Охлаждение путем расширения газа с отдачей внешней работы

При расширении сжатого газа (воздуха) и совершении им внешней работы за счет внутренней энергии температура газа понижается. Такое расширение сжатого газа осуществляется в поршневых расширителях или турборасширителях (детандерах). В этих машинах газ, толкая поршень или вращая решетку лопаток, расширяется, совершая работу против внешних сил, при этом внутренняя энергия и температура расширяемого газа уменьшаются. Внешнюю работу, получаемую при перемещении поршня или рабочего колеса детандера, можно использовать.

Наибольшего понижения температуры охлаждения воздуха можно достигнуть при адиабатическом расширении, которое протекает без теплообмена с окружающей средой при постоянной энтропии. В этом процессе работа расширения совершается только за счет внутренней энергии воздуха. Если воздух, сжатый до 9 МПа при температуре окружающей среды, адиабатически расширить до 0,1 МПа, то температура его понизится до -190 ºС

Охлаждение путем дросселирования.Дросселированием называют снижение давления жидкости или газа без изменения энтальпии. Практически оно осуществляется при проходе жидкости или газа через суженное сечение (вентиль, кран, диафрагма и т. п.) из полости высокого в полость низкого давления (рис. 1). Этот процесс является и своеобразным процессом расширения тела, в котором уменьшается его внутренняя энергия. Однако в процессе дросселирования полезной работы не создается. Внутренняя энергия расходуется на преодоление трения при проходе жидкости или газа через суженное сечение.

Рис.1. Схема дросселирования

Следует подчеркнуть, что при дросселировании жидкости наблюдается большее парообразование, чем при адиабатическом расширении. Это вызвано тем, что работа сил трения превращается в теплоту и передается дросселируемой жидкости, т.к. процесс протекает быстро и теплообмен с окружающей средой практически отсутствует.

Лекция 4. Вихревой эффект

Этот эффект происходит в результате преобразования энергии сжатого воздуха в трубе специальной конструкции, называемой вихревой (рис. 2).

Рис. 2. Схема вихревой трубы

Воздух, сжатый и охлажденный до температуры окружающей среды, вводится в трубу 1 через сопло 3 по касательной к внутренней поверхности трубы. В трубе воздух совершает вращательное вихревое движение по отношению к оси трубы и перемещается от сопла 3 к тому концу трубы, где расположен вентиль 4.

Вначале угловая скорость вращения воздуха во внутренних слоях потока гораздо больше, чем в периферийных (наружных). По мере движения к вентилю 4 скорость вращения во внутренних слоях уменьшается, а кинетическая энергия их передается периферийным слоям. При этом наружные слои воздуха оказываются более нагретыми за счет кинетической энергии, переданной внутренними слоями вихревого потока. В результате внешние более теплые слои воздуха выходят из трубы 1 через вентиль 4 с температурой более высокой, чем температура, поступающего в трубу воздуха, а внутренние – противотоком проходят по центральной части трубы и выходят через диафрагму 2 холодными.

Воздух с низкой температурой используют для охлаждения, а с высокой – для нагревания. Вихревой эффект происходит без совершения внешней работы.

Исключительная простота и надежность вихревой трубы делают ее в некоторых случаях более предпочтительной, например, при периодической потребности в охлаждении на различных предприятиях при необходимости малой холодопроизводительности выгоднее применять простую и надежную вихревую трубу.