В воздухосжижительных установках
Основные процессы для получения низких температур
Дросселирование – это адиабатное расширение газа в условиях стационарного течения без совершения внешней работы и приращения скорости. Практически, это течение газа через какое-либо гидравлическое сопротивление – дроссельный вентиль, заслонку, жиклер, капилляр и т.п.
Поскольку не происходит энергообмена с окружающей средой, то процесс протекает при неизменной энтальпии: i 1 = i 2 = const.
В зависимости от природы газа и параметров проведения процесса температура газа Т может меняться по-разному:
- понижаться – < 0, т.е. T 2< T 1;
- повышаться – ¶ T >0, т.е. Т 2> Т 1;
- оставаться неизменной – ¶ Т = 0, т.е. Т 2 = Т 1.
Это явление носит название дроссель-эффекта Джоуля-Томсона в честь британских физиков, исследовавших это явление.
Различают дифференциальный, интегральный и изотермный дроссель-эффекты Джоуля-Томсона.
Дифференциальный дроссель-эффект a i, это отношение бесконечно малого изменения температуры газа к бесконечно малому изменению давления при i = const:
|
|
. (2.1)
Здесь ¶ Р < 0 – всегда, так как Р 2 < Р 1. Тогда при понижении температуры, т.е. при Т 2< Т 1: ¶ Т> 0 и, следовательно, a i > 0. Это положительный дроссель-эффект.
Интегральный дроссель-эффект D Ti показывает суммарное изменение температуры при конечном перепаде давлений D Рi (при i= const):
. (2.2)
Изотермный эффект дросселирования представляет собой разность теплосодержаний сжатого (до дросселирования) и расширенного газа при одной и той же температуре – D iT. Это очень важная величина в расчетах криогенных установок.
Между изотермным и интегральным эффектами Джоуля-Томсона существует зависимость:
, (2.3)
где ср – средняя изобарная теплоемкость воздуха в интервале изменения температур при дросселировании.
Один и тот же газ при различных начальных температурах может иметь различный дроссель-эффект. Рассмотрим это на примере расширения воздуха (t, s -диаграмма на рис. 2.1).
Рис. 2.1. Отображение процессов дросселирования воздуха на T, s -диаграмме
Воздух дросселируется от начальных параметров Р 1 и Т 1 (точка 1) до давления Р 2. Конечное состояние отображается точкой 2. Она лежит на пересечении изобары Р 2 и изоэнтальпы i 1-2. Видно, что Т 2< Т 1, т.е. газ охлаждается. Это наблюдается в том случае, если линии i = const имеют падающий характер со снижением давления.
Эти линии имеют максимумы, которые с повышением температуры смещаются в сторону низких давлений. При этом максимумы становятся менее выраженными и при какой-то температуре исчезают совсем. Эта температура называется температурой инверсии.
|
|
Линия, соединяющая максимумы изоэнтальп, называется инверсионной кривой. Инверсионная кривая делит диаграмму на две области. В правой области дросселирование приводит к охлаждению воздуха (процессы 1-2, 1'-2', 7-8). В левой – к нагреву (начало процесса 1"-2"). К нагреву ведет и процесс дросселирования, если начальная температура газа выше Т инв (процесс 5-6).
У водорода и гелия Т инв значительно ниже температуры окружающей среды, поэтому дросселирование этих газов при Т о.с приводит к их нагреву и не может быть использовано для понижения температуры.
Из диаграммы видно, что дроссель-эффект D Ti будет максимальным, если начальное давление дросселирования лежит на кривой инверсии. Для воздуха с температурой Т о.с это давление составляет примерно 42 МПа. Дальнейшее повышение давления приводит к понижению охлаждающего эффекта (см. процессы 1-2, 1'-2', 1"-2", проведенные при одной и той же начальной температуре).
На практике, при дросселировании воздуха с начальной температурой Т о.с и давлениях Р 1 = 20 МПа и Р 2 = 0,1 МПа, эффект охлаждения составляет примерно 30°.
Максимальный эффект охлаждения для любого газа достигается при дросселировании в области влажного пара и вблизи критической точки.