7.2. Адіабатне розширення робочого тіла з віддачею зовнішньої роботи (детандування)

В холодильній техніці поряд із дроселюванням робочого тіла (рідини, газу, пари) для отримання низьких температур (холоду) використовують адіабатичне розширення робочого тіла із виконанням корисної роботи.

Машини, які використовуються в холодильних установках для охолодження робочого тіла (холодоагента) в процесі його розширення із виконанням роботи, називаються детандерами, які можуть бути поршневого або турбінного типів.

Рис. 7.4. Принципова схема поршневого адіабатичного детандера: 1-циліндр; 2-поршень; 3,4- клапани; 5- шток; 6- маховик (виконавчий механізм); 7- цапфи

На рис. 7.4 зображено принципову схему поршневого адіабатичного детандера.

Дана машина подібна до поршневого компресора, але лише з тією різницею, що циліндр 1 детандера добре теплоізольований, що забезпечує адіабатність розширення робочого тіла в ньому, та клапани 3,4 - вимушеної дії, тобто вони закриваються (відкриваються) за командою ззовні від відповідного пристрою.

Термодинамічні основи роботи поршневого адіабатичного детандера

Рис. 7.5. Індикаторна діаграма адіабатного детандера: 1-2-процес заповнення циліндра; 2-3- процес адіабатного розширення газу в циліндрі; 3-4- процес виштовхування газу із циліндра; 4-1 - вирівнювання тиску в циліндрі.

Відкривають клапан 4. Газ високого тиску р₁ надходить в циліндр детандера (т. 1) і штовхає поршень вправо на частину довжини ходу поршня (т. 2). (V₂ - об'єм газу в циліндрі).

Процес 1-2- ізобарне заповнення циліндра газом (р-V- діаграма). Після того, як в циліндр надійшов газ об'ємом V₂, клапан 4 закривають, а газ продовжує розширюватися адіабатно (процес 2-3), тобто при s = соnst за рахунок зміни внутрішньої енергії газу, і продовжує штовхати поршень вправо ще на якусь довжину ходу поршня поки не буде витрачена вся внутрішня енергія газу. При цьому газ виконує роботу l_зовн. Кінцевий об'єм газу, який знаходиться в циліндрі, V_з (р-V - діаграма).

В результаті розширення газу, його температура буде знижуватись (див. рис. 7,6) від Т₂ до Т₃ (процес 2-3 на Т-s - діаграмі). Це спричиняється тим, що розширення проходить в адіабатичних умовах за рахунок зменшення внутрішньої енергії газу.

Рис. 7.6. Графічне зображення процесу детандування газу в координатах Т-s

Отже, на шляху 2-З розширюючись в циліндрі в адіабатних умовах газ виконує зовнішню роботу по штовханню поршня вправо обертаючи при цьому маховик машини.

Коли рух поршня вправо припиниться, відкривається клапан 3 і холодний газ із циліндра детандера виштовхується зворотним ходом поршня вліво (процес 3-4 на р- V- та Т-s - діаграмах). Процес 4-1 - вирівнювання тиску в циліндрі детандера.

Машини такого типу використовуються для пониження температури невеликих об'ємів газу високого тиску.

Із розглянутої Т-s - діаграми випливає, що при розширенні газу від тиску р₁ до тиску р₂ найбільше зниження температури буде досягнуто в тому випадку, коли розширення проходить по ізотермі (процес 2-3). Тому детандер роблять із досконалою теплоізоляцією для того, щоб процес розширення був якнайближчим до адіабатного.

Також при порівнянні коефіцієнта Джоуля-Томсона для обидвох способів охолодження газу, отримують

тобто

де та - диференційний дросель-ефект процесів детандування та дроселювання відповідно. Тобто, процес адіабатичного детандування з віддачею зовнішньої роботи забезпечує ефективніше з термодинамічної точки зору охолодження газу або рідини, ніж процес дроселювання.