1.2. Циклы, основанные на использовании эффекта Джоуля – Томсона

К циклам, основанным на использовании эффекта Джоуля – Томсона, относятся цикл с однократным дросселированием (цикл Линде), цикл с однократным дросселированием и промежуточным охлаждением, цикл с двойным дросселированием, дроссельные циклы, использующие многокомпонентные газовые смеси.

Дроссельные циклы, использующие многокомпонентные газовые смеси

Этот метод основан на явлении понижения температуры при изобарно- адиабатном смешении реальных газов и жидкостей и связан с уменьшением химических потенциалов компонентов при смешении. Он замечен относительно недавно, в 70-х годах прошлого столетия, профессором В. М. Бродянским и его учениками профессором М. Ю. Боярским и канд. техн. наук Н. И. Носовым.

Этот эффект охлаждения построен на том же принципе, что и эффект понижения температуры Джоуля – Томсона при дросселировании. Он связан с работой против молекулярных сил взаимодействия. При смешении происходит расширение одного газа в другом. Каждый газ при смешении расширяется от общего давления смеси до некоторого условного давления , где – мольная доля i-гo компонента.

Например, если исходные давления обоих компонентов одинаковы и равны , то конечные парциальные давления (летучести) каждого из компонентов А и В равны соответственно:

и ,

(1.20)

где – мольные доли компонентов в смеси.

При этом

.

(1.21)

КПД процесса смешения в адиабатных условиях может быть найден аналогично тому, как определяется для процесса дросселирования.

П олезный эффект охлаждения определяется смешения, то есть увеличением ее эксергии в результате понижения температуры на при постоянном давлении .

Затраты эксергии определяются ее снижением на при изотермическом смешении компонентов А и В. Эти величины могут быть наглядно представлены на диаграмме для двухкомпонентной смеси веществ А и В (рис. 1.9). Положим, что при давлении изотерма смеси компонентов А и В будет представлена на диаграмме вогнутой линией АСВ. Точка С на диаграмме соответствует состоянию смеси с концентрацией при температуре, равной исходной температуре .

Поскольку смешение эндотермическое, т.е. с поглощением тепла, то при адиабатных условиях температура смеси понизится до . В результате эксергия смеси повысится на величину . Изотерма будет расположена выше изотермы . Затраты эксергии при смешении будут соответствовать отрезку .

Таким образом, эксергетический КПД смешения будет равен

.

(1.22)

Величина КПД достигает в некоторых случаях относительно больших величин 50–60% (например, для смесей метан – азот, метан – гелий, у которых понижение температуры в результате процесса смешения составляет 40-50 К).

Эффект смешения может быть использован по-разному. На рис. 1.10 представлены две расходные схемы возможного использования эффекта охлаждения при смешении.

Е сли смешение проводить в адиабатных условиях (схема на рис. 1.10, а), то использование эффекта охлаждения производится после процесса смешения.

Возможно вести процесс смешения с одновременным подводом тепла (рис. 1.10, б), тогда специального теплообменника не требуется.

Наибольший эффект охлаждения наблюдается при смешении веществ, имеющих существенно отличающиеся критические параметры.

Идея использования в дроссельных системах многокомпонентных газовых смесей в определенной степени связана с успехами в этом направлении в технике сжижения и разделения природных газов. Дроссельные циклы в последние годы используются в микрокриогенных системах для охлаждения различных радиоэлектронных устройств. Применение в обычном дроссельном цикле в качестве рабочего вещества смесей, содержащих высококипящий элемент с большим изотермическим дроссель-эффектом, увеличивает общий эффект дросселирования. Наиболее распространены смеси с низкокипящим элементом – азотом или аргоном, к которым добавляются либо углеводороды предельного ряда (СН₄, С₂Н₆, С₃Н₈), либо хладоны – 14, 13, а также криптон и ксенон. Такие смеси обеспечивают в испарителе рефрижераторной системы получение температур азотного уровня.

Подробнее о цикле с однократным дросселированием (цикл Линде), цикле с однократным дросселированием и промежуточным охлаждением, цикле с двойным дросселированием вы можете узнать в [1, 3].