4. Процеси, що супроводжуються зниженням температури
4.1. Дроселювання газів, пар та рідин
Адіабатне розширення газу у відкритій системі в умовах стаціонарної течії без здійснення зовнішньої роботи та збільшення швидкості на контрольній поверхні називається дроселюванням.
Для практичного здійснення цього процесу на шляху газу встановлюють будь-який гідравлічний опір: дросельний вентиль, заслінку, калібрований отвір та ін.
В результаті дроселювання ентальпія не змінюється, але поблизу дросельного пристрою вона не залишається постійною, тому процес дроселювання не можна ототожнювати зі зворотним ізоентальпним процесом.
Отже, для процесу дроселювання можна записати як∆i=0.
Для ідеального газу
Для ідеального газу дроселювання має відбуватися без зміни температури.
При розширенні реального газу збільшується відстань між молекулами, і відбувається робота проти сил міжмолекулярної взаємодії. Це визначає зміну внутрішньої енергії та температури, тому для реального газу при дроселюванні
Процес дроселювання необоротний. Для ідеального газу він незворотний повністю, для реального газу – частково оборотний.
Зміна температури в процесі дроселювання зветься ефект Джоуля-Томсона.
Диференціальний ефект Джоуля-Томсона визначається за такою формулою:
Практично при дроселюванні завжди є кінцева різниця тисків, зміна температури в такому процесі називатиметься інтегральним ефектом Джоуля-Томсона:
Інтегральний ефект дроселювання визначають зазвичай зтермодинамічних таблиць та діаграм (рис. 13).
Знак ефекту дроселювання може бути різним.
Якщо
Якщо
Зміну знака дросельного ефекту називають інверсією. У цьому стані
Мал. 13. Процес дроселювання в діаграміТ-s
При певному значенніi, стан інверсії буде мати місце за певнихртаТ>.
При іншому значенніiстаном інверсії будуть відповідати іншіріТ. Таким чином, має місце безліч точок інверсії, в діаграмі це безліч точок складається в лінію, яка називається кривою інверсії.
Крива інверсії поділяє діаграму на дві області. У правій дросельний ефект – позитивний, у лівій – негативний.
Для кожної речовини існує максимальна температура інверсії, вище якої ефект при будь-яких тисках негативний. Ця температура називається верхньою температурою інверсії. Існує і так звана нижня температура інверсії в рідині.
4.2. Рівноважне адіабатне розширення газу в детандері
Детандування- процес рівноважного адіабатичного розширення газу із здійсненням зовнішньої роботи.
За відсутності зовнішнього теплообміну і будь-яких внутрішніх процесів тертя процес розширення газу протікає за дотримання умови:S=const.
В цьому випадку, виходячи з першого закону термодинаміки, отримаємо:
деpdV- робота у замкнутій;Vdp- робота у відкритійтермодинамічній системі.
Зменшення внутрішньої енергії газу є максимально, тому такий процес супроводжується найбільшим зменшенням температури.
Ефект зміни температури в елементарному ізоентропному процесі називається диференціальним ефектом дитандування:
Скориставшись рівняннями термодинаміки, можна подати вираз (20) у вигляді:
З наведених співвідношень можна зробити такі висновки:
Значення - позитивні практично в будь-якій області станів робочого тіла.
З підвищенням температури,sтакож зростає; у своїй робота розширення відповідно збільшується.
Зі збільшенням тиску, тобто. зменшенням питомих обсягів,sзменшується. Таким чином, в процесі ізоентропного розширення - змінна величина.
Поблизу критичних станів та в області вологої насиченої пари (ВНП) значенняiтаsнайбільш близькі, т.к. у цих областях через великі значення1/(T)
Чим більше відношення
Для більшої частини реальних газів, що використовуються в кріогенній техніці, зміну температури в ізоентропних процесах з точністю, цілком достатньою для інженерних розрахунків, можна визначити з рівнянь:
Рівняння (24) справедливе у широкій області станів, зокрема й поблизу прикордонної кривої.Похибка для кріогенних газів (повітря, неон, гелій) становить трохи більше 3 %, винятком є водень, котрого похибка може становити до 30 %.
Насправді процеси розширення газів відбуваються у розширювальних машинах - детандерах. У детандерах енергія стиснутого газу перетворюється на роботу, і процес наближається до изоэнтропному. Робота передається до гальмівного пристрою.
Роль гальмівного пристрою часто грає електродвигун, який у період пуску виводить детандер на робочий режим після того, як вал детандера набирає задану частоту обертання, електродвигун переходить у режим генератора і повертає електричну мережу частину енергії, яка витрачається на стиск газу.