4. Джоуля-Томсона эффект

Входы: давление.

Выходы: температура.

Графическая иллюстрация:

Рис. 2.17. Установка, для наблюдения эффекта Джоуля-Томсона

Сущность:

Изменение температуры газа при адиабатическом дросселировании — медленном протекании газа под действием постоянного перепада давлений сквозь дроссель, местное препятствие газовому потоку. Данный эффект является одним из методов получения низких температур. Эффект Джоуля-Томсона называется положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается и отрицательным, если нагревается. Поскольку в процессе дросселирования давление газа понижается, то знак эффекта совпадает со знаком величины , которая является количественной характеристикой процесса и называется коэффициентом Джоуля-Томсона. Знак эффекта Джоуля-Томсона меняется при температуре инверсии. Для каждого реального газа существует точка инверсии - значение температуры, при которой измеряется знак эффекта. Для воздуха и многих других газов точка инверсии лежит выше комнатной температуры и они охлаждаются в процессе Джоуля-Томсона.

Математическое описание:

Реализация процесса Джоуля-Томсона может осуществляться при большой и малой разнице давлений по разные стороны дросселя. Соответственно рассматривают интегральный эффект:

и дифференциальный эффект Джоуля-Томсона:

,

Т₁, Т₂ – температуры газа, соответственно в первой и второй камерах,

- изменение температуры,

C_p – теплоемкость при постоянном давлении,

- изменение объема,

- изменение давления.

Применение:

А.с.257801: Способ определения термодинамических величин газов, например, энтальции, путем термостатирования исходного газа, дросселирования его с последующим измерением тепла, подведенного к газу, отличающийся тем, что с целью определения термодинамических величин газов с отрицательным эффектом Джоуля-Томсона, газ после дросселирования охлаждают до первоначальной температуры, затем нагревают до температуры после дросселя с измерением подведенного к нему тепла и по известным соотношениям определяют искомые величины.

5. Гидравлический удар

Входы: скорость жидкости.

Выходы: давление.

Графическая иллюстрация:

Рис. 2.18. Стадии гидравлического удара

Сущность:

Гидравлический удар - скачок давления в какой-либо системе, заполненной жидкостью, вызванный крайне быстрым изменением скорости потока этой жидкости за очень малый промежуток времени. Гидравлический удар способен вызывать образование продольных трещин в трубах, что может привести к их расколу, или повреждать другие элементы трубопровода.

Стадии гидравлического удара подробно показаны на рисунке 1. Пусть в конце трубы, по которой движется жидкость со скоростью υ₀, произведено мгновенное закрытие крана (рис.2.18 а). При этом скорость частиц, натолкнувшихся на кран, будет погашена, а их кинетическая энергия перейдет в работу деформации стенок трубы и жидкости. При этом стенки трубы растягиваются, а жидкость сжимается в соответствии с увеличением давления на величину ΔP_уд, которое называется ударным. Область (сечение n - n), в которой происходит увеличение давления, называется ударной волной. Ударная волна распространяется вправо со скоростью c, называемой скоростью ударной волны.

Когда ударная волна переместится до резервуара, жидкость окажется остановленной и сжатой во всей трубе, а стенки трубы - растянутыми. Ударное повышение давления распространится на всю длину трубы (рис.2.18 б).

Далее под действием перепада давления ΔP_уд частицы жидкости устремятся из трубы в резервуар, причем это течение начнется с сечения, непосредственно прилегающего к резервуару. Теперь сечение n-n перемещается обратно к крану с той же скоростью c, оставляя за собой выровненное давление P₀ (рис.2.18 в).

Жидкость и стенки трубы предполагаются упругими, поэтому они возвращаются к прежнему состоянию, соответствующему давлению P₀. Работа деформации полностью переходит в кинетическую энергию, и жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость υ₀, но направленную теперь в противоположную теперь сторону.

С этой скоростью весь объем жидкости стремится оторваться от крана, в результате возникает отрицательная ударная волна под давлением P₀ - ΔP_уд, которая направляется от крана к резервуару со скоростью c, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся жидкость, что обусловлено снижением давления (рис.2.18 д). Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформаций, но противоположного знака.

Состояние трубы в момент прихода отрицательной ударной волны к резервуару показано на (рис. 2.18 е). Так же как и для случая, изображенного на (рис.2.18 б), оно не является равновесным.

На (рис. 2.18 ж) показан процесс выравнивания давления в трубе и резервуаре, сопровождающийся возникновением движения жидкости со скоростью υ₀.

Очевидно, что как только отраженная от резервуара ударная волна под давлением ΔP_уд достигнет крана, возникнет ситуация, уже имевшая место в момент закрытия крана. Весь цикл гидравлического удара повторится.

Математическое описание:

, где

D_p — увеличение давления в Н/м², ρ — плотность жидкости в кг/м³,

v₀ и v₁ — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (срабатывания клапана) в м/с,

с — скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода.

Применение.

А.с. № 269045: Способ повышения динамической устойчивости энергосистемы при аварии на линии электропередач путем снижения мощности гидротурбины отличается тем, что, с целью уменьшения напора перед гидротурбиной создают отрицательный гидравлический удар путем отвода части потока, например, в резервуаре.

А.с. № 348806: Способ размерной электрохимической обработки с регулированием рабочего зазора путем периодического соприкосновения электродов с последующим отводом электрода - инструмента на заданную величину отличается тем, что, для отвода электрода - инструмента используют силу гидравлического удара, возникающего в электролите, подаваемого в рабочий зазор.

Волну сжатия в жидкости можно вызвать также мощным импульсным электрическим разрядом между электродами, помещенными в жидкость (электрогидравлический эффект Уткина). Чем круче фронт электрического импульса, чем менее сжатая жидкость, тем выше давление в ударе и тем мощнее электрогидравлический удар. Электрогидравлический удар применяется при холодной обработке металлов, разрушении горных пород, деэмульсации жидкостей, интенсификации химических реакции и так далее.

Патент США $ 356W7: Формирование пластичных тел при помощи гидравлического удара высокой энергии. Патентуется гидродинамическая система, в которой столб жидкости, находящийся в баке гидропушки, направляется на заготовку. Для проведения жидкости в движение в указанном столбе жидкости производят электрический разряд, в результате чего генерируется направленная на заготовку волна, которая в сочетании с собственным высоким давлением жидкости осуществляет деформацию заготовки.

Скорость струи, направляемой на заготовку, составляет от 100 до 10000 м/с.

В США эффект Уткина применяют для очистки электродов от налипшего на них при электролизе металла. В Польше - для стальных колец турбогенераторов. При этом стоимость операции, как правило, снижается.

A.c. 117562: Способ получения коллоидов металлов и для осуществления при применении высокого напряжения за счет электрогидравлического удара между микрочастицами материала. Ударная волна, возникающая в воде при быстром испарении металла стержней электрическим током, вполне пригодна для разрушения валунов и других крепких материалов, для разбивки бетонных фундаментов, зачистки скальных оснований гидротехнических сооружений и других работ, связанных с разрушением. Примеры иллюстрируют примеры применений эффекта. Ниже даны примеры того, каким способом можно получить или усилить электрогидравлический удар,

В Японском патенте № 13120 (1965) описан способ формовки ртутно-серебряными электродами. При применении таких электродов сила ударной волны в воде возрастает, так как к давлению плотной плазмы, образующейся в канале разряда, прибавляется давление паров ртути. Применение этого способа позволяет заметно уменьшить емкость конденсаторной батареи.

А.с. № 119074: Устройство для получения сверхвысоких гидравлических давлений, предназначенное для осуществления способа, выполненное в виде цилиндрической камеры, сообщенной одним концом с трубопроводом, подающим жидкость с ресивером, отличается тем, что, с целью создания электрогидравлических степеней, применены искровые промежутки, располагаемые по длине камеры на определенном расстоянии друг от друга.

А.с.№ 129945: Способ получения высоких и сверхвысоких давлений для создания электрогидравлических ударов отличается тем, что высокие и сверхвысокие давления в жидкости получают путем испарения в ней действием импульсного разряда токопроводящих элементов в виде проволоки, ленты или трубки, замыкающих электроды.

Советские физики (А.М.Прохоров, Г.А.Аскарьян, Г.П.Шапиро) установили, что мощные гидравлические удары можно получить, используя луч квантового генератора (открытие № 65). Если луч мощного квантового генератора пропустить через жидкость, то вся энергия луча поглотится в жидкости, приведя к образованию ударных волн с давлением, доходящим до миллиона атмосфер. Это открытие находит, кроме обычных областей применения гидравлических ударов, очень широкое применение в микроэлектронике, для условий особо чистых поверхностей, для обработки таких материалов и изделий, которые исключают применением электродов и так далее. Используя светогидравлический эффект, можно издалека, дистанционно, возбуждать в жидкости гидравлические импульсы с помощью луча света.