Русская Википедия:Дросселирование
Дросселирование (от Шаблон:Lang-de — ограничивать, глушить) — понижение давления газа или пара при протекании через сужение проходного канала трубопровода — дроссель, либо через пористую перегородку. Дросселирование всегда происходит без совершения работы и с увеличением энтропии термодинамической системы, но при этом энтальпия остаётся постоянной.
Количественное рассмотрение
Дросселирование является близким к идеальному осуществлением процесса Джоуля-Томсона. Дросселирование можно рассматривать[1] как изоэнтальпийный квазиравновесный процесс.
Для идеального газа эффект принципиально нулевой, поэтому необходимо использовать более точную модель, часто используют газ Ван-дер-Ваальса, хотя точность этой модели, например, в двухфазной области (для влажного пара) и для жидкости неудовлетворительна. В общем случае для процесса Джоуля-Томсона можно написать:
<math>\left( {{{\Delta T} \over {\Delta P}}} \right)_I = {{T\left( {{{\partial V} \over {\partial T}}} \right)_P - V} \over {C_P }}</math>
окончательный результат будет зависеть от используемой модели газа. Дифференциальным эффект называют тогда, когда <math>\Delta P </math> и <math>\Delta T</math> можно считать достаточно малыми, чтобы их отношение заменить частной производной.
Если разность давлений и температур значительная (разность давлений может составлять сотни атмосфер), то имеем интегральный эффекта Джоуля-Томсона, интегрирование можно провести следующим образом:
<math>T_2 - T_1 = \int\limits_{P_1 }^{P_2 } {\left( {{{\partial T} \over {\partial P}}} \right)_I dP} = \int\limits_{P_1 }^{P_2 } {{{T\left( {{{\partial V} \over {\partial T}}} \right)_P - V} \over {C_P }}dP} </math> — интегральный эффект Джоуля-Томсона.
Эффект Джоуля-Томсона для газа Ван-дер-Ваальса
Уравнение Ван-дер-Ваальса создано с учетом слабых эффектов - взаимодействия молекул газа между собой и конечных размеров молекул газа (для идеального газа молекулы - материальные точки и они взаимодействуют только при ударе). В целом свойства такого газа очень мало отличаются от свойств идеального газа - за исключением отдельных областей параметров (например, при конденсации газа). Газ Ван-дер-Ваальса дает качественное описание поведения газов при конденсации и для эффекта Джоуля-Томсона. При этом количественно часто получаются параметры достаточно далекие от реальности. При этом для дифференциального эффекта при достаточно разреженном газе получаем следующий результат:
<math> {{{\Delta T} \over {\Delta P}}} = {{ {{{ 2a} \over { RT}}} - b} \over {C_P }}</math>
из формулы видно, что газ при дросселировании может как охлаждаться, так и нагреваться в зависимости от знака верхней части дроби, причем видно, что существует температура инверсии дифференциального эффекта Джоуля-Томсона, при которой меняется знак эффекта.
<math>T_i = {{2a } \over {Rb}} </math>
где a и b - параметры в формуле Ван-дер-Ваальса. При проведении процесса ниже температуры инверсии газ в процессе охлаждается, при проведении процесса выше температуры инверсии - газ нагревается. При этом процесс с охлаждением называется положительным, при нагреве - отрицательным.
Обычно температура инверсии значительно выше комнатной, поэтому практически все газы в этом процессе охлаждаются.
Но у водорода и гелия температура инверсии низкая, поэтому эти газы при дросселировании нагреваются. (температура инверсии водорода около -80°Ц.)
Сильно сжатый водород при дросселировании может вспыхнуть, это нужно учитывать, так как водород очень хорошо просачивается сквозь мельчайшие поры и даже через некоторые материалы.
Существует также рассмотрение дифференциального эффекта Джоуля-Томсона для сильно сжатых газов и интрегрального эффекта для газа Ван-дер-Ваальса, основные свойства этих процессов похожи.[1]
Свойства
Процесс дросселирования не квазистатический, равновесны только начальное и конечное, но не промежуточные состояния. Рассмотрение процесса дросселирования как квазистатического возможно только потому, что путь перехода из начального состояния в конечное здесь не важен, и можно заменить его некоторой теоретической квазистатической абстракцией.
При дросселировании происходит адиабатное расширение от давления P1 до давления P2 без совершения работы, то есть дросселирование — существенно необратимый[2] процесс, сопровождающийся увеличением энтропии и объёма при постоянной энтальпии.
Применение
Эффект дросселирования применяется в промышленности в расходомерах переменного давления[2], в которых расход газа или пара измеряется по перепаду давления P1 — P2 перед и после сужения проходного канала (диафрагма или сопло в трубе Вентури) трубопровода.
Дросселирование применяется в компрессионных холодильниках в качестве средства обеспечения перепада давления для испарения сжиженного хладагента.
Ранее процесс дросселирования использовался для сжижения газов, однако применение для этих целей детандеров (машин, позволяющих адиабатно понижать давление и охлаждать газы за счёт совершения работы) более эффективно.
Также, процесс дросселирования часто используется в быту: газовый редуктор ("лягушка" на пропановый баллон) - является саморегулирующимся дросселем, давление в нём также понижается без совершения работы, это необходимо для использования газовой плиты, подключаемой к баллонам с пропаном. Сами регуляторы в газовой плите являются регулируемыми дросселями по принципу работы, также такие редукторы всегда используются в газовых водонагревателях.
Примечания
