Выхлоп или свободный выпуск газа из баллона.

ПРОЦЕСС ВПУСКА

Рассмотрим процесс внешне адиабатного расширения газа при выпуске его из какой-либо емкости (баллона, цилиндра и пр.). Такой процесс часто называют выхлопом или свободным выпуском газа. Этот процесс — один из самых распространенных. Особенно часто его используют в низкотемпературных машинах как один из рабочих процессов циклов этих машин. Схема организации процесса выхлопа весьма проста. Баллон со сжатым газом имеет выпускной клапан, после открытия которого газ быстро вытекает из баллона и направляется в трубопровод .

Процесс выхлопа является нестационарным и неравновесным адиабатным процессом расширения газа с совершением внешней работы. Теплообмен газа со стенками исключен по условию, и не­равновесность обусловлена тем, что при изменении объема силы давления газа на контрольной поверхности системы не уравнове­шены силами противодавления. Начальные параметры газа в баллоне Т_н и p_H. Баллон герметично закрыт клапаном-задвижкой. После осво­бождения задвижка начинает двигаться без трения в выпу­скной трубе. Газ оказывает на задвижку давление, которое по­степенно падает. С другой стороны, на задвижку действует постоян­ная сила противодавления, так как газ вытекает в область по­стоянного давления p_k . Когда давление в баллоне достигнет р_k , задвижка остановится. Через некоторое время после окончания процесса в результате диффузии и смешения во всех частях системы установится рав­новесная температура T_k , кото­рую можно определить из выражения

T_H / T_k = k / [ 1+ (p_k /p_H) (k – 1)]. (2.13)

Снижение температуры газа при одинаковых T_H , p_H , p_k в неравновесном адиабатном процессе меньше, чем в изоэнтропном процессе. Следует обратить внимание на то, что при DP= (p_H - p_k ) ® dp соблюдаются условия квазиравновесия. В этом случае дифференциальные эффекты процесса выхлопа a_B и изоэнтропного процесса практически одинаковы:

a_B = (dT / dp)_B = a_SH = const. ( 2.14 )

Исходя из уравнение (2.14), нетрудно построить линии a_B = a_SH= const для процессов выхлопа в координатах Т — s при заданных T_H и p_H (рис. 2.6.).

Рис. 2.6. Линии процесса выхлопа в диаграмме T-s для воздуха

Из рисунка видно, в частности, что при использовании процесса выхлопа в качестве холодопроизводящего процесса нерациональны большие степени расширения в одной ступени. Чем меньше степень расширения, тем выше эффективность процесса выхлопа.

Если процесс выхлопа рассматривать во времени, то неизбежно приходится учитывать «температурное расслоение», или возник­новение температурного градиента в потоке выходящего из бал­лона газа.

Впервые процесс выхлопа был использован Л. Кальете в 1877 г. для ожижения кислорода и других газов. Затем он при­менен Э. Ольшевским и С. Вроблевским для получения ожиженных газов. В 1932 г. Ф. Симон успешно использовал этот процесс

для ожижения гелия. В 1959 г. У. Гиффорд и Мак-Магон по­строили оригинальный криогенератор, в котором циклически повторялся процесс выхлопа. Процесс свободного выпуска газа использован и в так называемой пульсационной трубе. Процесс выхлопа является одним из важней­ших рабочих процессов поршневых детандеров.

В заключение отметим, что обратным процессу выхлопа по физическому смыслу является процесс впуска газа в какую-либо емкость. В этом случае происходит неравновесное адиабатное сжатие газа, предварительно находившегося в баллоне. Если сжимаемый газ, находившийся в баллоне, остается изолирован­ным от входящих порций свежего газа, то можно записать, что

T_k / T_H = [ 1 + (k - 1) (p_k / p_H )] / k.(2.15)

При впуске газа с температурой T_Bx температуру T_k в бал­лоне после заполнения определяют с учетом смешения газа сжимаемого и вновь поступающего. Выполнив соответствующие вычисления, получим

T_k = (k T_Bx T_H p_k / p_H) / [T_H (p_k / p_H – 1) + k T_Bx. ] . (2.16)

Рассматривая процесс впуска во времени, необходимо также учитывать возникновение температурного градиента в потоке впускаемого газа. Температура в баллоне максимальна вдали от впускного клапана в зоне сжатия газа, находившегося перед впуском. Датчики температуры могут фиксировать кратковременно местное повышение температуры. Наиболее низкие тем­пературы в струях газа вблизи от входного окна или клапана. При интенсивном смешении температурный градиент исчезает, и в баллоне устанавливается температура, теоретически определя­емая уравнением (2.16). Неравномерное поле температур в со­суде, в который входит газ, можно в определенной конструкции стабилизировать во времени и, используя повышение температуры сжимаемого газа для передачи его энергии в окружающую среду, получить охлаждающее устройство. Это показано У. Гиффордом и Р. Лонгсвортом, осуществившими подобные процессы в пуль­сационной трубе .