                                 Руководитель:     ____________________ Капустин С.М. “_______”    _________________2005 г.                                                                                                                                          Исполнитель:                                                                          студент  2-го   курса    группы    ЭО-21 _____________________ Бушуев А.Н. “_______”   _______________ 2005 г. г. Орск 2005 г.

 

Ответ на теоретический вопрос “Как изменяются параметры влажного пара при дросселировании?”

Как изменяются параметры влажного пара при дросселировании?

Если в трубопроводе на пути движения газа или пара встреча­ется местное сужение проходного сечения, то вследствие сопротивле­ний, возникающих при таком сужении, давление р₂ за местом сужения всегда меньше давления р₁ перед ним (рис 2). Это явление, при котором пар или газ переходит с высокого давления на низкое без совершения внешней работы и без подвода или отвода теплоты, назы­вается адиабатным дросселированием, или м я т и е м (также редуцированием, или торможением).

Любой кран, вентиль, задвижка, клапан и прочие местные сопро­тивления, уменьшающие проходное сечение трубопровода, вызывают 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 их мощность. Аналогичный процесс осуществляется и в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, 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 р₁ — р₂ тем больше, чем меньше относительная площадь сужения.

Рассмотрим подробнее  адиабатное дросселирование. Адиабатным дросселированием (или мятием) называют необратимый переход рабочего тела от высокого давления p1  к низкому давлению p2  без теплообмена. При подходе к диафрагме (рис.1 и рис.2) поток, сужаясь, разгоняется, давление внутри его уменьшается, а на стенки трубопровода и диафрагмы вслед­ствие торможения газа в застойной зоне оно несколько повышается. После прохождения отверстия   поток,  расширяясь  до  стенок трубопро­вода,  тормозится,  давление

Рис 2. Дросселирование газа диафрагмой и характер изменения давления в процессе

Рис 1. Измерительная диафрагма.

                       

газа при этом возрастает. Однако давление p2  в сечении II после диафрагмы оказывается меньше давления p1 в сечении I перед диафрагмой. Снижение давления является следствием потерь на трение и вихреобразование, вызванное разностью давлений у стенок диафрагмы и в потоке. Вследствие этих потерь процесс дросселирования является необратимым процессом  и  протекает  с увеличением энтропии. Поток, однако, после прохождения диафрагмы, стабилизируется и газ течет, заполняя все сечение трубы. Процесс дросселирования не сопровождается совершением газом полезной работы, т.е. для такого процесса lтех=0.

Величина снижения давления зависит от природы газа, параметров его состояния, скорости движения и степени сужения трубопровода.

После дросселирования удельный объем и скорость газа возрастают          (v2 > v1 и w₂ > w1), а температура газа в зависимости от его природы и параметров состояния перед дросселированием может как увеличиваться, так и уменьшаться, или оставаться неизменной.

Для адиабатного процесса дросселирования справедливо уравнение

                                                                                (1)

При неизменном диаметре трубы (А=const) и стационарном процессе, в котором через любое сечение массовый расход газа G=const, в соответствии с уравнением неразрывности   w/v = G/A = const.

Отсюда следует, что скорость газа возрастает пропорционально увеличению объема. Однако при таком изменении скорости измене­ние кинетической энергии газа в сравнении с величиной его энталь­пии оказывается ничтожно малым.

Таким образом, изменением кинетической энергии газа при дросселировании можно пренебречь, тогда

                                       i1=i2 ,   или   u1 + p1v1 = u2 + p2v2 .                (2)

Данное уравнение является уравнением процесса дросселирования. Оно позволяет с помощью is- диаграммы по состоянию рабочего тела до дросселирования находить его состояние после дросселирования так, как показано на рис.3.

Рис 3. is- диаграмма дросселирования

Изменение энтропии газа (пара) в результате осуществления этого обратимого процесса (равное изменению энтропии при дросселировании газа от состояния 1 до состояния 2) определяется следующим соотношением:

                                                             (3) 

                                                                  (4)

Из этого уравнения следует, что всегда .

Изменение температуры после дросселирования газа и пара, открытое Джоулем (1818—1889) и Томсоном (1824—1907) в 1852г., называется дроссель-эффектом Джоуля—Томсона. Опытами было установлено, что в результате дросселирования изменяется температура рабочего тела. Изменение температуры при дросселировании связано с тем, что в каждом реальном газе действуют силы притяжения и отталкивания между молекулами. При дросселировании происходит расширение газа, сопровождающееся увеличением расстояния между ними. Все это приводит к уменьшению внутренней энергии рабочего тела, связанному с затратой работы, что, в свою очередь, приводит к изменению температуры.

Температура идеального газа в результате дросселирования не изменяет­ся, и эффект Джоуля-Томсона в данном случае равен нулю. Таким образом, изменение температуры реального газа при дросселировании определяется величиной отклонения свойств реального газа от идеального, что связано с действием межмолекулярных сил.

Предположим, что р1v1 = p₂v₂   и,  следовательно,  u₂=u1.  Так как v2 > v1 , то при дросселировании внутренняя потенциальная энергия газа возрастает, а внутренняя кинетическая энергия при этом уменьшается. Следовательно, при принятых условиях температура газа пос­ле дросселирования будет уменьшаться.

Обычно при  дросселировании реального газа  p1v1 – p2v2 >0  и u2 – u1>0, работа   проталкивания газа приводит к росту внутренней энергии.

В условиях, когда работа проталкивания оказывается больше прироста внутренней потенциальной энергии ∆uпот , ее избыток идет на увеличение и внутренней кинетической энергии ∆u_кин , темпера­тура газа растет (dT>0). Когда работа проталкивания меньше ∆u_пот, то ∆u_кин уменьшается, температура газа понижается (dT<0). При равенстве работы проталкивания и изменения внутренней потенциаль­ной энергии температура газа остается неизменной (dT=0).

Различают дифференциальный и интегральный температурные дроссель-эффекты. При дифференциальном эффекте Джоуля-Томсона температура изменяется на бесконечно малую величину, а при интегральном - на конеч­ную величину. Если давление газа уменьшается на бесконечно малую вели­чину dp, то происходит бесконечно малое изменение температуры, т.е.  dTi=aidpi  или

                                                 ai =(¶T/¶p)i  .                                 (5)

Величина ai,  называется дифференциальным температурным эффектом Джоуля-Томсона.  Значение ai, можно определить из уравнения

                                       di = c_pdT-[T(¶v/¶T)_p-v]dp.                 (6)

Учитывая, что при дросселировании нет изменения энтальпии (di = 0), получим

                                             СpdT= [T(¶v/¶T)p -v]dp.                    (7)

Отсюда                          

                                         ai =(¶T/¶p)i = [T(¶v/¶T)p - v]/cp.                 (8)

Полагая, что реальный газ является Ван-дер-Ваальсовским газом, из уравнения (p + a/v² )(v - b)=RT  получим

                                   T = (pv + a/v-ab/ v²  -pb)/R.              (9)

После преобразований получаем:

                                                            (10)

Таким образом, по уравнениям (9) и (10) можно определить значения a_i при заданном давлении р1. Для этого, задаваясь различ­ными значениями удельного объема v, по (9) вычисляют соответ­ствующие им температуры, затем, подставляя v и Т  в (10) значение дифференциального дроссель-эффекта (dT/dp)_h.

В качестве примера на рис.4 приведены зависимости дифференциального эффекта дросселирования воздуха от температуры T1 при различных давлениях р₁ построенные в соответствии с результами вычислений по уравнениям (9) и (10) при критических параметрах воздуха Tкр =132,46 K, pкр =3,7 Мпа; теплоемкости cp =1015 Дж/(кг·К); газовой постоянной R=287 Дж/(кг·К) и численных значениях коэффициентов а=164,78 Н·м⁴/кг², b=1,28·10^-3 м³/кг

Дроссельный эффект может быть положительным, отрицательным или равным нулю. Положительный дроссель-эффект имеет место в случае, когда при дросселировании температура газа понижается. Отрицательный – когда повышается.   В   случае     неизменности   температуры   при      дросселировании

Рис 4. Дифференциальный дроссель эффект  в зависимости от температуры перед дросселированием при различных начальных давлениях.

наблюдается нулевой эффект Джоуля-Томсона. Состояние реального газа при дросселировании, когда дроссельный эффект равен нулю, называется точкой инверсии. В этой точке происходит смена знака температурного эффекта. Если температура газа перед дросселированием меньше температуры инверсии, то газ при дросселировании охлаждается, если больше - то нагревается.    

Для нахождения условий, при которых происходит изменение температуры газа  или  она  остается   неизменной,  необходимо  проанализировать  уравне­ние

                                                dT= {[T(¶v/¶T)p  - v]/cp}dp                         (11)

    При дросселировании dp < 0, так как давление газа всегда уменьшается. Теплоемкость с_р - величина положительная. Отсюда следует, что знак dT зависит от знака выражения T(¶v/¶T)p –v и всегда ему противоположен.  Тогда

при T(¶v/¶T)p –v>0    dT<0,

при T(¶v/¶T)p –v<0    dT>0,

при T(¶v/¶T)p –v=0    dT=0,

 Случай, когда dT = 0 можно использовать для получения температуры инверсии Tин .

                                       T(¶v/¶T)p –v =0   Þ   Tин = v/(¶v/¶T)p                      (12)

Последнее выражение называется уравнением кривой инверсии. Перенеся значения температур инверсии  при различных давлениях в pT-координаты, получим кривую 1 инверсии (рис. 5), в каждой точке которой дроссель-эффект равен нулю и температура газа при дросселировании не изменяется. Точки на поле

Рис 6. Инверсионная кривая азота в PT-координатах.

Рис 5. Инверсионная кривая воздуха: 1-расчетная; 2-экспериментальная.

                               

диаграммы внутри кривой соответствуют охлаждению газа, а снаружи кривой-подогреву газа.  На этом же рисунке дана экспериментальная кривая 2 инверсии воздуха. Ее расхождение с теоретической кривой объясняется тем, что уравнение Ван-дер-Ваальса лишь приближенно отражает реальную связь параметров состояния воздуха.

В качестве еще одного примера на рис. 6 приведена кривая инверсии азота. Внутри области, ограниченной кривой инверсии, ai, т.е. газ при дросселировании охлаждается. Вне этой области ai, т.е. температура газа при дросселировании повышается. Аналогичный характер имеют кривые инверсии и других веществ.

Дифференциальный дроссель-эффект используется для определения температуры газа после дросселирования при малом уменьшении давления. При значительном снижении давления изменение температуры газа определяется интегральным дроссель-эффектом Джоуля-Томсона

                                                                     (13)

Практически интегрирование этого уравнения может быть выполнено по частям с учетом зависимости (dT/dp)i  от давления и температуры.

Процесс дросселирования водяного пара немного отличается от дросселирования реальных газов.

За изменением состояния водяного пара при дросселировании удоб­но проследить, пользуясь диаграммой  s — i (рис. 7).

Поскольку энтальпия пара после дросселирования имеет то же зна­чение, что и до него, проведем на этой диаграмме одну горизонтальную линию 1 — 3 (рис. 7) в области перегретого пара, а другую а — е — в области влажного пара. Начальное состояние пара, отображаемое точ­кой 1, характеризуется давлением 10 Мн/м² и температурой 500° С. Из рисунка

	Рис 7. Процесс дросселирования пара на si-диаграмме

 

видно, что по мере уменьшения давления при дросселировании температура пара падает, в то время как степень перегрева его растет, что видно из следующих цифр:

                               град

 град

град

т. е. (величины t определены по диаграмме s — i и по таблицам пара). Однако при дросселировании пара высокого давления и небольшого перегрева (например, p=15 Мн/м² и t=350° С) перегрев его, как следует из рис. 7, может уменьшиться и пар может даже сделаться влажным.

Из рассмотрения линии а — d следует, что после дросселирования влажного пара высокого начального давления до давлений, определяе­мых изобарами, лежащими слева от точки b, пар увлажняется (в точ­ке а влажность пара 1 — х=1 — 0,96=0,04,  в точке b она равна 1 — 0,94= = 0,06 и в точке с она равна 1 — 0,96=0,04). Начиная от точки с после дросселирования пар подсушивается; в точке d достигается           состояние сухого  насыщенного  пара; в   результате     дросселирования    от  

состояния, отображаемого точкой d, пар перегревается (точка е лежит в области перегретого пара). Таким образом, в результате дросселирования в дан­ном случае изменяются параметры пара и, следовательно, его состояние.

Проводя из точек a, b и с изобары до их пересечения с верхней по­граничной кривой соответственно в точках a1,b1, и c1можно убедиться что чем больше понижается давление пара в результате его дросселиро­вания, тем больше падает его конечная температура (точка а1 лежит в интервале температур 400 — 300° С, точка b1 — в интервале температур 300— 200° С и точка с1 — в интервале температур 200 — 100° С).

Необходимо заметить, что дросселирование пара приводит к потери его работоспособности. Последняя оценивается той работой, которая может быть получена от пара при его расширении в тепловом двигателе до не­которого конечного давления. Применительно к идеальному процессу  эта работа эквивалентна разности энтальпий пара в начале и в конце адиабатного расширения. На рис. 7 работоспособность пара, состоя­ние которого отображается точкой 1, при его расширении до 0,005 Мн/м² определяется величиной адиабатного теплопадения, равной разности эн­тальпий в точках 1 и 1´, выражаемой в  масштабе отрезком h1.   Если пар

до его расширения в тепловом двигателе подвергнуть дросселированию один раз до давления 2 Мн/м², а другой раз до давления 0,5 Мн/м², то его начальные состояния перед тепловым двигателем будут отображать­ся соответственно точками 2 и 3, лежащими на одной горизонтали 1—3. При адиабатном расширении пара от этих новых состояний до того же давления 0,005 Мн/м² работа, которую способен совершить расширя­ющийся пар, будет определяться при расширении от состояния, отобра­жаемого точкой 2, до состояния, отображаемого точкой 2', лежащей на изобаре 0,05 Мн/м², отрезком h₂, а при расширении от состояния, отображаемого точкой 3, до состояния, отображаемого точкой 3´, лежащей .на той же  изобаре 0,005 Мн/м², — отрезком h₃.

Таким образом, диаграмма s — i дает возможность убедиться в том, что i1>i2>i3, т. е. что при дросселировании пара его ра­ботоспособность уменьшается.

В завершение хотелось бы обратить внимание на то, что сравнение температурных эффектов  процессов дросселирования (необратимый адиабатный процесс расширения) с процессом обратимо­го адиабатного расширения показывает, что при том же значении dp величина dT во втором случае будет больше. Это следует из сравнения dT, определенных из уравнений:

и

                                                                      (11)

Тогда:

                                           (14)

т.е. . Поэтому получе­ние низких температур и, в част­ности, сжижение газов целесообраз­нее осуществлять методом  адиаба­тического расширения газов, а не дросселированием,    при    котором уменьшение температуры газов, как было   показано  выше,   возможно лишь при условии, если начальная температура газов будет ниже тем­пературы инверсии. Однако в хо­лодильных установках применяют дроссельный вентиль, а не детандер (расширительный цилиндр), так как потери эффективности  использова­ния   установки   от  этого  не  так уж значительны, но зато, регулируя степень открытия вентиля, легко получать требуемое падение давления, а значит, и нужную температу­ру в охлаждаемом объеме .

Список  использованной

ЛИТЕРАТУРЫ:

1.   Баскаков А.П., Берг Б.В. Теплотехника. - М.: “Энергоатомиздат”, 1991г.

2.   Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е.  Техническая термодинамика. – М.: “Энергия”, 1968г.

3.   Кудинов В.А., Карташов Э.М.  Техническая термодинамика. – М.: “Высшая школа”, 2003г.

4.   Лариков Н.Н.  Теплотехника. – М.: “Стройиздат”, 1985г.

5.   Луканин В.Н., Шатров М.Г., Нечаев С.Г.  Теплотехника. – М.: “Высшая школа”, 2000г.

Больше работ по теме: