Цикл с простым дросселированием был первым криогенным циклом нашедшим применение в технике. Его используют и в настоящее время.
Впервые цикл с дросселированием реализовали в 1895 г. К. Линде в Германии и Хемпсон в Англии.
Использование дросселирования для охлаждения возможно в том случае, если исходный температурный уровень процесса существенно ниже температуры инверсии рабочего вещества.
Применение процесса непосредственного дросселирования к сжатому газу, находящемуся при температуре окружающей среды, позволяет очень незначительно снизить его температуру. Так, температура воздуха, расширяющегося в дроссельном вентиле от р 2 = 20 мПа до р 1 = 0,1 мПа при Т 0 = 300 К, снижается на величину ∆Т ≈ 35 К. Для получения значительно более низких температур и для сжижения газов в дроссельном цикле процесс дросселирования необходимо дополнить процессом регенеративного теплообменна.
В результате температура рабочего вещества снижается перед тем, как реализуется эффект охлаждения на более низком температурном уровне.
Идеальный цикл с простым дросселированием. Рассмотрим идеальный цикл с простым дросселированием с использованием регенеративного теплообмена (рис. 22).
По замкнутому контуру циркулирует 1 кг рабочего вещества. Сначала все элементы криогенной системы имеют одинаковые температуры, равные температуре окружающей среды (Т 1 =Т 0 ).
В компрессоре КМ газ сжимается от р 1 до р 2. Этот процесс предположительно идет изотермически. Т 1 =Т 2, теплота сжатия отводится в окружающую среду в холодильнике Х. Сжатый газ в состоянии, соответствующем точке 2, направляется через теплообменник Т в дроссельный вентиль ДВ, где расширяется до р 1, в результате температура снижается до Т 4. Теперь этот газ можно нагреть до Т 1, используя его в качестве охлаждающей среды для отвода теплоты от какого-либо объекта. Если этот газ направить через теплообменник в качестве обратного потока, то он в результате теплообмена охладит вторую порцию газа перед тем, как она пойдет к дроссельному вентилю.
| 
|
| Рис. 22. Теоретический цикл с дросселированием: а) схема; б) диаграмма Т− s | |
Таким образом, дросселирование начнется на более низком температурном уровне Т 3′ и перепад температур в процессе дросселирования будет уже больше. Температура после дросселирования второй порции будет Т 4″. Вторая порция газа в обратном потоке в теплообменнике может охладить третью порцию газа уже до температуры Т 3″. Таким образом температуры последующих потоков будут понижаться до минимального значения Т x; при этом рабочее вещество находится уже в области влажного насыщенного пара (ВНП ), Т x однозначно определяется давлением р 1 и образуется жидкость состояния f. Только уменьшая р 1, можно снизить Т x.
Получаемую жидкость в установившемся процессе состояния f можно испарять, отводя таким образом теплоту от какого-то объекта охлаждения (рефрижераторный режим). Получаемая при этом холодопроизводительность теоретического цикла составляет:
(71)
В Т− s диаграмме 
соответствует площадь а’−4−5−в’.
Определим из теплового баланса теплообменника T следующим образом:
(72)
Так как 
,
, (73)
то есть холодопроизводительность в теоретическом цикле одинакова на любом температурном уровне.
Дроссельный вентиль не создает холодопроизводительности, только обеспечивает ее реализацию. Регенеративный теплообменник позволяет перенести дроссельный эффект на более низкий температурный уровень.
Действительный цикл с простым дросселированием. В действительном цикле с простым дросселированием (рис. 23) имеют место потери, вызванные следующими обстоятельствами.
Несовершенство процесса теплообмена в регенераторе: в результате газ в обратном потоке не сможет нагреться до первоначальной температуры Т 1, на выходе из регенератора его температура будет 
. Эта разница температур (
) называется недорекуперацией. Соответственно в прямом потоке температура будет не 
, а 
.
Потери от неполноты рекуперации определяют следующим образом:
, (74)
. (75)
| 
|
| Рис. 23. Действительный цикл с дросселированием: а) схема; б)диаграмма Т− s | |
Другой причиной уменьшения холодопроизводительности является приток теплоты от окружающей среды. Приток теплоты 
приводит к тому, что прямой поток газа охладится не до , а до более высокой температуры 
.
Из уравнения теплового баланса теплообменника определим следующее:
, (76)
т.е.
. (77)
Таким образом, полезная холодопроизводительность составит:
, (78)
где 
.
В T − s координатах полезная холодопроизводительность эквивалентна площади 
→ с−4−5′−в. Полная холодопроизводительность площади → а−4Т−5′−в.
Если полученную в результате дросселирования жидкость выводить из цикла в виде готового продукта, то это будет ожижительный режим. Схема цикла будет та же, но в нее дополнительно включен вентиль В, через который выводится полученная жидкость в количестве x.
Поскольку часть жидкости x выводится из цикла, на сжатие в компрессор надо подавать новую порцию газа в том же количестве x в состоянии 1.
Составим уравнение энергетического баланса для ограниченной контуром зоны на рис. 23, а.
’ (79)
Используя формулу (74), найдем коэффициент ожижения.
(80)
Характеристики цикла с простым дросселированием. В цикле с дросселированием затраты энергии определяются работой сжатия в компрессоре lk в интервале давлений от р 1 до р 2. Удельные затраты работы составят:
для теоретического рефрижераторного:
; (81)
для реального рефрижераторного:
; (82)
для реального ожижительного:
. (83)
Холодильный коэффициент теоретического и реального рефрижераторного цикла − величина, обратная удельным затратам работы.
Термодинамический КПД определяют по формулам (61), (62).
Энергетическая эффективность цикла с простым дросселированием невелика. Даже в теоретическом случае термодинамический КПД 
не превышает 20 %, а для реального цикла − 
. Очень мала и для получаемой жидкости величина 
. Все указанное относится для воздуха и его компонентов.
Для рабочих веществ с более высокой температурой инверсии, энергетические коэффициенты более высокие. Так для метана в действительном цикле − 
.
Для веществ с более низкой температурой инверсии: гелия, неона, водорода − этот цикл непригоден, т.к. температура инверсии ниже температуры, поступающего в цикл потока. 
, поэтому изотермический эффект дросселирования 
, в дроссельном вентиле не будет иметь место эффект понижения температуры.
