Расширение газов и паров

Расширение газов и паров с целью получения холода может производиться двумя способами:

1) расширение с осуществлением внешней работы;

2) дросселирование.

При адиабатическом расширении с осуществлением внешней работы внутренняя энергия и температура рабочего вещества уменьшаются. Максимальное изменение температуры достигается при обратимом изоэнтропическом расширении. При этом дифференциальный эффект изменения температуры выражается соотношением:

,

(1)

где с_p - удельная теплоемкость при постоянном давлении.

Практически расширение предварительно сжатого газа происходит в газовом двигателе или детандере, который одновременно совершает внешнюю работу. Внешняя работа может быть использована для любых целей, например, для перекачки жидкостей или нагнетания газов. Расширение сжатого газа в детандере происходит без теплообмена с окружающей средой, и совершаемая при этом газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается. Расширение с осуществлением внешней работы широко применяется в воздушных детандерных холодильных машинах.

Дросселированием называется расширение рабочего вещества при прохождении через суженное отверстие, вентиль, пористую перегородку и другие виды дроссельных устройств, сопровождающеся изменением температуры. При дросселировании работа, совершаемая газом, затрачивается на преодоление трения в отверстии дросселирующего устройства и переходит в тепло, в результате чего процесс расширения происходит при постоянной энтальпии.

Изменение температуры при дросселировании реальных газов объясняется тем, что энтальпия газа является функцией не только температуры Т, но и давления Р:

i = u + рv = сvТ + uпот + рv,	(2)
где	u	-	внутренняя энергия реального газа;
	сv	-	удельная теплоемкость при постоянном объеме;
	сv × Т	-	внутренняя кинетическая энергия молекул газа;
	u	-	внутренняя потенциальная энергия газа, которую необходимо затратить на преодоление сил притяжения между молекулами;
	р×v	-	объемная энергия газа.

Энергия, необходимая для расширения газа, т.е. преодоления сил сцепления между молекулами, при адиабатическом дросселировании, когда нет притока тепла из окружающей среды, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа. Так как энтальпия до и после дросселирования (индексы 1 и 2 относятся соответственно к состояниям газа перед дросселированием и после него) остается постоянной, выражение (2) можно записать в следующем виде:

сvТ1 + u1 + р1v1= сvТ2 + u2 + р2v2,

(3)

Выражение (3) позволяет установить возможное поведение реального газа при дросселировании: если р₂v₂ > р₁v₁, то Т₁ - Т₂ > 0 и в результате дросселирования температура газа понижается; если р₂v₂ < р₁v₁, но u₂ - u₁ > (р₁v₁ - р₂v₂), то дросселирование также приводит понижению температуры Т₂ < Т₁. Если в последнем случае u₂ - u₁ < (р₁v₁ - р₂v₂), то после дросселирования температура газа повышается, т.е. Т₂ > Т₁.

Явление изменения температуры реального газа при его дросселировании получило название дроссельного эффекта или эффекта Джоуля - Томсона. Дроссельный эффект считается положительным, если при дросселировании газ охлаждается и отрицательным, если температура газа повышается. Большинство газов обладают положительным дроссельным эффектом и при дросселировании охлаждаются. Отрицательным дроссельным эффектом обладают водород и гелий, которые, в отличие от других газов, при дросселировании нагреваются.

С целью получения низких температур применяется также вихревой эффект, который осуществляется в вихревых трубах. Схема вихревой трубы показана на рисунке 1.

Рис.1- Принципиальная схема вихревой трубы: 1 - дроссельный вентиль; 2 - холодный конец трубы; 3 - сопло; 4 - диафрагма; 5 - теплый конец трубы.

Через тангенциальное сопло вихревой трубы подводится сжатый воздух. В трубе происходит его закручивание в пространстве, которое с одной стороны ограничено диафрагмой с центральным отверстием, а с другой - дроссельным вентилем. Через центральное отверстие некоторая часть воздуха выходит, имея температуру ниже начальной, а через дроссельный вентиль - оставшаяся часть потока в нагретом состоянии.

Количество воздуха в горячем и холодном потоках и их температуры можно регулировать открыванием вентиля. Температуры торможения разделенных потоков существенно отличаются от начальной температуры торможения всего потока, прошедшего через сопло.

С термодинамической точки зрения процессы, протекающие в вихревой трубе, сводятся к тому, что холодный воздух отдает кинетическую энергию остальной массе воздуха и поэтому охлаждается. Другая часть воздуха воспринимает эту энергию и выходит в нагретом состоянии. В вихревой трубе воздух охлаждается в результате необратимого расширения, что обусловливает низкую энергетическую эффективность этого способа охлаждения.

Дросселирование как способ получения низких температур широко применяется в холодильной технике. С целью снижения давления и температуры холодильного агента процесс дросселирование используется в компрессионных, абсорбционных, эжекторных холодильных машинах.

Вихревой эффект нашел практическое применение в вихревых охладителях.