Экспериментально установлено, что при прохождении жидкости или газа через узкое сечение (дроссельная шайба, кран, вентиль, пористая среда и др.) происходит снижение давления движущегося потока. Это явление называют дросселированием(мятием). Оно используется в технике для регулирования мощности паросиловых установок, в холодильной технике при получении холода и др.
Выясним, как изменяется температура потока в результате дросселирования. Температура идеального газа при дросселировании не изменяется. Экспериментально установлено, что при дросселировании реальных газов их температура изменяется (эффект Джоуля-Томсона), причём чем больший перепад давлений, тем больше изменение температуры. Для количественной характеристики явления введено понятие дифференциального дроссельного эффекта представляющего собой отношение изменения температуры газа при адиабатном дросселировании (h=const) к изменению давления в дефференциальном процессе.
(11)
Рис.5 Изменение давления
и скорости потока при
дросселировании через
отверстие диафрагмы.
Для реальных газов знак дроссель-эффекта определяется знаком числителя в выражении (1). Если числитель больше нуля, то αh >0 (положительный дроссель-эффект); а так как при дросселировании dp<0, то и dТ<0 т. е.температура газа понижается. При отрицательном дроссель-эффекте: αh <0 и dр<0, значит dТ>0, т.е. температура газа повышается. Если числитель в (1) равен нулю (нулевой дроссель-эффект), то αh =0 и dр<0, значит dТ=0, т.е температура газа не изменяется.
Рис.6 Кривая инверсии реального
газа на T-P диаграмме.
Один и тот же газ в зависимости от его начальных параметров в результате дроссель-эффекта может нагреваться, охлаждаться либо не менять своей температуры. Параметры реального газа, при которых реализуется нулевой дроссель-эффект, носят название точек инверсии, а температура – температурой инверсии. Геометрическое место точек инверсии называется кривой инверсии. На рис 1.3 представлена кривая инверсии на диаграмме Р-Т. Область внутри кривой инверсии даёт положительный дроссель-эффект. Кривая двухфазной области жидкость-пар О-С-К пересекается с кривой инверсии в точке С. Температура в точке С зависит от природы дроссельного вещества.
При параметрах, применяемых в хладо- и теплотехнике, область перегретого пара располагается внутри кривой инверсии, и таким образом, при адиабатном дросселировании перегретый пар охлаждается.
1.3. Процесс расширения с получением внешней работы
Поток вещества, расширяясь от давления р1, до давления р2 в интегральном процессе, может совершать полезную внешнюю работу, если за дроссельным отверстием установить расширительный цилиндр (детандер). В этом случае кинетическая энергия потока будет использована для получения внешней работы, которая может быть снята с вала детандера (в отсутствие расширительной машины кинетическая энергия потока, превращаясь вследствие трения в тепловую энергию, вновь возвращается потоку, при этом полезная внешняя работа равна нулю). Для расширения рабочего вещества в технике низких температур применяют центробежные, осевые, поршневые и винтовые детандеры. При этом температура потока за детандером не будет повышаться и температурный эффект адиабатного расширения будет выше, чем в процессе дросселирования.
Процесс адиабатного расширения сжатого газа сопровождается снижением температуры. При расширении реального газа затрачивается дополнительная работа на преодоление внутренних сил притяжения его молекул и выполнение внешней работы. Для воздуха при р1=9,5 МПа t1=200С при адиабатном расширении р2=0,1 МПа t2=-193,40С.
1.4. Вихревой эффект
Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша) происходит без совершения внешней работы и реализуется с помощью специальной трубы ІІІ, на которой тангенциально к внутренней поверхности расположено сопло І (рис. 1.4). Возле сопла устанавливается диафрагма с концентрическим отверстием порядка 0,4... 0,5 внутреннего диаметра трубы. Диафрагма делит трубу по длине на два участка: справа от диафрагмы располагается холодный участок трубы, слева — горячий участок, оканчивающийся дроссельным клапаном по образующей трубы (рис. , б). При прямоточном движении холодного и горячего потоков сопло и диафрагма с кольцевым дроссельным клапаном разнесены по концам трубы (рис. , а).
Рис.7 Принципиальная схема вихревой трубы:
а – прямоточная; б - противоточная.
Поток сжатого газа (обычно рс = (0,3...0,5) МПа), охлажденного до температуры окружающей среды Тс, подается в сопло, в котором потенциальная энергия давления преобразуется в кинетическую энергию движущегося потока. На выходе из сопла поток поступает по касательной к внутренней поверхности трубы в улитку Архимеда, где закручивается. В трубе поток совершает вращательное движение и поступательное перемещение вдоль оси трубы, разделяясь при этом на два потока - холодный и горячий. Горячий движется по периферии трубы от соплового сечения к горячему торцу трубы (к кольцевому дроссельному клапану), а холодный - по центру трубы к диафрагме (холодному торцу трубы).
Явления, протекающие в вихревой трубе, еще мало изучены. Физическая сущность явления приближенно заключается в следующем. Газовый поток, вышедший из сопла, образует свободный вихрь, угловая скорость вращения которого максимальна у оси и уменьшается по мере приближения к образующей трубы. При движении вихря вдоль оси к дроссельному вентилю, в результате трения между слоями газа, поток приобретает почти одинаковую угловую скорость (режим квазитвердого вихря). При этом внутренние слои потока теряют скорость, а внешние - увеличивают. Поэтому внутренние слои, теряя часть кинетической энергии, охлаждаются, а периферийные слои, приобретая эту часть кинетической энергии, нагреваются.
Так как процесс расслоения газа происходит значительно быстрее выравнивания температур между слоями посредством кондуктивного переноса тепла от более нагретых периферийных слоев к центральным, то внутренние слои потока, охладившиеся при истечении, отдавая свою кинетическую энергию, не получают в поле вихревого разделения эквивалентного возврата тепла. Поэтому внешние слои выходят через кольцевой дроссельный вентиль нагретыми, а внутренние — через отверстие диафрагмы холодными.