2.1.1. Дросселирование
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 i 1= i 2= const.
В зависимости от природы газа и параметров проведения процесса температура газа 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 aI, это отношение бесконечно малого изменения температуры газа к бесконечно малому изменению давления при i = const:
. (2.1)
Здесь ¶ Р < 0 – всегда, т.к. Р 2 < Р 1. Тогда при понижении температуры, т.е. при Т 2< Т 1: ¶ Т> 0 и, следовательно, ai> 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 i T. Это очень важная величина в расчетах криогенных установок.
Между изотермным и интегральным эффектами Джоуля-Томсона существует зависимость:
, (2.3)
где с р – 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 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 (т. 1) до давления Р 2. Конечное состояние отображается т. 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 Р2=0,1 МПа, эффект охлаждения составляет примерно 30°.
Максимальный эффект охлаждения для любого газа достигается при дросселировании в области влажного пара и в близи критической точки.
2.1.2. Расширение газа в детандере
Наиболее эффективным способом получения низких температур был бы изоэнтропный процесс расширения газа. Это процесс расширения с совершением работы при отсутствии теплообмена с окружающей средой и при отсутствии какого-либо трения (т.е. процесс для идеального газа).
На диаграмме (см. рис. 2.2) этот процесс изображается вертикальной линиией 1-2ад (s=const).
Рис.2.2. Сравнение эффектов охлаждения воздуха при различных видах его расширения:
1-2ад – изоэнтропный процесс;
1-2 – расширение в детандере;
1-3 – дросселирование
В таком процессе начальные и конечные параметры газа связаны уравнением адиабаты:
, (2.4)
где k =1,4 – показатель адиабаты для воздуха.
Отсюда конечный эффект понижения температуры можно вычислить:
. (2.5)
В реальных условиях изоэнтропный процесс расширения реализовать нельзя, так как газ обладает вязкостью и всегда присутствует трение. Нельзя также избежать теплопритока. Поэтому реальные процессы идут с меньшим эффектом охлаждения D Т дт и с увеличением энтропии – процесс 1-2.
Величина эффекта охлаждения будет зависеть от КПД детандера – механизма, в котором производится расширение. Значение внутреннего относительного КПД, достаточно точно для практических расчетов, может быть вычислено по соотношению:
. (2.6)
На практике применяют поршневые детандеры и турбодетандеры. Поршневые машины имеют ряд преимуществ перед турбодетандерами:
а) широкий диапазон начальных значений температур и давлений, особенно при высоких давлениях и малых производительностях;
б) хорошо регулируются, просты в эксплуатации;
в) имеют более высокий КПД - hпд =0,7-0,85.
К недостаткам поршневых детандеров следует отнести:
а) меньший ресурс и надежность;
б) хуже массовые и габаритные характеристики на единицу производительности.
Турбодетандеры (ТД) применяют в средних и крупных криогенных установках. Это газовые турбины, как правило, радиального типа – центробежные или центростремительные. Более эффективны центростремительные ТД (движение газа от периферии к центру), особенно небольших размеров.
Наиболее эффективны турбодетандеры конструкции П.Л. Капицы, созданные им в 1938 г. (КПД > 0,8). В настоящее время КПД крупных ТД с диаметром рабочего колеса 200-250 мм достигают значений 0,85-0,9.
В меньших ТД: при D р.к=100-200 мм, КПД составляет 0,85-0,9;
30-100 мм – 0,6-0,7;
10-30 мм – 0,3-0,4.
Основная трудность – в создании надежной теплоизоляции. Нужны хладостойкие материалы, т.к. обороты ротора велики. Нужны специальные опоры с газовой смазкой. Каналы проточной части должны выполняться очень тщательно.
Срабатываемые перепады давлений невелики, т.к. они ограничены скоростями потоков и числом ступеней. Поэтому ТД применяются, как правило, в установках средних и низких давлений.
