Вихревой эффект (эффект Ранка-Хильша).

В 1932 году французский ученый Жорж Ранк при испытании циклонного пылеуловителя обратил внимание на то, что температуры воздуха в центре и на периферии канала различны. В центральной части воздух был значительно холодней, чем около внутренней поверхности циклона. В то время на это открытие не обратили особого внимания и даже опровергали его. В 1946 немецкий ученый Р. Хильш опубликовал статью с подробным доказательством процесса температурного расширения в вихревой трубе, после чего эффект стал называться эффектом Ранка-Хильша. Вихревой эффект заключается в том что при прохождении любого газа по любому каналу происходит разделение потоков: более горячий поток движется по периферии, а холодный поток сосредотачивается в центре, на оси канала. Чем больше турбулизация потока, тем эффективнее процесс температурного разделения. В холодильной технике наиболее широко используется вихревая труба. Конструкция вихревой трубы чрезвычайно проста (см. рис.). Конструкция вихревой трубы.

Она имеет цилиндрический корпус 1, сопло с тангенциальным вводом 2, дроссель 3 и диафрагму или трубу малого диаметра 4.Сжатый воздух с температурой окружающей среды через сопло подается в трубу по касательной к внутренней поверхности корпуса. Поступивший воздух вращается, одновременно перемещаясь по длине трубы от сопла к дросселю. При вихревом движении воздуха в трубе происходит его температурное разделение. Более теплый поток перемещается к внутренней стенке корпуса, более холодный поток сосредотачивается у оси трубы. Теплый поток выводится за пределы вихревой трубы через дроссель, как правило, в атмосферу, а холодный поток направляется через диафрагму или трубу малого диаметра для охлаждения. Количество воздуха в теплом и холодном потоках можно регулировать, изменяя площадь проходного сечения дросселя.

Отношение массового расхода холодного потока G_х к общему расходу газа, поступившему в трубу G_об, называется массовой долей холодного потока и обозначается буквой μ, т.е.

Современные конструкции вихревых труб позволяют получить при расширении воздуха в вихревой трубе от давления 0,4–0,8 МПа (4–8 атм.) до атмосферного давления можно получить температуру холодного потока t_х = –2…–80^оС и температуру горячего потока t_г = 100…130^оС. Величина температурного перепада во многом определяется μ.

С точки зрения термодинамики необратимые потери при температурном разделении потоков в вихревой трубе предопределяют больше энергетических затрат, чем при адиабатном расширении, но меньше, чем при дросселировании. Полезно используется только 30% от всего потока.

4 Физические основы получения низких температур. Термоэлектрический эффект Пельтье. Охлаждением называется процесс понижения температуры охлаждаемого тела. Различают естественное и искусственное охлаждение. При естественном охлаждении теплота от более нагретого тела переходит к менее нагретому телу (среде). Искусственное охлаждение предполагает получение температуры охлаждаемой среды ниже температуры окружаемой среды. Для создания низких температур применяют физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К основным физическим процессам, сопровождающимся поглощением теплоты, относится фазовый переход вещества при котором происходит поглощение теплоты извне: плавление или таяние при переходе тела из твёрдого состояния в жидкое, испарение или кипение при переходе тела из жидкого в парообразное состояние, сублимация при переходе тела из твёрдого состояния непосредственно в газообразное. Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических принципах, например адиабатическом дросселировании газа с начальной температурой, меньшей, чем температура верхней точки инверсии; адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы; вихревом эффекте; термоэлектрическом эффекте. Диапазон низких температур - от температур окружающей среды да температур, близких к абсолютному нулю, - условно подразделяют на область умеренно низких (до - 153°C, или 120 k) и криогенных (ниже 120 K) температур. Фазовый переход вещества при плавлении, кипении, сублимации происходит при соответствующих температурах и с поглощением значительного количества теплоты. Получение низких температур в результате использования процесса кипения распространено более широко. С помощью одного вещества можно получить определённый интервал температур, поскольку температура кипения веществ зависит от давления: с уменьшением давления температура кипения его понижается, и наоборот. С помощью различных веществ можно получать низкие температуры в широком диапазоне. Процесс испарения используют, например, для понижения температуры воды или влажных поверхностей. Адиабатическим дросселированием называется процесс необратимого перехода газа (жидкости) с высокого давления на низкое (расширение) при прохождение его через сужение поперечного сечения (перегородка с отверстием, пористая перегородка) без совершения внешней работы и без сообщения и отнятия теплоты. Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окружающей средой практически не происходит и энтальпия1 вещества не изменяется. Полезная же работа не совершается, так как работа проталкивания переходит в теплоту трения. Эффект Пельтье — термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников. Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока: Q = ПАBI = (ПB-ПA)I, где Q — количество выделенного или поглощённого тепла; I — сила тока; П — коэффициент Пельтье, который связан с коэффициентом термо-ЭДС α соотношением Томсона П = αT, где Т — абсолютная температура в K. Эффект открыт Ж. Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году Ленц, который провёл эксперимент, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. При пропускании электрического тока в одном направлении капля превращалась в лёд, при смене направления тока — лёд таял, что позволило установить, что в зависимости от направления протекающего в эксперименте тока, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Эффект Пельтье «обратен» эффекту Зеебека. Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье. Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрический ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать. Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву. Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем, которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

5. Вещества обычно пребывают в одном из трех основных состояний: в виде газа, жидкости или твердого тела. Одно и то же тело, одно и то же вещество при разных условиях может находиться в различных состояниях. В заданных неизменных условиях рассматриваемое вещество всегда будет находиться в одном и том же состоянии, например при атмосферном давлении и температуре 400° С вода будет существовать только в виде пара, но никак не в виде жидкости или твердого вещества.Наиболее удобными и поэтому наиболее распространенными параметрами состояния являются абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем (или плотность) тела. Второй закон термодинамики Первый закон термодинамики, как уже сказано, характеризует процессы превращения энергии с количественной стороны. Второй закон термодинамики характеризует качественную сторону этих процессов. Первый закон термодинамики дает все необходимое для составления энергетического баланса какого-либо процесса. Однако он не дает никаких указаний относительно возможности протекания того или иного процесса. Между тем далеко не все процессы реально осуществимы. Следует подчеркнуть, что второй закон термодинамики, так же как и первый закон, сформулирован на основе опыта. В наиболее общем виде второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым; этот достаточно очевидный вывод уже обсуждался нами в предыдущем параграфе. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями этой наиболее общей формулировки. Р. Клаузиус в 1850 г. дал такую формулировку второго закона термодинамики: теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому. В. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1851 г. следующую формулировку: невозможно припомощи неодушевленного материального агента получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов. М. Планк предложил формулировку: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и охлаждению теплового источника. Под периодически действующей машиной следует понимать двигатель, непрерывно (в циклическом процессе) превращающий тепло в работу. В самом деле, если бы удалось построить тепловой двигатель, который просто отбирал бы тепло от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу, то это противоречило бы сформулированному ранее положению о том, что работа может производиться системой только тогда, когда в этой системе отсутствует равновесие (в частности, применительно к тепловому двигателю — когда в системе имеется разность температур горячего и холодного источников). Если бы не существовало ограничений, накладываемых вторым законом термодинамики, то это означало бы, что можно построить тепловой двигатель при наличии одного лишь источника тепла. Такой двигатель мог бы действовать за счет охлаждения, например, воды в океане. Этот процесс мог бы продолжаться до тех пор, пока вся внутренняя энергия океана не была бы превращена в работу. Тепловую машину, которая действовала бы таким образом, В. Ф. Оствальд удачно назвал вечным двигателем второго рода (в отличие от вечного двигателя первого рода, работающего вопреки закону сохранения энергии). В соответствии со сказанным формулировка второго закона термодинамики, данная Планком, может быть видоизменена следующим образом: осуществление вечного двигателя второго рода невозможно. Следует заметить, что существование вечного двигателя второго рода не противоречит первому закону термодинамики; в самом деле, в этом двигателе работа производилась бы не из ничего, а за счет внутренней энергии, заключенной в тепловом источнике. Следует подчеркнуть важную особенность тепловых процессов. Механическую работу, электрическую работу, работу магнитных сил и т. д. можно без остатка, полностью, превратить в тепло. Что же касается теплоты, то только часть ее может быть превращена в периодически повторяющемся процессе в механическую и другие виды работы; другая ее часть неизбежно должна быть передана холодному источнику.

6 Процесс называют обратимым, если после его завершения тела, принимавшие в нем участие, можно вернуть в первоначальное состояние без каких-либо затрат работы или каких-либо других изменений. Принципиальным является разделение необратимости на внутреннюю и внешнюю.Источниками внутренней необратимости в обратных циклах являются: внутреннее трение частиц рабочего вещества, трение в элементах машины, дросселирование, диффузия, смешение потоков рабочего вещества, химические реакции, неравновесные фазовые превращения. Внешняя необратимость определяется наличием конечной разности температур в процессе теплообмена рабочего вещества с источниками низкой и высокой температур или с окружающей средой.Возможны различные сочетания внутренне и внешне обратимых и необратимых процессов. Их можно классифицировать следующим образом:процессы вполне обратимые как внутренне, так и внешне; процессы внешне обратимые, но внутренне необратимые; процессы внешне необратимые, но внутренне обратимые; процессы необратимые как внешне, так и внутренне. Все без исключения процессы, происходящие в реальных холодильных машинах, относятся к четвертой группе.

Наличие необратимых потерь в обратном цикле ведет к увеличению затраченной работы, которая в этом случае определяется по формуле

где Lmin — работа, затраченная холодильной машиной, рабочее вещество которой совершает обратимый цикл; — дополнительная работа, затраченная на компенсацию необратимых потерь.

Степень термодинамического совершенства цикла определяется коэффициентом обратимости , т. е. с ростом необратимых потерь коэффициент обратимости уменьшается. Связь прямого и обратного циклов. Для того чтобы осуществить обратный цикл, необходимо затратить работу, получаемую в прямом цикле, поэтому для определения эффективности получения холода (в холодильном цикле) или теплоты (в цикле теплового насоса) необходимо рассмотреть совместную работу обратных и прямых циклов. На рисунке изображены обратный и прямой обратимые циклы Карно (циклы I) (1-2-3-4 и 8—7—6—5), в которых используется одно и то же рабочее вещество. Работа, полученная в прямом цикле (в цикле теплового двигателя), , где - работа расширителя и компрессора в прямом цикле. Термический КПД прямого цикла где qп.ц. – теплота затраченная в прямом цикле. Холодильный коэффициент обратного цикла

Прямой и обратный циклы: I — с одинаковыми рабочими веществами; II — с разными рабочими веществами. Условимся, что вся работа прямого цикла используется в обратном цикле без потерь, тогда . Термодинамическая эффективность совместной работы прямого и обратного циклов определяется отношением количества теплоты, подведенной к рабочему веществу обратного цикла, к количеству теплоты, подведенной к рабочему веществу прямого цикла. Это отношение называется тепловым коэффициентом ,