|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Джоуля - Томсона эффект |
 | |
Анимация
Описание
Эффект Джоуля -Томсона заключается в изменении температуры реального газа в результате протекания его под действием постоянного перепада давления сквозь дроссель - местное препятствие потоку газа (капилляр, вентиль или пористую перегородку, расположенную в трубе на пути потока). Течение газа сквозь дроссель должно происходить без теплообмена с окружающей средой (адиабатически). В теплоизолированной трубке создается стационарный поток газа (рис. 1).
Схема опыта Джоуля - Томсона
Рис. 1
Прохождение газа через дроссель (мелкопористая пробка, например, из ваты) делает скорость газового потока малой. Давление газа р, объем V и температура Т изменяются.
Эффект Джоуля - Томсона принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (DT < 0), и отрицательным, если газ нагревается (DT > 0). Согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества эффект Джоуля - Томсона свидетельствует о наличии в газе сил межмолекулярного взаимодействия. При взаимном притяжении молекул внутренняя энергия U газа включает как кинетическую, так и потенциальную энергию их взаимодействия. Расширение газа в условиях энергетической изоляции не меняет его внутренней энергии, но приводит к росту потенциальной энергии взаимодействия молекул (поскольку расстояния между ними увеличиваются) за счет кинетической энергии. В результате тепловое движение молекул замедляется, температура расширяющегося газа будет понижаться.
В зависимости от условий дросселирования один и тот же газ может как нагреваться, так и охлаждаться. Температуру, при которой разность температур (DT), проходя через нулевое значение, меняет свой знак, называют температурой инверсии эффекта Джоуля - Томсона. Кривая инверсии (рис. 2) отделяет совокупность состояний газа (Р,V,T), при расширении из которых он охлаждается, от состояний, при расширении из которых он нагревается. Ее характерный вид приведен на рис. 2.
Зависимость инверсии от давления
Рис. 2
Значения верхних температур инверсии (Тi mах) для некоторых газов приведены в таблице 1.
|
Таблица 1 |
||||||
|
Максимальная температура инверсии газов |
||||||
|
Газ |
СО2 |
Аr |
N2 |
H2 |
He |
Воздух |
|
Тi mах, К |
1900 |
723 |
621 |
202 |
50 |
603 |
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
В конце ХIХ века Дюаром и Линде было предложено использовать для охлаждения газов эффект Джоуля - Томсона. Этот принцип до сих пор широко используется в холодильной технике. С использованием дросселирования аммиака работают большинство промышленных холодильников.
Эффект Джоуля - Томсона нашел применение в криогенной технике.
При больших перепадах давления на дросселе температура газа может изменяться значительно. Например, при дросселировании от 20 до 0,1 МПа и начальной температуре 290 °К воздух охлаждается на 35 °К. Этот метод положен в основу большинства технических процессов сжижения газов.
Промышленное сжатие газов с критической температурой выше температуры окружающей среды (например, аммиак, хлор) осуществляется с последующей конденсацией газа в теплообменниках, охлаждаемых водой.
При дроссельном цикле сжижения газа (рис. 3) после сжатия в компрессоре газ последовательно охлаждается и затем расширяется (дросселируется) в вентиле.
Дроссельный цикл сжижения газа
Рис. 3
Обозначения:
1 - компрессор;
2 - сжатый газ;
3 - расширенный газ;
4 - теплообменник;
5 - вентиль;
6 - сборник.
При этом часть газа сжижается и скапливается в сборнике, а несжиживающийся газ направляется в теплообменники и охлаждает свежие порции сжатого газа.
Реализации эффекта
Простейший опыт понаблюдению эффекта Джоуля - Томсона состоит в прокачивании автомобильным насосом длинной (порядка метра) трубки, забитой ватным или матерчатым пыжом в середине. Охлаждение воздуха можно наблюдать по температурам соответствующих колен трубки, или непосредственно.
Литература
1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.- М.: Наука, 1972. - С. 720.
2. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. - М.: Физматгиз, 1959. - Т.1. - С. 464.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
