5.1. Анализ процесса дросселирования

Рассмотрим три разных процесса изменения состояния газа, начинающихся при дросселировании от одинакового начального состояния (точка 1), и заканчивающихся при одинаковом конечном давлении (точка 2). Они условно показаны на рис.5.3 в h,s- диаграмме (дросселирование характеризуется завихрениями потока, трением, т.е. промежуточные состояния неравновесны и имеют различные параметры по сечению канала, и строго говоря их изобразить точно невозможно).

Процесс 1а2 соответствует условному процессу дросселирования при идеальном адиабатном истечении газа через перегородку с отверстием в виде сопла и последующим торможением в объёме с постоянным давлением.

Процесс 1b2 представляет дросселирование через перегородку с диффузорным отверстием в канале постоянного сечения. В этом процессе восстановление давления до Р₂ идет за счет диффузорного эффекта от давления в самом узком сечении канала Р_min.

Процесс 1c2 – пилообразная линия, соответствует процессу дросселирования через пористую пробку (перегородка с множеством маленьких отверстий).

Видно, что переходные траектории этих процессов различны, они зависят от устройств, вызывающих дросселирование. Однако эффект всех этих процессов одинаков, т.к. они снижают давление до одной и той же величины Р₂, а конечная энтальпия газа равна начальной.

Оценить потерю работоспособности рабочего тела в процессе дросселирования можно с помощью эксергии и работы изменения давления в потоке, рассмотрев эти работы до и после процесса дросселирования. На рис.5.4 показаны состояния газа до (точка 1) и после (точка 2) процесса дросселирования.

Потерю эксергии в этом процессе можно рассчитать по известной формуле Гюи-Стодолы [1]:


где Ds_c=(s₂-s₁), т.к. в адиабатном процессе дросселирования изменение энтропии системы равно изменению энтропии самого тела.

Предположив, что наш газ работает в двигателе и адиабатно расширяется до давления внешней среды Р_ОС, в этом случае можно было бы получить в двигателе техническую работу l_О1. За счет дросселирования получаем техническую работу l_О2, меньшую, чем l_О1 на величину .

Из рис. 5.4 видно, что дросселирование всегда приводит к снижению работоспособности рабочего тела – эксергии, т.е. это нежелательный в технике процесс и надо стремиться к снижению его необратимости.