3. Адиабатное расширение газов с отдачей внешней работы

При расширении рабочего вещества от давления Р₁ до давления Р₂ можно получить работу, если этот процесс происходит в расширительном устройстве - детандере (процесс а - в).

В этом случае работа совершается за счет изменения энтальпии расширяющегося рабочего вещества и отводится от детандера.

Рассмотрим, как изменяются параметры рабочего вещества, характеризующие процесс с получением внешней работы. Если процесс расширения с совершением внешней работы осуществляется без потерь и без теплообмена с окружающей средой, то энтропия рабочего вещества не меняется, то есть процесс расширения идет изоэнтропно dS=0. Работа, совершаемая рабочим веществом (а - в), отводится из системы. Так как эта работа совершается за счет энергии рабочего вещества, то его температура в процессе расширения всегда понижается.

Понижение температуры определяется производной ( ) , которая может быть названа коэффициентом обратимого адиабатного (изоэнтропного) расширения и по аналогии с обозначена .

Воспользуемся уравнением (5) для величин T, P, S, тогда

﴾ ﴿ *﴾ ﴿ *﴾ ﴿ =-1

С учетом уравнения Максвелла﴾ ﴿ = -﴾ ﴿ и выражением теплоемкости c_p=T﴾ ﴿ , получаем = T﴾ ﴿ c_p.

Сравнивая с коэффициентом дросселирования , получаем

- = ,

поскольку и c_p всегда положительны, то



Таким образом, процесс адиабатного расширения с получением внешней работы термодинамически более эффективен, чем процесс адиабатного дросселирования. Это видно из диаграммы (процесс а – с - дросселирование).

4. Расширение в вихревой трубе.

Различие в температурах потоков воздуха, движущихся у оси и на перифирии циклона-пылеуловителя экспериментально установлено Ранком в 1933г. и обосновано Хильшем в 1946 году.

Температурное разделение газа на холодный и горячий происходит в вихревой трубе (см. рис.) прямоточного (а) или противоточного (б) типа:

а )

б )

Физическую сущность механизма вихревого охлаждения можно изложить следующим образом:

при адиабатном торможении всего потока он приобретает температуру равную первоначальной. Представим случай когда для совершения внешней работы у потока каким-либо образом отнимается его кинетическая энергия. Тогда поток должен сохранить пониженную температуру, приобретенную им при истечении.

В вихревой трубе такая отдача кинетической энергии от внутренних слоёв воздуха к внешним совершается быстродвижущимся охлаждением воздухом. Т.е. слои воздуха, расположенные у стенки камеры играют роль приемника кинетической энергии.

Отдавая свою кинетическую энергию периферийным слоям газа посредством трения, внутренние слои, охладившиеся при истечении, не успевают получить за счет теплопроводности и конвекции тепло от периферийных слоёв для выравнивания температуры во всем потоке. В результате происходит разделение потока на горячие и холодные части.

Т.е. имеет место де баланс в обмене энергией между газовыми слоями.

Необратимый процесс расширения газа в вихревой трубе предопределяет сравнительно большие энергетические потери. При одинаковой холодопроизводительности воздушной холодильной машины с детандером и холодильной машины с вихревой трубой, вихревая труба потребует примерно 8-и кратного увеличения расхода энергии.

Достоинством вихревой трубы является исключительная конструктивная простота и отсутствие в холодильной машине специального рабочего вещества.

При давлениях газа 0,3…0,5МПа в вихревой трубе можно получить температуру холодного газа на 30…70С ниже начальной температуры.