4. Процессы, сопровождающиеся понижением температуры

4.1. Дросселирование газов, паров и жидкостей

Адиабатное расширение газа в открытой системе в условиях стационарного течения без совершения внешней работы и приращения скорости на контрольной поверхности называется дросселированием.

Для практического осуществления этого процесса на пути газа устанавливают какое-либо гидравлическое сопротивление: дроссельный вентиль, заслонку, калиброванное отверстие и пр.

В результате дросселирования энтальпия не изменяется, но вблизи дроссельного устройства она не остается постоянной, поэтому процесс дросселирования нельзя отождествлять с обратным изоэнтальпным процессом.

Следовательно, для процесса дросселирования можно записать как ∆i=0.

Для идеального газа , следовательно,dT=0; du=c_vdT=0.

Для идеального газа дросселирование должно проходить без изменения температуры.

При расширении реального газа увеличивается расстояние между молекулами, и совершается работа против сил межмолекулярного взаимодействия. Это определяет изменение внутренней энергии и температуры, поэтому для реального газа при дросселировании

di=0; dT<=>0; du<=>0.

Процесс дросселирование необратим. Для идеального газа он необратим полностью, для реального газа - частично обратим.

Изменение температуры в процессе дросселирования носит название эффект Джоуля-Томсона.

Дифференциальный эффект Джоуля-Томсона определяется по формуле:

. (17)

Практически при дросселировании всегда имеется конечная разность давлений, изменение температуры в таком процессе будет называться интегральным эффектом Джоуля-Томсона:

(18)

Интегральный эффект дросселирования определяют обычно из термодинамических таблиц и диаграмм (рис. 13).

Знак эффекта дросселирования может быть различным.

Если , тоT₂<T₁ и процесс сопровождается охлаждением, поскольку р₁>p₂.

Если , - то нагреванием;- средний дифференциальный эффект дросселирования в конечном процессе.

Изменение знака дроссельного эффекта называют инверсией. В этом состоянии

. (19)

Рис. 13. Процесс дросселирования в диаграмме Т-s

При определенном значении i , состояние инверсии будет иметь место при определенных р и Т.

При другом значении i, состоянию инверсии будут соответствовать другие р и Т.Таким образом, имеет место множество точек инверсии, в диаграмме это множество точек складывается в линию, которая называется кривой инверсии.

Кривая инверсии делит диаграмму на две области. В правой дроссельный эффект - положительный, в левой - отрицательный.

Для каждого вещества существует максимальная температура инверсии, выше которой эффект при любых давлениях отрицателен. Эта температура называется верхней температурой инверсии. Существует и так называемая нижняя температура инверсии в области жидкости.

4.2. Равновесное адиабатное расширение газа в детандере

Детандирование - процесс равновесного адиабатического расширения газа с совершением внешней работы.

При отсутствии внешнего теплообмена и каких бы то ни было внутренних процессов трения процесс расширения газа протекает при соблюдении условия: S=const.

В этом случае, исходя из первого закона термодинамики, получим:

dU=Tds+pdV; dI=TdS+VdP ,

0 0

где pdV - работа в замкнутой; Vdp - работа в открытой термодинамической системе.

Уменьшение внутренней энергии газа максимально, поэтому такой процесс сопровождается наибольшим уменьшением температуры.

Эффект изменения температуры в элементарном изоэнтропном процессе называется дифференциальным эффектом дитандирования:

. (20)

Воспользовавшись уравнениями термодинамики, можно представить выражение (20) в виде:

. (21)

Разделив уравнение (21) на _s, получим:

. (22)

Из приведенных соотношений можно сделать следующие выводы:

1. Значения _s - положительны практически в любой области состояний рабочего тела.

2. С повышением температуры, _s также возрастает; при этом работа расширения соответственно увеличивается.

3. С увеличением давления, т.е. уменьшением удельных объемов, _s уменьшается. Таким образом, в процессе изоэнтропного расширения _s - переменная величина.

4. Вблизи критических состояний и в области влажного насыщенного пара (ВНП) значения _i и _s наиболее близки, т.к. в этих областях из-за больших значений 1/(T)значения всего этого комплекса уменьшается, т.е. стремится к нулю.

Чем больше отношение , тем менее выгодно применение детандеров, поскольку детандер - устройство гораздо более сложное и дорогое, чем дроссельный вентиль.

Для большей части реальных газов, используемых в криогенной технике, изменение температуры в изоэнтропных процессах с точностью, вполне достаточной для инженерных расчетов, можно определить из уравнений:

, (23)

. (24)

Уравнение (24) справедливо в широкой области состояний, в том числе и вблизи пограничной кривой. Погрешность для криогенных газов (воздух, неон, гелий) составляет не более 3 %, исключением является водород, для которого погрешность может составить до 30 %.

На практике процессы расширения газов совершаются в расширительных машинах - детандерах. В детандерах энергия сжатого газа преобразуется в работу, и процесс приближается к изоэнтропному. Работа передается к тормозному устройству.

Роль тормозного устройства часто играет электродвигатель, который в период пуска выводит детандер на рабочий режим после того, как вал детандера набирает заданную частоту вращения, электродвигатель переходит в режим генератора и возвращает в электрическую сеть часть энергии, которая расходуется на сжатие газа.