Охлаждение газа при дросселировании. СТ на базе дросселирования газа

Это эффект был открыт в 1952 г. Д.Джоулем и В.Томпсоном при изучении свойств реальных газов и называется по их имени эффектом Джоуля-Томпсона или дроссельным эффектом.

Под процессом дросселирования понимается непрерывный переход газа или жидкости от высокого давления к низкому без совершения внешней полезной работы и без теплообмена с окружающей средой. Дросселирование возникает при внезапном сужении потока на дроссельном органе, которым может быть дроссельная шайба или диафрагма, вентиль (обычно дроссельный), позволяющий изменять площадь проходного сечения канала; в холодильных машинах такой вентиль называется терморегулирующим.

В суженном сечении дросселя скорость потока возрастает, температура его при этом понижается и, следовательно, уменьшается внутренняя энергия. Кинетическая энергия, полученная потоком при дросселировании, расходуется на трение, частично превращается в теплоту, которая воспринимается самим потоком.

В зависимости от свойств и состояния дросселируемого вещества внутренняя энергия за дросселем может быть больше, меньше или равной внутренней энергии до дросселя. Поэтому конечная температура вещества может быть выше, равна или ниже температуры до дросселя. Изменение температуры газа в функции изменения давления в процессе дросселирования называется дифференциальным дроссельным эффектом и обозначается

.

Если , то эффект положительный и сопровождается понижением температуры; если , то эффект отрицательный и сопровождается повышением температуры. При температура при дросселировании не меняется и называется температурой инверсии.

Интегральный дроссельный эффект определяется по конечным значениям изменения температуры и давления :

,

где - среднее значение для интервала давления .

Применительно к воздуху для интервала давлений от 1 до 100 кг/см² можно принять град/(кг/см²). Следовательно, при расширении газа в дроссельном отверстии со 100 до 1 атм температура воздуха понизится на .

При дросселировании насыщенной жидкости (например, жидкого фреона в терморегулирующем вентиле) она частично превращается в пар, объем вещества (жидкость+пар) значительно увеличивается, на разрыв связей между молекулами расходуется больше энергии, и дроссельный эффект возрастает.

Дросселирование воздуха с целью понижения температуры в системах термостатирования применяется достаточно редко ввиду низкого теплового эффекта. Однако благодаря простоте конструкции и эксплуатации этот способ используется для термостатирования космических аппаратов в короткий промежуток времени транспортировки в пристыкованном виде к носителю с технической позиции на стартовую, а также в ряде других случаев. Сухой сжатый воздух вытекает из баллонов ресиверной, редуцируется до низкого давления (почти атмосферного), охлаждаясь при расширении, и подаётся под обтекатель.

Рис. 3.1. Схема кратковременного термостатирования космического аппарата при охлаждении воздуха дросселированием в редукторе: 1 -баллоны ресиверной с сухим воздухом; 2 - электропневмоклапан; 3, 4 - газовые редукторы; 5 - обтекатель; 6 - космический аппарат

Для полноты использования запаса воздуха в баллонах блок редуцирования должен состоять из нескольких параллельных редукторов, включаемых поочередно по мере снижения давления в баллонах. Каждый последовательно включаемый редуктор должен иметь более низкий предел редуцирования и суммарный расход воздуха должен быть по возможности постоянным. Вместо редукторов может использоваться блок электроклапанов с соответствующим набором дроссельных шайб.