7. 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.

8. Термоэлектрическое охлаждение.

Сущность эффекта заключается в появлении разности температур на спаях пары материалов при прохождении через них электрического тока (Эффект Пельтье)

Д ва полупроводника n и m образуют контур, по которому проходит постоянный ток от источника питания С.

Если температура на спаях Т_х станет ниже температуры источника низкой температуры, а температура на горячих спаях Т_г выше температуры окружающей среды, то термоэлемент будет выполнять функции холодильной машины. Снижение температуры спая происходит когда по действием электрического поля электроны, двигаясь из одной ветви термоэлемента, переходят в новое состояние с более высокой энергией. Повышение энергии электронов происходит за счет кинетической энергии, отбираемой из атомов ветвей термоэлемента в местах их сопряжения.

При обратном направлении движения тока электроны, переходя на более низкий энергетический уровень, ожидают избыточную энергию атомам кристаллической решетки, нагревая спай термоэлемента.

9. Второе начало термодинамики в приложении к обратным циклам и роль рабочего тела в совершении цикла

Холодильной машиной называют непрерывно действующую машину, предназначенную для поддержания температурного уровня ниже температурного уровня внешней среды и состоящую из механизмов и аппаратов, объединенных общей системой, в которой циркулирует рабочее тело – рабочий агент, совершающий обратный цикл. В процессе работы холодильная машина осуществляет непрерывный подвод тепла от охлаждаемого объекта с температурой Т₀ к рабочему агенту и отвод тепла в окружающую среду с температурой Т более высокой, чем T_Q. Согласно второму началу термодинамики, такой перенос тепла может быть совершен только при компенсирующем процессе затраты энергии в любом ее виде. Для отвода тепла в количестве Q₀ при температуре T_Q в большинстве случаев затрачивают механическую работу L. Согласно формуле (2.44) общее количество тепла Q, отводимое во внешнюю среду (рис. 3.1), будет равно

Q = Q₀ + AL. (3.1)

Выражение (3.1) является уравнением теплового баланса простейшей холодильной машины.

Рис. 3.1. Схема переноса тепла

в холодильной машине

Термодинамическим наиболее совершенным (идеальным) обратным циклом, у которого величина затрачиваемой энергии минимальна AL_min, является обратный цикл Карно (Carnot), изображенный на тепловой диаграмме c координатами S и Т (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Тепловая диаграмма обратного цикла Карно (Carnot)