Принципові схеми роботи холодильних машин, що використовують методи адіабатного розширення і дроселювання
Циклічно працююча машина для охолодження газу і його зрідження за методом дроселювання (ефекту Джоуля-Томсона) була запропонована у 1895р. інженерами Хемпсоном (Англія) і Лінде (Германія) незалежно один від одного.
Циклічно працююча машина для охолодження і зрідження газів за методом адіабатного розширення була запатентована Сіменсом ще у 1857р. Проте лише французькому інженеру Клоду в 1902р. за допомогою такого циклу вдалося отримати рідке повітря. Тому цей цикл отримання низьких температур і зрідження газів одержав назву методу Клода.
Подібно тому, як у тепловому двигуні його головна задача – здійснення роботи – досягається при розширенні газу, так і в холодильних машинах їхня мета – охолодження – досягається при розширенні газу. Тому спочатку газ повинен бути стиснутий компресором. Робота, що здійснюється компресором, і є тією роботою, за рахунок якої стає можливою у подальшому (при адіабатному розширенні) передача тепла від холодного тіла до теплого. Але при стисненні газу він нагрівається, що, звичайно, зменшує ефективність подальшого його охолодження при розширенні. Тому тепло, яке виділяється при стисненні, відводиться (наприклад, проточною водою) так, що процес стиснення може вважатися ізотермічним (T = const).
Поршень компресора 1 стискує газ у циліндрі 2. При цьому газ нагрівається. Стиснений і нагрітий газ, залишаючи циліндр, охолоджується проточною водою в резервуарі 5. Далі в установках Клода (рис.1) газ потрапляє в циліндр детандера 4 (тобто в ту частину машини, де відбувається розширення газу). В детандері газ адіабатично розширюється, виконуючи роботу по переміщені поршня 3. В установках Хемпсона-Лінде (рис.2) замість детандера знаходиться вентиль 3, через вузький отвір якого і відбувається дроселювання газу (розширення без здійснення роботи).
В обох випадках газ охолоджується. Далі газ, перш ніж знову повернутися в циліндр 2, проходить крізь допоміжний пристрій 6, що називається теплообмінником. Звичайно теплообмінник являє собою подвійну трубу. По внутрішній трубі йде газ, що потрапляє в детандер або вентиль, а по зовнішній повертається охолоджений газ. Цей охолоджений раніше газ, що тече по зовнішній трубі, знижує (додатково до зниження температури за рахунок води) температуру газу, що тече по внутрішній трубі до вентиля чи детандера. В цьому і полягає значення теплообмінника. Таким чином, після кожного ходу поршню в детандер чи до вентилю буде підходити все більш холодний газ. Нарешті, настає такий момент, коли після чергового адіабатичного розширення чи дроселювання газ починає зріджуватися.
Рисунок 1 - Схема машини Клода.
поршень компресора
циліндр компресора
поршень детандера
циліндр детандера
резервуар з проточною водою
теплообмінник
Рисунок 2 - Схема машини Хемпсона-Лінде.
(3- вентиль (замість детандера))
Описані цикли призначені для неперервного зрідження газів. Простіше здійснювати зрідження періодично методом однократного адіабатного розширення стисненого (і після стиснення охолодженого) газу.
Таким методом, який почали застосовувати лише з 1932 і 1935р., можна досягти успіху лише в тому випадку, коли теплоємкість посудини менше теплоємкості газу, що в ній знаходиться. Ця умова виконується лише при дуже низьких температурах, коли теплоємкість твердих тіл сильно спадає. Тому даний метод застосовується на практиці лише для зрідження водню і гелію.
Машини, в яких використовують адіабатичне розширення газу і ефект Джоуля-Томсона називають детандерами.
Метод охолодження, заснований на ефекті Джоуля-Томсона, є більш простим у використанні, ніж метод, в основі якого лежить адіабатне розширення газу. Зокрема, в ньому не виникає проблема змазування рухомих частин при низьких температурах, бо таких деталей при низьких температурах просто немає.
Ефективність охолодження методом Клода звичайно більша. Але даний метод технічно більш складно реалізувати. Так в методі Клода мастило, що використовують для змазування рухомих вузлів, при низьких температурах замерзає. Клод використовував для змазки прокладки з сухої шкіри.
Радянський фізик П. Капіца для вирішення проблеми змазування в машинах запропонував використати повітряний зазор замість змазки і замінити поршневий детандер турбіною. Сучасні потужні машини для зрідження газів працюють за принципом турбодетандера.