ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТА ДЖОУЛЯ-ТОМСОНА.

 

Эффект Джоуля-Томсона в настоящее время широко используется в различного рода технологиях по сжижению газов. Здесь мы рассмотрим два способа понижения температуры газа ниже критической – при помощи машины Линде и при помощи метода Клода.

Схема машины Линде показана на рисунке 2 (а). В основу принципа её действия положены эффект Джоуля-Томсона и схема противоточного теплообмена. Основными элементами конструкции машины являются компрессор, приёмник сжиженного газа, дроссельный кран, змеевик и теплообменник. Последний представляет собой два змеевика ab и cd, расположенных друг относительно друга так, чтобы между ними имелся хороший тепловой контакт. На рисунке 2 (а) оба змеевика показаны отдельно из соображений наглядности, но на практике теплообменник в машинах Линде обычно представляет собой две коаксиальные трубки, закрученные спиралью, как показано на рисунке 2 (б). В наших обозначениях внутренняя трубка такого теплообменника выполняет функции змеевика ab, а внешняя – змеевика cd. Работает машина Линде следующим образом. Атмосферный воздух поступает в компрессор, в котором сжимается до 200 атм. Затем сжатый газ попадает в змеевик, омываемый проточной водой, что позволяет понизить температуру нагревшегося в результате сжатия воздуха до исходной величины. Далее сжатый и охлажденный до комнатной температуры воздух проходит по змеевику ab к дроссельному крану 1, просачиваясь через который, газ расширяется в приёмник до давления 1 атм. При этом газ охлаждается, но не настолько, чтобы превратиться в жидкость. Поэтому охлаждённый газ из приёмника поступает в змеевик cd. Поскольку между змеевиками ab и cd обеспечен хороший тепловой контакт, то порция охлаждённого газа, проходящего по змеевику cd, приводит к понижению температуры газа, идущего по змеевику ab. Благодаря этому вторая порция газа, просачиваясь через кран 1, охлаждается уже до более низкой температуры, чем первая порция. Но этого вновь недостаточно для сжижения газа. Поэтому вторая порция снова попадает в змеевик cd и отбирает тепло у третьей порции газа, идущего по змеевику ab, которая, в свою очередь, проходя через кран 1, охлаждается сильнее, чем предыдущая порция (в этом и состоит принцип противоточного теплообмена). Так продолжается до тех пор, пока дросселирующий через кран 1 газ не станет превращаться в жидкость, которая будет скапливаться в приёмнике и может быть слита из него при помощи крана 2.

При установившемся режиме работы машины Линде в различных её узлах можно наблюдать приблизительно следующие температуры: у входа в змеевик ab 293 К (комнатная), на выходе из этого змеевика 170 К, после дросселирования 80 К, у входа в змеевик cd 80 К, на выходе из него – комнатная (293 К).

В настоящее время машины Линде для сжижения воздуха применяются крайне редко, так как для этих целей являются мало эффективными. Обычно их применяют только для сжижения гелия. Схема одной из таких машин показана на рисунке 3. Основными её составляющими являются компрессор (на рисунке не показан), три теплообменника (1, 2 и 4), водородная ванна со змеевиком 3 и дроссельный кран. Гелий, сжатый компрессором до давления 30 атм поступает в машину по внутренним трубкам теплообменников 1 и 2. В теплообменнике 1 гелий охлаждается встречным потоком гелия, испаряющегося из приёмника и уже прошедшего через теплообменник 4. В теплообменнике 2 газ охлаждается встречным потоком водорода, испаряющегося из водородной ванны. В точке О оба потока газа объёдиняются и проходят по змеевику 3, в результате чего принимают температуру жидкого водорода (14,5 К). Далее гелий поступает в теплообменник 4, где дополнительно охлаждается до температуры 5,8 К встречным потоком гелия, испаряющегося из приёмника. Затем, дросселируя при такой температуре через кран, газ ещё раз охлаждается уже за счёт эффекта Джоуля-Томсона, в результате чего сжижается.

Более эффективными являются машины, работающие по принципу охлаждения при адиабатном расширении газа с совершением внешней работы (метод Клода). Часть машины, в которой происходит расширение газа, называется детандером. Устройство его может быть самым разнообразным. Так в первой машине Клода детандер представлял собой поршневую машину. Газ, попадая в неё, расширяется и совершает работу по перемещению поршня, в результате чего охлаждается. Прежде всего детандеры используются для предварительного охлаждения газа перед его дросселированием. Кроме того, применение детандеров позволяет отказаться от использования жидкого водорода – вещества легко воспламеняющегося и взрывоопасного.

Схема машины Клода для сжижения воздуха показана на рисунке 4. Посредством компрессора газ изотермически сжимается до давления порядка 40 атм, после чего поступает в теплообменник 1. В точке О газ разделяется на два потока. Первый поток проходит через теплообменник 2 к дроссельному крану и подвергается дросселированию с охлаждением за счёт эффекта Джоуля-Томсона. Второй поток поступает в детандер, где охлаждается за счёт совершения работы при расширении. Затем этот газ по внешней трубке теплообменника 1 возвращается в компрессор, охлаждая на своём пути встречную порцию газа. В точке O’ к этому потоку газа присоединяется и тот газ, который охладился в результате дросселирования (до этого, проходя по внешней трубке теплообменника 2, он так же охлаждал встречную порцию сжатого газа).

Условия рабочего режима работы машины Клода примерно таковы: давление в компрессоре 40 атм, температура при входе в детандер (после охлаждения в теплообменнике 1) 200 К, температура после расширения в детандере 110 К при давлении 1 атм.