Учебный вопрос № 3. Применение процесса дросселирования и влияние различных факторов на его эффективность

Процесс дросселирования применяется для регулирования паровых двигателей и других турбомашин, в холодильных установках, приборах для определения расхода газа и др.

На джоуль-томсоновском эффекте дросселирования разработан ряд холодильных циклов для получения жидкого воздуха в воздухоразделительных установках для получения кислорода, азота и других газов. На этом принципе и был основан крайне простой холодильный цикл с дросселированием, использованный Линде в первой установке для сжижения воздуха и нашедший широкое применение в промышленности, несмотря на термодинамически очевидную его низкую эффективность. Решающим фактором в данном случае была практическая осуществимость такого цикла.

Обычно по данному циклу работают установки малой и средней производительности для получения газообразного кислорода и азота.

Общий эффект дросселирования для каждого реального газа определяется соотношением внешней и внутренней работы и зависит от начальных условий дросселирования (начального давления и температуры газа), а также физической работы газа.

Внешняя работа для воздуха, кислорода и азота в областях давлений, температур, обычных при их дросселировании в установках глубокого холода, положительна и по своей абсолютной величине незначительна по сравнению с внутренней работой. Поэтому эти газы при дросселировании всегда охлаждаются. Исключение составляют водород и гелий. Физическая природа этих газов такова, что силы взаимного притяжения между их молекулами незначительны. Поэтому внутренняя работа дросселирования водорода и гелия, затрачиваемая на преодоление межмолекулярных сил сцепления, очень мала по сравнению с внешней работой, что приводит к отрицательному эффекту дросселирования.

Из диаграммы S – Т следует, что с повышением начального давления воздуха холодопроизводительность при процессе дросселирования возрастает, а также заметно повышается его эффективность.

Из этих данных видно, что с ростом давления воздуха холодопроизводительность увеличивается, а затрата энергии на 1 кг сжиженного воздуха уменьшается. Холодопроизводительность процесса возрастает пропорционально разности давлений (при данной температуре). Это приводит к заметному росту эффективности с повышением давления.

При повышении давления с 6 до 20 МПа холодопроизводительность увеличится с 12,6 до 33,9 кДж/кг или в 2,7 раза, тогда как затрата работы на изотермическое сжатие увеличится с 350 до 460 кДж/кг, то есть на 31 %. В результате эффективность процесса повысится в 2 раза.

С понижением начальной температуры газа (до определенных значений) эффективность процесса дросселирования существенно увеличивается.

Если воздух перед расширением имеет, например, температуру 15ºС, то при расширении от абсолютного давления 20 МПа до 0,1 МПа температура понизится всего на 39ºС. После предварительного охлаждения воздуха до –50ºС можно после расширения с 20 до 0,1 МПа достичь температур –121,5º С.

Для понижения температуры сжатого воздуха перед дросселированием используют теплообменники, где сжатый воздух охлаждается обратным воздухом, охлажденным в процессе дросселирования. Включение теплообменника позволяет получить то же количество холода при более низких температурах.