2.3 Адиабатное расширение.
Адиабатное расширение – процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через специальное расширительное устройство. В холодильной технике в качестве расширительного устройства используется детандер.
По конструкции детандеры делятся на: осевые, центробежные, винтовые, поршневые.
В отличии от дросселирования при адиабатическом расширении температура любого рабочего вещества уменьшается (Р1>P2, T1>T2).
Эффективность адиабатного расширения определяется
коэффициентом адиабатного расширения:
При сопоставлении коэффициента адиабатного расширения и коэффициента дросселирования, запишем уравнение, т.к. удельный объём и теплоёмкость всегда положительны, то всегда αs> αh.
.
Рассмотрим два процесса в S,T-диаграмме:
Рисунок 2.4. Сравнение адиабатного расширения и дросселирования.
1-2 – процесс адиабатного расширения,
1-3 – процесс дросселирования.
Из рисунка видно, что ΔТs > ΔТh.
С точки зрения термодинамики процесс адиабатного расширения на много эффективней, чем процесс дросселирования. Но детандер представляет собой сложный механизм, понижающий надёжность работы холодильной машины, поэтому в действительных холодильных машинах процесс адиабатного расширения используют очень редко.
2.4 Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша).
В 1932 году французский ученый Жорж Ранк при испытании циклонного пылеуловителя обратил внимание на то, что температуры воздуха в центре и на периферии канала различны. В центральной части воздух был значительно холодней, чем около внутренней поверхности циклона. В то время на это открытие не обратили особого внимания и даже опровергали его. В 1946 немецкий ученый Р. Хильш опубликовал статью с подробным доказательством процесса температурного расширения в вихревой трубе, после чего эффект стал называться эффектом Ранка-Хильша.
Вихревой эффект заключается в том что при прохождении любого газа по любому каналу происходит разделение потоков: более горячий поток движется по периферии, а холодный поток сосредотачивается в центре, на оси канала. Чем больше турбулизация потока, тем эффективнее процесс температурного разделения.
В холодильной технике наиболее широко используется вихревая труба. Конструкция вихревой трубы чрезвычайно проста (см. рис. 2.5).
Рисунок 2.5.Конструкция вихревой трубы.
Она имеет цилиндрический корпус 1, сопло с тангенциальным вводом 2, дроссель 3 и диафрагму или трубу малого диаметра 4.
Сжатый воздух с температурой окружающей среды через сопло подается в трубу по касательной к внутренней поверхности корпуса. Поступивший воздух вращается, одновременно перемещаясь по длине трубы от сопла к дросселю. При вихревом движении воздуха в трубе происходит его температурное разделение. Более теплый поток перемещается к внутренней стенке корпуса, более холодный поток сосредотачивается у оси трубы. Теплый поток выводится за пределы вихревой трубы через дроссель, как правило, в атмосферу, а холодный поток направляется через диафрагму или трубу малого диаметра для охлаждения. Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать, изменяя площадь проходного сечения дросселя.
Отношение массового расхода холодного потока Gх к общему расходу газа, поступившему в трубу Gоб, называется массовой долей холодного потока и обозначается буквой μ, т.е.
Современные конструкции вихревых труб позволяют получить при расширении воздуха в вихревой трубе от давления 0,4–0,8 МПа (4–8 атм.) до атмосферного давления можно получить температуру холодного потока tх = –2…–80оС и температуру горячего потока tг = 100…130оС. Величина температурного перепада во многом определяется μ.
С точки зрения термодинамики необратимые потери при температурном разделении потоков в вихревой трубе предопределяют больше энергетических затрат, чем при адиабатном расширении, но меньше, чем при дросселировании. Полезно используется только 30% от всего потока.