Как управлять потоком газа, не теряя его энергии? Как использовать свойства газа для получения нужного эффекта? В этой статье подробно рассматривается процесс дросселирования газа - уменьшения его давления при протекании через сужение. Обсуждаются физические законы и эффекты, которым подчиняется это явление. Разбираются изменения параметров газа, применение дросселирования в технике и оборудование. Также освещаются вопросы безопасности, в частности при работе с водородом.
Что такое дросселирование газа
Дросселирование газа - это процесс уменьшения его давления при протекании через сужение в трубопроводе или через пористую перегородку.
При этом происходит адиабатное расширение газа без совершения им внешней работы. Это необратимый процесс, который сопровождается:
- увеличением энтропии и объема газа
- постоянством энтальпии
Для идеального газа этот эффект отсутствует, поэтому чаще рассматривают дросселирование
реального газа, например газа Ван-дер-Ваальса.
Законы дросселирования
Основные законы, описывающие процесс дросселирования газа
:
- Закон сохранения энергии (первый закон термодинамики)
- Закон возрастания энтропии (второй закон термодинамики)
Согласно им, при дросселировании энтальпия газа остается постоянной, а энтропия возрастает.
Математически это можно выразить так:
i1 = i2
, где i1 и i2 - энтальпия газа до и после дросселирования.
Δs > 0
, где Δs - изменение энтропии газа в процессе.
Изменение параметров газа
Помимо энтальпии, при дросселировании газа
происходит изменение других его параметров:
Давление газа уменьшается (p2 < p1). Это и есть цель дросселирования - понизить
давление газа
в системе.
Объем газа увеличивается (V2 > V1). Газ расширяется, заполняя бóльший объем.
Температура газа может как понижаться, так и повышаться. Это зависит от дросселирование газов эффект
- эффекта Джоуля-Томсона.
Рассмотрим его подробнее в следующем разделе.
Эффект Джоуля-Томсона
Джоуль-Томсоновский эффект (или эффект Джоуля-Томсона) заключается в том, что при дросселировании температура газа
может как понижаться, так и повышаться в зависимости от начальных условий.
Существует критическая температура инверсии. Ниже нее газ при дросселировании охлаждается, выше - нагревается.
Начальная температура газа (T1) | Характер изменения температуры |
T1 < Тинверсии | Газ охлаждается (T2 < T1) |
T1 > Тинверсии | Газ нагревается (T2 > T1) |
Для большинства газов температура инверсии выше комнатной, поэтому обычно при дросселировании газ охлаждается.
Исключение составляют водород и гелий с очень низкой критической температурой. Поэтому их часто предварительно охлаждают перед дросселированием.
Дросселирование идеального и реального газа
Как уже упоминалось, дросселирование идеального газа
не приводит к изменению его температуры. В отличие от реальных газов на него не действуют межмолекулярные силы.
Однако большинство технических газов являются реальными. Для их описания часто используют уравнение Ван-дер-Ваальса, учитывающее взаимодействие молекул и их размеры.
Оно позволяет качественно описать поведение реальных газов при дросселировании, в том числе прогнозировать изменение их температуры. Однако количественные результаты часто отличаются от реальности.
Поэтому для точных инженерных расчетов обычно используют более сложные модели реальных газов и их смесей, учитывающие различные факторы.
Применение дросселирования газа
Процесс дросселирования широко используется в технике для:
- Измерения расхода газа в расходомерах переменного перепада давления. Расход газа определяют по величине перепада давлений до и после сужения.
- Получения переохлажденных газов и их сжижения в холодильных установках. Например, в машине Линде.
- Управления расходом газа с помощью редукторов и регулирующих клапанов-дросселей. Они широко применяются в промышленности и бытовой технике.
Кроме того, дросселирование можно использовать в эжекторных и струйных насосах, пневматическом транспорте и другом газовом оборудовании.
Модели газов для расчета дросселирования
Для инженерных расчетов параметров дросселирования обычно используют различные модели реальных газов и их смесей:
- Модель идеального газа
- Уравнение Ван-дер-Ваальса
- Уравнение Редлиха-Квонга
- Модель Бенедикта-Вебба-Рубина
- Модель Пенга-Робинсона
Их выбор зависит от требуемой точности, типа газа, диапазона параметров и других факторов. Например, уравнение Ван-дер-Ваальса применимо лишь для разреженных однокомпонентных газов.
Влияние параметров на эффект дросселирования
На величину эффекта дросселирования влияют такие параметры:
- Начальная температура газа
- Начальное и конечное давление
- Перепад давлений
- Состав и свойства газа
Чем выше начальная температура и давление, тем сильнее выражен эффект. Наибольшее влияние оказывает перепад давлений.
Особенности дросселирования паров
Дросселирование насыщенных и перегретых водяных паров имеет свои особенности. Это связано с возможностью конденсации пара.
Например, влажный насыщенный пар низкого давления при дросселировании может перейти в перегретое состояние, повысив сухость.
Дросселирующие устройства
Для дросселирования газа используют различные устройства со суженными каналами:
- Диафрагмы
- Вентурийские трубы
- Сопла Лаваля
- Редукторы
- Регулирующие клапаны
Их конструкция и профилирование каналов зависит от условий применения и требуемых параметров потока.
Безопасность при дросселировании газов
Некоторые газы при дросселировании могут воспламеняться. Например, водород, хорошо проникающий в мельчайшие щели.
Поэтому необходимо учитывать возможные риски для обеспечения безопасности персонала и оборудования.
Риски при дросселировании водорода
Водород при высоком давлении и последующем резком дросселировании может воспламениться. Причины:
- Высокая температура сжатого газа
- Большая скорость истечения через сужение
- Разогрев газа за счет трения в канале
Для предотвращения воспламенения применяют:
- Предварительное охлаждение водорода
- Подавление искр и трения в канале
- Использование огнепреградителей
- Аварийное отключение подачи водорода
Требования к оборудованию
Оборудование для дросселирования водорода должно удовлетворять ряду требований:
- Герметичность - исключение утечек
- Стойкость материалов к химическому воздействию
- Тепловая и гидравлическая прочность
- Взрывозащищенность
- Дублирование критичных узлов
Аварийные ситуации
Возможные аварийные ситуации:
- Воспламенение и взрыв водорода в оборудовании
- Разрушение аппаратов давлением или температурой
- Утечки газа и отравление персонала
- Выход из строя систем противоаварийной защиты
Для ликвидации аварий предусматривают комплекс мер:
- Аварийное отключение подачи водорода
- Системы подавления возгораний
- Средства индивидуальной защиты персонала
Требования безопасности
Основные требования к безопасной эксплуатации оборудования для дросселирования водорода:
- Надежное заземление для отвода статического электричества
- Герметичность и проверка на утечки
- Блокировки аварийных режимов
- Резервирование ответственных узлов
- Аттестация персонала по технике безопасности
Тщательное соблюдение всех регламентов и правил обеспечит безаварийную работу оборудования для дросселирования газов.