1.2. Дросселирование (Эффект Джоуля-Томсона).
Дросселированием называется процесс резкого падения давления при прохождении рабочего вещества через какое-либо местное сужение в канале. Этот эффект был открыт в 1852 году Д.Джоулем и В.Томсоном при изучении свойств реальных газов [6]. В качестве местных сопротивлений могут быть использованы: диафрагма, вентиль, капиллярная трубка, пористая перегородка и т.д.
Для примера можно рассмотреть процесс дросселирования при прохождении рабочего вещества через диафрагму, установленную в горизонтальной трубе постоянного сечения (рис.2.3). Процесс протекает без теплообмена с окружающей средой. По трубе площадью F перемещается рабочее вещество массой G. Давление, температура и удельный объем рабочего вещества до и после дросселирования соответственно равны Р1,Т1, v1 и Р2, Т2, v2, причем
Р1 > Р2.
Рисунок 2.3. Дросселирование.
Для большинства рабочих веществ, при дросселировании от нормальной температуры имеет место снижение температуры. Для некоторых веществ, таких как водород, неон, гелий, температура при дросселировании повышается, наблюдается отрицательный дроссельэффект.
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).
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.