Эффект Джоуля — Томсона: изменение температуры при дросселировании реальных жидкостей и газов.

Введение

Феномен изменения температуры неидеальных жидкостей при прохождении через небольшие пространства

В термодинамике эффект Джоуля — Томсона (также известный как эффект Джоуля — Кельвина или эффект Кельвина — Джоуля) описывает изменение температуры реального газа или жидкости (в отличие от идеального газа), когда он проходит через клапан или пористую прокладку при сохранении теплоизоляции, чтобы исключить теплообмен с окружающей средой. Эта процедура называется процессом дросселирования или процессом Джоуля — Томсона. При комнатной температуре все газы, кроме водорода, гелия и неона, охлаждаются при расширении в процессе Джоуля — Томсона при дросселировании через отверстие; эти три газа испытывают тот же эффект, но только при более низких температурах. Большинство жидкостей, таких как гидравлические масла, нагреваются в процессе дросселирования Джоуля — Томсона. Процесс охлаждения газа широко используется в холодильных установках, таких как сжижители в промышленном процессе разделения воздуха. В гидравлике нагревающий эффект дросселирования Джоуля — Томсона может быть использован для обнаружения внутренней утечки клапанов, поскольку они производят тепло, которое можно обнаружить термопарой или тепловизионной камерой. Дросселирование — это принципиально необратимый процесс. Снижение давления из-за сопротивления потоку в линиях подачи, теплообменниках, регенераторах и других компонентах (тепловых) машин является источником потерь, ограничивающих их производительность. Поскольку это процесс с постоянной энтальпией, его можно использовать для экспериментального измерения линий постоянной энтальпии (изоэнтальп) на диаграмме состояния газа. В сочетании с удельной теплоемкостью при постоянном давлении это позволяет полностью измерить термодинамический потенциал газа. Метод расширения, обсуждаемый в этой статье, при котором газ или жидкость под давлением P1 перетекает в область более низкого давления P2 без существенного изменения кинетической энергии, называется расширением Джоуля — Томсона. Расширение по своей сути необратимо. Во время этого расширения энтальпия остается неизменной (см. доказательство ниже). В отличие от свободного расширения, совершается работа, вызывающая изменение внутренней энергии. Увеличение или уменьшение внутренней энергии определяется тем, совершается ли работа над жидкостью или жидкостью; это определяется начальными и конечными состояниями расширения и свойствами жидкости. Изменение температуры, производимое в процессе расширения Джоуля — Томсона, количественно определяется коэффициентом Джоуля — Томсона. Этот коэффициент может быть как положительным (соответствующим охлаждению), так и отрицательным (нагреву); области, где каждый из них наблюдается для молекулярного азота N2, показаны на рисунке. Обратите внимание, что большинство условий на рисунке соответствуют тому, что N2 является сверхкритической жидкостью, где он обладает некоторыми свойствами газа и некоторыми свойствами жидкости, но не может быть точно описан как таковой. Коэффициент отрицателен как при очень высоких, так и при очень низких температурах; при очень высоком давлении он отрицателен при всех температурах. Максимальная температура инверсии (621 К для N2) достигается при приближении к нулевому давлению. Для газа N2 при низком давлении коэффициент отрицателен при высоких температурах и положителен при низких температурах. При температурах ниже кривой сосуществования газ-жидкость N2 конденсируется и образует жидкость, и коэффициент снова становится отрицательным. Таким образом, для газа N2 ниже 621 К расширение Джоуля — Томсона может быть использовано для охлаждения газа до образования жидкого N2.

In thermodynamics, the Joule–Thomson effect (also known as the Joule–Kelvin effect or Kelvin–Joule effect) describes the temperature change of a real gas or liquid (as differentiated from an ideal gas) when it is forced through a valve or porous plug while keeping it insulated so that no heat is exchanged with the environment. This procedure is called a throttling process or Joule–Thomson process. At room temperature, all gases except hydrogen, helium, and neon cool upon expansion by the Joule–Thomson process when being throttled through an orifice; these three gases experience the same effect but only at lower temperatures. Most liquids such as hydraulic oils will be warmed by the Joule–Thomson throttling process. The gas cooling throttling process is commonly exploited in refrigeration processes such as liquefiers in air separation industrial process. In hydraulics, the warming effect from Joule–Thomson throttling can be used to find internally leaking valves as these will produce heat which can be detected by thermocouple or thermal imaging camera. Throttling is a fundamentally irreversible process. The throttling due to the flow resistance in supply lines, heat exchangers, regenerators, and other components of (thermal) machines is a source of losses that limits their performance. Since it is a constant enthalpy process, it can be used to experimentally measure the lines of constant enthalpy (isenthalps) on the diagram of a gas. Combined with the specific heat capacity at constant pressure it allows the complete measurement of the thermodynamic potential for the gas. The method of expansion discussed in this article, in which a gas or liquid at pressure P1 flows into a region of lower pressure P2 without significant change in kinetic energy, is called the Joule–Thomson expansion. The expansion is inherently irreversible. During this expansion, enthalpy remains unchanged (see proof below). Unlike a free expansion, work is done, causing a change in internal energy. Whether the internal energy increases or decreases is determined by whether work is done on or by the fluid; that is determined by the initial and final states of the expansion and the properties of the fluid. The temperature change produced during a Joule–Thomson expansion is quantified by the Joule–Thomson coefficient, This coefficient may be either positive (corresponding to cooling) or negative (heating); the regions where each occurs for molecular nitrogen, N2, are shown in the figure. Note that most conditions in the figure correspond to N2 being a supercritical fluid, where it has some properties of a gas and some of a liquid, but can not be really described as being either. The coefficient is negative at both very high and very low temperatures; at very high pressure it is negative at all temperatures. The maximum inversion temperature (621 K for N2) occurs as zero pressure is approached. For N2 gas at low pressures, is negative at high temperatures and positive at low temperatures. At temperatures below the gas liquid coexistence curve, N2 condenses to form a liquid and the coefficient again becomes negative. Thus, for N2 gas below 621 K, a Joule–Thomson expansion can be used to cool the gas until liquid N2 forms.

Физический механизм

Существует два фактора, которые могут изменить температуру жидкости во время адиабатического расширения: изменение внутренней энергии или преобразование между потенциальной и кинетической внутренней энергией. Температура является мерой теплокинетической энергии (энергии, связанной с молекулярным движением); поэтому изменение температуры указывает на изменение теплокинетической энергии. Внутренняя энергия – это сумма теплокинетической энергии и тепловой потенциальной энергии. Таким образом, даже если внутренняя энергия не меняется, температура может измениться из-за преобразования между кинетической и потенциальной энергией; это происходит при свободном расширении и обычно приводит к снижению температуры по мере расширения жидкости. Если работа совершается над жидкостью или жидкостью при её расширении, то общая внутренняя энергия меняется. Это происходит при расширении Джоуля — Томсона и может вызывать большее нагревание или охлаждение, чем наблюдается при свободном расширении. В расширении Джоуля — Томсона энтальпия остаётся постоянной. Энтальпия, , определяется как

где – внутренняя энергия, – давление и – объём. В условиях расширения Джоуля — Томсона изменение в представляет собой работу, совершённую жидкостью (см. доказательство ниже). Если увеличивается при постоянном , то должно уменьшаться в результате совершения жидкостью работы над окружающей средой. Это приводит к снижению температуры и положительному коэффициенту Джоуля — Томсона. И наоборот, уменьшение означает, что работа совершается над жидкостью, и внутренняя энергия увеличивается. Если увеличение кинетической энергии превышает увеличение потенциальной энергии, произойдёт увеличение температуры жидкости, и коэффициент Джоуля — Томсона будет отрицательным. Для идеального газа не меняется во время расширения Джоуля — Томсона. В результате не происходит изменения внутренней энергии; поскольку также не происходит изменения тепловой потенциальной энергии, не может быть изменений теплокинетической энергии и, следовательно, температуры. В реальных газах изменяется. Отношение значения к значению, ожидаемому для идеального газа при той же температуре, называется коэффициентом сжимаемости. Для газа он обычно меньше единицы при низкой температуре и больше единицы при высокой температуре (см. обсуждение в разделе «Коэффициент сжимаемости»). При низком давлении значение всегда стремится к единице при расширении газа. Таким образом, при низкой температуре и будут увеличиваться по мере расширения газа, что приведёт к положительному коэффициенту Джоуля — Томсона. При высокой температуре и уменьшаются по мере расширения газа; если уменьшение достаточно велико, коэффициент Джоуля — Томсона станет отрицательным. Для жидкостей и сверхкритических жидкостей при высоком давлении увеличивается с увеличением давления, хотя ударная волна отличается тем, что изменение общей кинетической энергии потока газа не является пренебрежимо малым.

Приложения

На практике эффект Джоуля-Томсона достигается путем расширения газа через дросселирующее устройство (обычно клапан), которое должно быть очень хорошо изолировано для предотвращения теплообмена с газом или от него. В процессе расширения из газа не извлекается внешняя работа (например, газ не должен расширяться через турбину). Охлаждение, производимое при расширении Джоуля-Томсона, делает его ценным инструментом в холодильной технике. Эффект применяется в технике Линде как стандартный процесс в нефтехимической промышленности, где охлаждающий эффект используется для сжижения газов, а также во многих криогенных приложениях (например, для производства жидкого кислорода, азота и аргона). Для сжижения циклом Линде газ должен быть ниже температуры инверсии. По этой причине простые сжижители цикла Линде, работающие от комнатной температуры, не могут быть использованы для сжижения гелия, водорода или неона. Их необходимо предварительно охладить до температуры инверсии, которая составляет 233 °C (гелий), 71 °C (водород) и 42 °C (неон). Для доказательства этого первым шагом является вычисление чистой работы, совершаемой при перемещении массы m газа через дроссель. Этот объем газа имеет объем V1 = m v1 в области с давлением P1 (область 1) и объем V2 = m v2 в области с давлением P2 (область 2). Тогда в области 1 "работа потока", совершаемая над объемом газа остальным газом, равна: W1 = m P1v1. В области 2 работа, совершаемая объемом газа над остальным газом, равна: W2 = m P2v2. Следовательно, общая работа, совершаемая над массой m газа, равна изменению внутренней энергии минус общая работа, совершаемая над объемом газа. Согласно первому закону термодинамики, это равно общему теплу, подведенному к объему газа. В процессе Джоуля-Томсона газ изолирован, поэтому тепло не поглощается. Это означает, что где u1 и u2 обозначают удельную внутреннюю энергию газа в областях 1 и 2 соответственно. Используя определение удельной энтальпии h = u + Pv, из вышеприведенного уравнения следует, что где h1 и h2 обозначают удельную энтальпию объема газа в областях 1 и 2 соответственно.

In practice, the Joule–Thomson effect is achieved by allowing the gas to expand through a throttling device (usually a valve) which must be very well insulated to prevent any heat transfer to or from the gas. No external work is extracted from the gas during the expansion (the gas must not be expanded through a turbine, for example). The cooling produced in the Joule–Thomson expansion makes it a valuable tool in refrigeration. The effect is applied in the Linde technique as a standard process in the petrochemical industry, where the cooling effect is used to liquefy gases, and in many cryogenic applications (e. g. for the production of liquid oxygen, nitrogen, and argon). A gas must be below its inversion temperature to be liquefied by the Linde cycle. For this reason, simple Linde cycle liquefiers, starting from ambient temperature, cannot be used to liquefy helium, hydrogen, or neon. They must first be cooled to their inversion temperatures, which are 233 C (helium), 71 C (hydrogen), and 42 C (neon). To prove this, the first step is to compute the net work done when a mass m of the gas moves through the plug. This amount of gas has a volume of V1 = m v1 in the region at pressure P1 (region 1) and a volume V2 = m v2 when in the region at pressure P2 (region 2). Then in region 1, the "flow work" done on the amount of gas by the rest of the gas is: W1 = m P1v1. In region 2, the work done by the amount of gas on the rest of the gas is: W2 = m P2v2. So, the total work done on the mass m of gas is

The change in internal energy minus the total work done on the amount of gas is, by the first law of thermodynamics, the total heat supplied to the amount of gas. In the Joule–Thomson process, the gas is insulated, so no heat is absorbed. This means that

where u1 and u2 denote the specific internal energies of the gas in regions 1 and 2, respectively. Using the definition of the specific enthalpy h = u + Pv, the above equation implies that

where h1 and h2 denote the specific enthalpies of the amount of gas in regions 1 and 2, respectively.

Гроссель на диаграмме T-s

Очень удобным способом получить количественное понимание процесса дросселирования является использование диаграмм, таких как диаграммы h-T, диаграммы h-P и другие. Обычно используются так называемые диаграммы T-s. На рисунке 2 показана T-s диаграмма азота в качестве примера. Различные точки обозначены следующим образом:

Как было показано ранее, дросселирование поддерживает h постоянной величиной. Например, дросселирование из 200 бар и 300 К (точка a на рис. 2) происходит по изоэнтальпической линии (линии постоянной удельной энтальпии) со значением 430 кДж/кг. При 1 бар достигается точка b с температурой 270 К. Таким образом, дросселирование с 200 бар до 1 бар приводит к охлаждению от комнатной температуры до температуры ниже точки замерзания воды. Дросселирование из 200 бар при начальной температуре 133 К (точка c на рис. 2) до 1 бар приводит к точке d, которая находится в двухфазной области азота при температуре 77,2 К. Поскольку энтальпия является экстенсивной величиной, энтальпия в точке d (hd) равна энтальпии в точке e (he), умноженной на массовую долю жидкости в точке d (xd), плюс энтальпия в точке f (hf), умноженная на массовую долю газа в точке d (1 − xd). Следовательно:

Используя численные значения: 150 = xd * 28 + (1 − xd) * 230, откуда xd приблизительно равно 0.40. Это означает, что массовая доля жидкости в жидкостно-газовой смеси, выходящей из дроссельного клапана, составляет 40%.