1.3. Процесс расширения с получением внешней работы

Поток вещества, расширяясь от давления р₁, до давления р₂ в интеграль­ном процессе, может совершать полезную внешнюю работу, если за дроссель­ным отверстием установить расширительный цилиндр (детандер). В этом слу­чае кинетическая энергия потока будет использована для получения внешней работы, которая может быть снята с вала детандера (в отсутствие расшири­тельной машины кинетическая энергия потока, превращаясь вследствие трения в тепловую энергию, вновь возвращается потоку, при этом полезная внешняя работа равна нулю). Для расширения рабочего вещества в технике низких тем­ператур применяют центробежные, осевые, поршневые и винтовые де­тандеры. При этом температура потока за детандером не будет повышаться и температурный эффект адиабатного расширения будет выше, чем в процессе дросселирования.

Процесс адиабатного расширения сжатого газа сопровождается снижением температуры. При расширении реального газа затрачивается дополнительная работа на преодоление внутренних сил притяжения его молекул и выполнение внешней работы. Для воздуха при р₁=9,5 МПа t₁=20⁰С при адиабатном расширении р₂=0,1 МПа t₂=-193,4⁰С.

1.4. Вихревой эффект

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша) происходит без совершения внешней работы и реализуется с помощью специальной трубы ІІІ, на которой танген­циально к внутренней поверхности расположено сопло І (рис. 1.4). Возле сопла уста­навливается диафрагма с концентрическим отверстием порядка 0,4... 0,5 внутрен­него диаметра трубы. Диафрагма делит трубу по длине на два участка: справа от диафрагмы располагается холодный участок трубы, слева — горячий учас­ток, оканчивающийся дроссельным клапаном по образующей трубы (рис. , б). При прямоточном движении холодного и горячего потоков сопло и диафрагма с кольцевым дроссельным клапаном разнесены по концам трубы (рис. , а).

Рис.7 Принципиальная схема вихревой трубы:

а – прямоточная; б - противоточная.

Поток сжатого газа (обычно р_с = (0,3...0,5) МПа), охлажденного до температу­ры окружающей среды Т_с, подается в сопло, в котором потенциальная энергия дав­ления преобразуется в кинетическую энергию движущегося потока. На выходе из сопла поток поступает по касательной к внутренней поверхности трубы в улитку Архимеда, где закручивается. В трубе поток совершает вращательное движение и поступательное перемещение вдоль оси трубы, разделяясь при этом на два потока - холодный и горячий. Горячий движется по периферии трубы от соплового сечения к горячему торцу трубы (к кольцевому дроссельному клапану), а холодный - по цен­тру трубы к диафрагме (холодному торцу трубы).

Явления, протекающие в вихревой трубе, еще мало изучены. Физическая сущность явления приближенно заключается в следующем. Газовый поток, вы­шедший из сопла, образует свободный вихрь, угловая скорость вращения кото­рого максимальна у оси и уменьшается по мере приближения к образующей тру­бы. При движении вихря вдоль оси к дроссельному вентилю, в результате тре­ния между слоями газа, поток приобретает почти одинаковую угловую скорость (режим квазитвердого вихря). При этом внутренние слои потока теряют скорость, а внешние - увеличивают. Поэтому внутренние слои, теряя часть кинетической энергии, охлаждаются, а периферийные слои, приобретая эту часть кинетичес­кой энергии, нагреваются.

Так как процесс расслоения газа происходит значительно быстрее вы­равнивания температур между слоями посредством кондуктивного переноса теп­ла от более нагретых периферийных слоев к центральным, то внутренние слои потока, охладившиеся при истечении, отдавая свою кинетическую энергию, не получают в поле вихревого разделения эквивалентного возврата тепла. Поэтому внешние слои выходят через кольцевой дроссельный вентиль нагретыми, а внут­ренние — через отверстие диафрагмы холодными.