12. Расширение газа в детандерах.
Процесс расширения газа в адиабатных условиях может протекать без изменения энтропии только при отсутствии каких бы то ни было внутренних процессов трения. В связи с этим для удовлетворения условия s=const необходимо всю энергию сжатого газа преобразовать во внешнюю работу без потерь. Очевидно, что при этом уменьшение внутренней энергии газа максимально по сравнению с другими процессами расширения при одинаковых начальных параметрах и степени расширения; поэтому такой процесс сопровождается наибольшим снижением температуры. Работа, совершаемая газом в этом процессе, должна быть обязательно полностью передана изолированному от газа устройству.
Так как реальные процессы течения и расширения газа не могут происходить без трения, то в адиабатных условиях процесс s=const в действительности осуществить невозможно. Его рассматривают как идеальное приближение для реальных процессов.
Изменение температуры в изоэнтропном процессе в открытой и закрытой системах одинаковое и при различных независимых переменных определяется соотношением:
αs=(дТ/др)s=(Т/ср)(дv/дT)p=Tvβ/cp.
Для процесса s=const можно установить следующее.
1. Значения αs положительны практически в любой области состояний рабочего тела, физически допускающих расширение.
2. С повышением температуры αs возрастает; при этом соответственно увеличивается и работа расширения.
3. С увеличение давления, т.е. уменьшением удельных объемов и увеличением плотности рабочего тела, αs уменьшается. Таким образом, в процессе расширения s=const αs – переменная величина.
4. Вблизи критических состояний и в области состояний кипящей жидкости значения αs и αi наиболее близки. Соотношения между αs и αi – зависят от параметров и рода газов и их смесей. Чем больше отношение αi/αs, тем, в общем случае, менее выгодно применение детандеров.
Значение αs для реального газа может быть больше и меньше, чем для идеального, в зависимости от знака αi.
Изменение энтальпии в процессе s=const можно определить по выражению:
,
откуда
.
На практике процессы расширения газов с совершением внешней работы осуществляют в различных расширительных машинах, которые называют детандерами. В детандерах энергия сжатого газа преобразуется в работу, и процесс в той или иной мере приближается к изоэнтропному. Работа передается или на тормозное устройство, или какой-либо внешней среде, которую обязательно изолируют от расширяющегося газа.
13. Свободный выпуск газа.
Рассмотрим процесс внешнеадиабатного расширения газа при выпуске его из какой-либо емкости (баллона, цилиндра и пр.). Такой процесс часто называют выхлопом или свободным выпуском газа. Этот процесс – один из самых распространенных. Особенно часто его используют в низкотемпературных машинах как один из рабочих процессов циклов этих машин. Схема организации процесса выхлопа весьма проста. Баллон со сжатым газом имеет выпускной клапан, после открытия которого газ быстро вытекает из баллона и направляется в трубопровод.
Процесс выхлопа является нестационарным и неравновесным адиабатным процессом расширения газа с совершением внешней работы. Теплообмен газа со стенками исключен по условию, и неравновесность обусловлена тем, что при изменении объема силы давления газа на контрольной поверхности системы не уравновешены силами противодавления.
Для рассматриваемого типично неравновесного процесса (на 1 кг газа в закрытой системе)
.
Снижение температуры газа при одинаковых Тн, рн и рк в неравновесном адиабатном процессе меньше, чем в изоэнтропном процессе. Следует обратить внимание на то, что при ∆р=(рн–рк)→dp соблюдаются условия квазиравновесия. В этом случае дифференциальные эффекты процесса выхлопа αв и изоэнтропного процесса практически одинаковы:
.
При принятых выше допущениях все выражения для рассматриваемого процесса можно легко получить из этого выражения, если принять
αв=(dT/dp)в=αsН=const.
Таким образом, эта формула является математической формой уравнения процесса выхлопа.
В заключение отметим, что обратным процессу выхлопа по физическому смыслу является процесс впуска газа в какую-либо емкость. В этом случае происходит неравновесное адиабатное сжатие газа, предварительно находившегося в баллоне.