Расширение с совершением внешней работы

При расширении газа его внутренняя энергия расходуется на преодоление потенциальной энергии взаимодействия молекул и на совершение внешней работы, что понижает его температуру. Наибольший эффект достигается при адиабатном расширении (без теплообмена с окружающей средой). Например, адиабатное расширение воздуха от 0,4 до 0,1 МПа сопровождается понижением его температуры от +20 до -75 °С. Это явление используется в воздушных холодильных машинах, работающих в области перегрева. Для расширения чаще всего используются центростремительные или осевые детандеры.

Рис. 1.2 Цикл воздушной холодильной машины

Воздух из охлаждаемого помещения сжимается компрессором от давления p₂ до значения p₁ (рис. 1.2, процесс 1–2), например, до 0,4 – 0,5 МПа. При таком сжатии его температура повышается свыше 100 °С. Далее воздух охлаждается в охладителе (2–3) примерно до +20 °С и поступает в расширительный детандер. При падении давления до значения р₂ (3–4), например, атмосферного, его температура падает ниже -70 °С. Холодный воздух вновь подается в охлаждаемое помещение, где смешивается с воздухом помещения, понижая его температуру. При этом температура подаваемого воздуха повышается (4–1).

Дросселирование (эффект Джоуля – Томсона)

Дросселированием называется резкое падение давления жидкости или газа при их протекании через узкие места (диафрагму, вентиль, капилляр и др.) – рис. 1.3.

Температура вещества при дросселировании может понизиться, остаться неизменной либо повыситься в зависимости от состояния рабочего тела. В холодильных установках при дросселированиии температура рабочего тела всегда понижается. Понижение температуры вещества при дросселировании связано с расходованием энергии тела на работу, обусловленную разностью объемных энергий потока до и после расширения (p₁V₁ – p₂V₂), и работу против потенциальной энергии взаимодействия между молекулами вещества.

P₁,T₁,V₁

P₂,T₂,V₂

Рис. 1.3 Дросселирование

При движении через отверстие скорость потока повышается, возрастает его кинетическая энергия, и следовательно, энтальпия уменьшается. За дроссельным отверстием скорость потока вновь замедляется, его кинетическая энергия уменьшается и энтальпия увеличивается до прежнего значения (рис. 1. 4).

Рис. 1.4 Процессы при дросселировании

Процесс (1–а) показывает уменьшение энтальпии при падении давления от p₁ до p₂ (скорость при этом увеличивается): процесс (а–2) – торможение потока за отверстием, в результате чего кинетическая энергия потока уменьшается, а энтальпия возрастает до первоначального значения. Таким образом, начальное и конечное значения энтальпии при дросселировании будут одинаковыми. Этой особенностью пользуются при иллюстрации процессов дросселирования в диаграмме i-lg p, которые условно изображаются в виде прямых вертикальных линий.

.

Вихревой эффект Ранка

Рассмотрим вихревой эффект Ранка на примере вихревого холодильника (рис. 1. 5), представляющего собой трубу 2 с улиткой 3, в которую по касательной подается сжатый воздух. Угловая скорость воздушной струи в центре трубы в первоначальный момент значительно выше, чем у периферии. В процессе вращения за счет трения между слоями воздуха внутренние слои, теряя скорость, отдают кинетическую энергию внешним. Поэтому внутренние слои воздуха выходят холодными через диафрагму 4, а внешние слои через клапан 1 – нагретыми. Охлажденный поток направляют в объект охлаждения, а нагретый – в окружающую среду. По мере прикрытия клапана повышается давление в трубе и увеличивается подача холодного воздуха (температура его возрастает) и одновременно уменьшается поток нагретого воздуха с более низкой температурой.

Рис. 1.5 Вихревой холодильник

Несмотря на низкую эффективность, этот способ, ввиду его простоты, применяют в судоремонте, металлообработке и т.д.