БИЛЕТ 24

1) Процесс Дросселирования. Способы реализации дросселирования.

Дросселирование.

Данный процесс был исследован Джоулем и Томпсоном.

Дросселированием называется изоэнтальпный процесс расширения газа в адиабатныхусловиях,приегодвижениичерезгидравлическоесопротивление. При этом не совершается и не выделяется никакая внешняя работа, и скоростной напор на входе и выходе из расширительного устройства остаётся неизменным.

(последнее справедливо на некотором удалении от места расширения) Дросселирование – необратимый процесс, характеризующийся потерями, которые можно вычислить через величину производства энтропии.

Рисунок 71. Схема процесса дроселлирования.

Устройства для реализации процесса дросселирования.

В микрохолодильных установках для осуществления процесса дросселирования используется калиброванное отверстие, обычно находящееся на конце трубопровода.

Рисунок 72. Микрохолодильные дроссельные устройства.

В бытовых холодильниках используется капиллярная трубка, в которой происходит процесс распределённого дросселирования.

Рисунок 73. Капиллярная трубка.

Для крупных и средних низкотемпературных установок используются регулируемые дроссельные вентили.

Рисунок 74. Регулируемый вентиль.

Криогенные дроссельные вентили нужно тщательно изолировать, чтобы гарантировать адиабатность процесса. Редко изолируют в бытовых холодильниках.

Поскольку процесс адиабатный без подвода и отвода работы, то энтальпия газа постоянна. Основное назначение процесса дросселирования – понизить температуру газа или жидкости.

Понижение температуры при падении давления в процессе дросселирования является основной характеристикой дросселирования и называется дроссельэффектом.

Три типа дроссель эффекта:

1)Дифференциальный

2)Интегральный

3)Тепловой

2)Безмашинные способы понижения температуры.

1)Использование естественного холода (240 К – 300 К) –

холода толщи почвы, холодной воды, льда, запасённого зимой или перевезённого с горных местностей;

2)Дросселирование (0,7 К – 300 К) – адиабатное расширение газов, паров и жидкостей, проходящих через гидравлическое сопротивление. Осуществляется в открытой системе и является неравновесным ( необратимым) процессом. Дросселирование описывается уравнением h=const;

В процессе дросселирования температура может как понижаться, так и повышаться. Это зависит от начального и конечного давления, начальной температуры и рода газа. Используется в парокомпрессионных холодильных установках ( холодильник бытовой) и ожижителях.

Работа при дросселировании не совершается.

3)Адиабатное расширение газа при его перетекании из одного объёма в другой, т.е. процесс расширения при котором внутренняя энергия остаётся постоянной.

Не смотря на обязательное понижение температуры, процесс труднореализуем и не используется на практике.

4)Выхлоп – свободный выпуск сжатого газа из сосуда, является адиабатным расширением с совершением внешней работы против окружающей среды в неравновесных условиях, в начале процесса выхлоп идёт близко к изоэнтропному расширению S=const.

Вобластях умеренного холода 120 К -300 К используется редко.

Вобластях низкого холода 0,7 К – 120 К используется достаточно широко. Пример: машина Гиффорда – Макмагона и ожижитель Симона для получения жидкого гелия.

5)Вихревое адиабатное расширение газа в специальных вихревых трубах (Ранка-Хилша), где происходит разделение расширенного газа на два потока, имеющие разные температуры. Горячий поток выходит с периферии трубы, а холодный из центра. Широко используется в области умеренного холода и в отдельных установках в области низкого холода.

6)Барботаж – прохождение газовых пузырей через слой жидкости. В результате происходит испарение паров жидкости в газовые пузыри, температура жидкости и газа уменьшаются. Используется для охлаждения газов и жидкости в области умеренного холода, и достаточно хорошо используется для получения пониженных температур жидкости в области глубокого холода.

7)Смешение или растворение веществ в жидком, твёрдом или газообразном состояниях, сопровождающееся понижением температуры, что является следствием того, что теплоёмкость смеси больше суммы парциальных теплоёмкостей компонентов этой смеси. Используется в установках умеренного холода (водо-аммиачные и бромисто-литиевые холодильные машины.

Вобласти сверхнизких температур при растворении жидкого гелия-3 в сверхтекучем гелии-4, что позволяет достигнуть температур порядка 0,001 К.

8)Термоэлектрический эффект (возникновение разности температур при прохождении электрического тока на спаях разнородных проводящих материалов (обычно полупроводников). Используется в установках умеренного холода.

9)Возникновение разности температур в проводнике при прохождении через него электрического тока в магнитном поле.

Редко используется в установках умеренного и глубокого холода и почти не используется в области сверхнизкого холода.

3)Использование процесса выхлопа в криогенных установках. Машина Мак-Магона-Гиффорда

Выхлоп – свободный выпуск сжатого газа из сосуда, является адиабатным расширением с совершением внешней работы против окружающей среды в неравновесных условиях, в начале процесса выхлоп идёт близко к изоэнтропному расширению S=const.

Вобластях умеренного холода 120 К -300 К используется редко.

Вобластях низкого холода 0,7 К – 120 К используется достаточно широко. Свободный выход газа из замкнутой емкости с совершением работы против окружающей среды.

Рисунок 98. Процесс выхлопа.

изоэнтропный, а затем отклоняется

(от изоэнтропы)н – const – формула А.М.

Архарова=

Рассмотрим термодинамическое описание процесса выхлопа.

Рисунок 99. Схема выхлопа.

Газ в процессе расширения совершает внешнюю работу против окружающей среды, поэтому конечное давление выхлопа равно давлению окружающей среды.

Использование выхлопа в качестве основного холодопроизводящего процесса реализовано в машине Мак-Магона – Гиффорда.

Рисунок 101. Машина Гиффорда-Макмагона.

−газ изотермически сжимается в компрессоре

−поступает в ресивер

−через открытый клапан охлаждается в регенераторе

−расширяется путём выхлопа в расширительной части с подводом полезной тепловой нагрузки

−под действием циклического движения поршня расширившийся газ после подвода проходит через регенератор, охлаждая его и проходя через открытый второй клапан при закрытом первом, поступает во второй ресивер

и из него на всасывание в компрессор Достоинства:

−низкое давление газа (10 – 20 атм.)

−простота конструкции Недостатки:

−большие размеры машины

−наличие системы переключающихся клапанов