Свободный выпуск газа.

Рассмотрим процесс внешнеадиабатного расширения газа при выпуске его из какой-либо емкости (баллона, цилиндра и пр.). Такой процесс часто называют выхлопом или свободным выпуском газа. Этот процесс – один из самых распространенных. Особенно часто его используют в низкотемпературных машинах как один из рабочих процессов циклов этих машин. Схема организации процесса выхлопа весьма проста. Баллон со сжатым газом имеет выпускной клапан, после открытия которого газ быстро вытекает из баллона и направляется в трубопровод.

Процесс выхлопа является нестационарным и неравновесным адиабатным процессом расширения газа с совершением внешней работы. Теплообмен газа со стенками исключен по условию, и неравновесность обусловлена тем, что при изменении объема силы давления газа на контрольной поверхности системы не уравновешены силами противодавления.

Для рассматриваемого типично неравновесного процесса (на 1 кг газа в закрытой системе)

.

Снижение температуры газа при одинаковых Т_н, р_н и р_к в неравновесном адиабатном процессе меньше, чем в изоэнтропном процессе. Следует обратить внимание на то, что при ∆р=(р_н–р_к)→dp соблюдаются условия квазиравновесия. В этом случае дифференциальные эффекты процесса выхлопа α_в и изоэнтропного процесса практически одинаковы:

.

При принятых выше допущениях все выражения для рассматриваемого процесса можно легко получить из этого выражения, если принять

α_в=(dT/dp)_в=α_sН=const.

Таким образом, эта формула является математической формой уравнения процесса выхлопа.

В заключение отметим, что обратным процессу выхлопа по физическому смыслу является процесс впуска газа в какую-либо емкость. В этом случае происходит неравновесное адиабатное сжатие газа, предварительно находившегося в баллоне.

14. Расширение газа в адиабатной вихревой трубе Ранка–Хилша.

В 1931 г. Ж. Ранк обнаружил эффект температурного разделения газового потока при его вихревом течении. Схема устройства для реализации эффекта Ранка приведена на рис. 71. Сжатый газ через тангенциальное сопло l подается в улитку 2, где устанавливается интенсивное круговое течение. При этом возникает неравномерное температурное поле. Слои газа, находящиеся вблизи оси, оказываются более холодными, чем входящий газ, а периферийные слои закрученного потока нагреваются. Часть газа μ в виде холодного потока отводится через диафрагму 3, насадок 4 и щелевой диффузор 8, а другая часть (1–μ) в виде нагретого потока – через насадок 5 и лопаточный диффузор 6 с сеткой 7. Такая схема вихревой трубы близка к оптимальной. Более простые конструкции выполняют без диффузоров. Работу вихревой трубы можно регулировать дроссельной заслонкой на теплом потоке.

Если часть газа μ оказалась после расширения более холодной, а другая часть (1–μ) – более горячей, значит, часть энергии первого потока μ передана второму потоку; поэтому вихревую трубу иногда называют энергетическим разделителем потока.

Простейшее объяснение эффекта температурного разделения сводится к следующему. Частицы газа, движущиеся к центру, стремятся сохранить угловой момент, и должны были бы вращаться с нарастающей угловой скоростью по мере приближения к оси. Однако этому препятствует вязкость среды. В результате центральные слои вращаются с практически одинаковой скоростью, и частицы газа, движущиеся к центру, вынуждены отдавать часть своей кинетической энергии другим слоям газового вихря, охлаждаясь при этом. Периферийные слои вращающегося газа, получая эту энергию, нагреваются, так как она в конечном итоге превращается в теплоту.

Уравнение закона сохранения энергии для адиабатной вихревой трубы имеет вид

Gi_вx=G_xi_x+G_гi_г или i_вx=μi_x+(l–μ)i_г;

здесь μ=G_x/G; 1–μ=G_x/G; G_x+G_г=G; G_x и G_г – количества соответственно холодного и горячего газа.

Холодопроизводительность вихревой трубы

Q_в=G_x(i_вx–i_x)=G_г(i_г–i_вx).

Снижение температуры холодного потока ∆Τ_х даже в лучших конструкциях вихревых труб достигает только 50–55% разности температур в изоэнтропном процессе. Отношение ∆Τ_х/∆Τ_s часто называют температурной эффективностью вихревой трубы. Если, кроме того, учесть, что холодный поток составляет всего 25–35%, то становится очевидной низкая эффективность вихревой трубы как генератора холода. Однако ее конструктивная простота в некоторых случаях играет определяющую роль, особенно когда экономические соображения не являются решающими.