2.4.4.2. Получение низких температур путем дросселирования и расширения сжатых газов при совершении ими внешней работы

В холодильных установках для получения глубокого холода часто используют эффект Джоуля-Томсона.

Дж.П.Джоуль и У.Томсон обнаружили, что при адиабатическом дросселировании, т.е. при понижении давления газа в результате протекания его через пористую перегородку, диафрагму или вентиль без теплообмена с окружающей средой, температура газа изменяется. Эффект дросселирования обусловлен силами межмолекулярного взаимодействия и отсутствует только у идеальных газов.

Существует два вида холодильных циклов, использующих эффект дросселирования: цикл Линде, основанный на эффекте дросселирования без совершения внешней работы или цикл Клода с адиабатическим расширением рабочего вещества и совершением внешней работы (рис.2.22).

Рис. 2.22. Холодильные циклы

 

В цикле Линде газ, сжатый в компрессоре 1, охлаждается водой в теплообменнике 2 и обратными газами в теплообменнике 3 и дросселируется через вентиль 4. Дросселирование приводит к его частичной конденсации. Несконденсированная часть газа возвращается в компрессор, сжиженный газ поступает в сборник.

Цикл Клода дополнительно включает процесс расширения газа в поршневой машине (детандере) 5 для его охлаждения благодаря совершению внешней работы. Позднее П.Л. Капица предложил поршневой детандер заменить на турбинный, что позволило уменьшить размеры машину и решить вопрос смазки ее движущихся частей.

Иногда используют комбинированные циклы, составленные из разнообразных сочетаний циклов Линде и Клода. Чаще всего для получения глубокого холода дросселирование газа совмещают с процессами фазового превращения хладоагентов.