Дросселирование (от нем. drosseln — 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 , без изменения кинетической энергии потока и соответственно его скорости (в отличие от адиабатного истечения из сопла ) и с увеличением энтропии термодинамической системы , но при этом энтальпия в начальном и конечном состояниях постоянна, при условии, что процесс дросселирования адиабатный, то есть происходит без обмена теплотой.

Количественное рассмотрение

Дросселирование является близким к идеальному осуществлением процесса Джоуля-Томсона . Дросселирование можно рассматривать 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:

${\displaystyle \left({{\Delta T} \over {\Delta P}}\right)_{I}={{T\left({{\partial V} \over {\partial T}}\right)_{P}-V} \over {C_{P}}}}$

окончательный результат будет зависеть от используемой модели газа. Дифференциальным эффект называют тогда, когда ${\displaystyle \Delta P}$ и ${\displaystyle \Delta T}$ 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:

${\displaystyle T_{2}-T_{1}=\int \limits _{P_{1}}^{P_{2}}{\left({{\partial T} \over {\partial P}}\right)_{I}dP}=\int \limits _{P_{1}}^{P_{2}}{{{T\left({{\partial V} \over {\partial T}}\right)_{P}-V} \over {C_{P}}}dP}}$ — 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:

${\displaystyle {{\Delta T} \over {\Delta P}}={{{{2a} \over {RT}}-b} \over {C_{P}}}}$

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.

${\displaystyle T_{i}={{2a} \over {Rb}}}$

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.

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 P ₁ до давления P ₂ без совершения работы, то есть дросселирование — существенно необратимый процесс, сопровождающийся увеличением энтропии и объёма при постоянной энтальпии .

Применение

Эффект дросселирования применяется в промышленности в расходомерах переменного давления , в которых расход газа или пара измеряется по перепаду давления P ₁ — P ₂ 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