ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Понижение температуры газов при расширении из "Получение кислорода Издание 5 1972" При расширении сжатого газа, как правило, понижается его температура. Расширение газа можно осуществить двумя путями а) без отдачи внешней работы — дросселированием, т. е. пропусканием сжатого газа через отверстие вентиля б) с отдачей внешней р а б о т ы — расширением газа в цилиндре поршневого двигателя (детандера) или в каналах направляющего аппарата и лопатках рабочего колеса турбины (турбодетандера). Рассмотрим эти процессы. [c.48] Понижение температуры газа при расширении без отдачи внешней работы. Приведенное выше уравнение Клапейрона (ри = НТ) справедливо только для идеальных газов, не существующих в природе. Объем реальных газов, особенно в условиях высокого давления и низкой температуры, уменьшается при сжатии больше или меньше, чем это следует из уравнения Клапейрона. [c.48] Зная коэффициент сжимаемости данного реального газа, можно по уравнению Клапейрона для идеального газа определить изменение давления или объема реального газа. Кривые, по которым можно определить коэффициенты сжимаемости для некоторых газов при разных абсолютных давлениях и температурах (0 25 и 50 °С) приведены на рис. 2.7. Если коэффициент сжимаемости при данной температуре и давлении меньше единицы, такой газ сжимается в большей степени, чем идеальный газ наоборот, если 7 1, газ сжимается в меньшей степени, чем это следует из уравнения Клапейрона. Для идеального газа коэффициент сжимаемости 2=1. [c.48] При высоких давлениях значительно отличающаяся (от идеального газа) сжимаемость характерна для криптона и ксенона, что следует учитывать при определении количества этих газов в баллоне. [c.49] В момент дросселирования газа (при прохождении его через вентиль-дроссель) давление понижается и газ расширяется. Температура идеального газа остается постоянной, но для всех реальных газов при дросселировании температура изменяется. Данное явление обусловлено присущей реальным газам большей пли меньшей сжимаемости по сравнению с идеальным га- ом. Оно было впервые установлено английскими учеными Джоулем и Томсоном (Кельвином) в 1852 г. и с тех 1ор известно в физике под названием аффекта Джоуля—Томсона. [c.49] Внешняя работа может быть как положительной, так и отрицательной. [c.49] Если реальный газ сжимается сильнее, чем это следует по уравнению Клапейрона, внешняя работа будет положительной. Она производится за счет части внутренней энергии газа, вследствие чего его температура понижается, т. е. газ охлаждается. Когда реальный газ сжимается в меньшей степени, чем следует по уравнению Клапейрона, внешняя работа отрицательна. В этом случае для ее производства используется часть работы компрессора, и газ после дросселя нагревается, так как эта избыточная работа идет на увеличение внутренней энергии газа. [c.49] Внутренняя работа, производимая газом при дросселировании, всегда положительна, т. е. вызывает охлаждение газа. [c.49] 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 природы газа. [c.50] Внешняя работа для воздуха, кислорода, азота в областях давлений и 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. [c.50] Однако существуют условия, когда и эти газы при дросселировании могут не охлаждаться, а наоборот, нагреваться. Например, Фогель установил, что при начальной температуре +10°С процессы дросселирования воздуха с давления свыше / а = 368 кгс1слА и кислорода с давления свыше ра = ЗП кгс1см , сопровождаются нагреванием этих газов. В указанных условиях внешняя работа дросселирования этих газов становится отрицательной, а ее абсолютная величина возрастает. [c.50] Физическая природа водорода и гелия 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. Кроме того, водород и гелий при компримировании (сжатии) сжимаются в меньшей степени, чем это следует из уравнения Клапейрона. Вследствие этих свойств внешняя работа, совершаемая водородом при дросселировании, отрицательна и при начальной температуре выше —80 °С превышает внутреннюю. В этих условиях водород при дросселировании всегда нагревается. [c.50] НИИ начнет охлаждаться. Подобное явление происходит и с гелием, у которого предельная температура, ниже которой он при дросселировании охлаждается, еще более низкая и равна —234 °С (39.15°К). [c.51] В термодинамике низких температур различают дифференциальный, интегральный и охлаждающий эффекты Джоуля—Томсона. [c.51] Дифференциальный эффект (ог) — отношение бесконечно малого изменения температуры дросселируемого газа к бесконечно малому уменьшению давления, вызывающему это изменение температуры. [c.51] Интегральный эффект показывает суммарное изменение температуры при конечном перепаде давлений, т. е. ATi = Ti—Гг. [c.51] Охлаждающий (называемый также изотермическим) э ф-фект дросселирования (Air) показывает количество холода в ккал, полученного на 1 кг воздуха, расширившегося в дросселе с начального до конечного давления. [c.51] Так как энтальпия газа в процессе дросселирования остается постоянной, то на диаграмме 5—Т этот процесс изображается линиями постоянных энтальпий (г = onst). Уменьшение энтальпии газа всегда происходит до начала дросселирования, т. е. в процессе сжатия газа в компрессоре до величины давления перед дросселем. При этом затрачиваемая на сжатие механическая работа переходит в теплоту сжатия, которая отводится от газа водой в холодильнике компрессора. Расширившийся в дросселе газ вследствие этого имеет меньшую энтальпию и его температура после расширения будет ниже начальной на величину интегрального эффекта Джоуля—Томсона. [c.51] Опытами Фогеля установлены значения коэффициентов а и Ь. [c.51] Для воздуха а = 0,268 Ь = 0,00086 для кислорода а = 0,313 Ь = 0,00085. [c.51] Вернуться к основной статье