節(jié)流、膨脹制冷原理

1、節(jié)流膨脹效應(yīng)1. 實(shí)際氣體的節(jié)流，通常把高壓流體經(jīng)管道中的小孔后壓力顯著降低的過程稱為節(jié)流，如圖1所示。節(jié)流前的狀態(tài)參數(shù)為p1、 T1、 U1，節(jié)流后的狀態(tài)參數(shù)為P2、 T 2、 U 2。圖 1 節(jié)流過程（焦耳-湯姆遜效應(yīng)）節(jié)流孔徑越小，則局部阻力越大，節(jié)流前后的壓力變化（P1-P2）也越大。反之，就越小。在實(shí)際工作中，為了便于調(diào)節(jié)，通常用調(diào)節(jié)閥代替固定節(jié)流孔。從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)看。由于氣體經(jīng)過節(jié)流閥小孔時(shí)，流速大、 時(shí)間短， 來不及與外界進(jìn)行熱交換，因此節(jié)流過程可以近似看作絕熱過程。因?yàn)楣?jié)流時(shí)有摩擦力損失，所以節(jié)流過程是不可逆的。氣體在節(jié)流時(shí)，既無能量輸出，也無能量輸入，所以氣體節(jié)流前后的能量

2、保持不變，即節(jié)流前后的焓值相等h1=h 2。這是節(jié)流過程的基本特點(diǎn)。理想氣體的焓值只是溫度的函數(shù)，因而理想氣體節(jié)流前后的溫度是不變的。而實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，所以實(shí)際氣體節(jié)流后的溫度是發(fā)生變化的。這種現(xiàn)象稱做節(jié)流效應(yīng)（焦耳-湯姆遜效應(yīng)）。它分為微分節(jié)流效應(yīng)和積分節(jié)流效應(yīng)。微分節(jié)流效應(yīng)是指氣體節(jié)流時(shí)溫度的變化（T）與壓力降（P）所成比例關(guān)系，即T=d h P 或 dh= （ T/ P） h（ 1-14）dh 稱為微分節(jié)流效應(yīng)， 即氣流在節(jié)流時(shí)壓力降為無限小時(shí)所發(fā)生的溫度變化。微分節(jié)流效應(yīng)一般用實(shí)驗(yàn)方法求得，幾種常用氣體的微分節(jié)流效應(yīng)如表所示。對于空氣及氧氣，當(dāng)接近于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的溫度范圍

3、及壓力在100 個(gè) 大氣壓以下進(jìn)行試驗(yàn)得到如下經(jīng)驗(yàn)公式dh= （ a-bp）（ 273/T ） 2（1-15）空氣a=2.73× 10-3，b=0.0895× 10-6氧氣a=3.19× 10-3，b=0.884 × 10-6表 1-1 幾種常用氣體在 0及 98kpa 時(shí)的微分節(jié)流效應(yīng)dd氣體名稱h氣體名稱h（ /at ）（10-3 K/Pa）（ /at ）（10-3 K/Pa）空氣+0.27+2.75二氧化碳+1.30+13.26氧+0.31+0.31氫0.033.06氮+0.26+2.65氦-0. 05966.08編輯版 word2. 轉(zhuǎn)換溫度從表

4、1-1 中的數(shù)值可以看出，空氣、氧氣、氮等氣體的dh 為正值，節(jié)流后溫度降低；而氫、氦等氣體的 dh 卻是負(fù)值的，節(jié)流后溫度要上升。 dh 是正值還是負(fù)值，取決于節(jié)流前氣體的狀態(tài)。對于同一氣體，在不同情況下可以獲得正的、負(fù)的或等于零的dh。在 dh 等于零時(shí)的溫度稱為轉(zhuǎn)換溫度。對于任何壓力有兩個(gè)轉(zhuǎn)換溫度：上限轉(zhuǎn)換溫度和下限轉(zhuǎn)換溫度。為了使氣體節(jié)流后降溫，節(jié)流前的溫度必須低于節(jié)流前壓力下的上限轉(zhuǎn)換溫度。上限轉(zhuǎn)換溫度的數(shù)值與氣體的臨界溫度有關(guān)，氣體的臨界溫度越高，其上限轉(zhuǎn)換溫度也越高。空氣、氧、氮、氬等氣體，轉(zhuǎn)化溫度都大大高于室溫，這些氣體在室溫節(jié)流時(shí)，總是產(chǎn)生冷效應(yīng)，例如你把高壓氧氣鋼瓶閥門打開

5、，使氧氣從高壓鋼瓶中放出， 不久，你就會發(fā)現(xiàn)閥門變冷了，閥門或其后的管道外表將結(jié)露，甚至掛霜。 氖、氫、氦的轉(zhuǎn)換溫度比室溫要低得多，故須用預(yù)冷的方法冷卻到轉(zhuǎn)換溫度以下，節(jié)流才能產(chǎn)生冷效應(yīng)。各種氣體在低壓下的轉(zhuǎn)換溫度如表1-2 所示。從圖 1-11 所示的幾種常用氣體的轉(zhuǎn)換曲線，可以看出dh 的變化情況。氣體的溫度只有在轉(zhuǎn)換曲線以內(nèi)區(qū)域（降溫區(qū)），通過節(jié)流膨脹才能降溫或液化。表 1-2 幾種氣體在低壓下的轉(zhuǎn)換溫度氣體名稱轉(zhuǎn)換溫度氣體名轉(zhuǎn)換溫（ k）稱度（ k）空氣650氖230氧771氫204氮604氦246氬7653. 積分節(jié)流效應(yīng)氣體的節(jié)流過程總是在較大的壓差P 下進(jìn)行的，相應(yīng)的溫度變化T

6、，即積分節(jié)流效應(yīng)，節(jié)流所產(chǎn)生的溫度變化為：T=d m p編輯版 worddm 是在某一壓力范圍內(nèi)的dh 的平均值。積分節(jié)流效應(yīng)還可利用熱力性質(zhì)圖（T-s）上的等焓線，讀出節(jié)流過程的溫度變化，如圖1-12 所示。壓縮空氣從高壓P1 和溫度T1 絕熱節(jié)流到P2，即從點(diǎn)1 沿等焓線與P2 等壓線交于點(diǎn)2，點(diǎn) 2 的溫度即為節(jié)流后的溫度T2，積分節(jié)流效應(yīng)為T h=T 1-T 2圖 1-12 節(jié)流效應(yīng)及等熵膨脹T-s 圖上表示4. 等溫節(jié)流效應(yīng)空氣經(jīng)過節(jié)流，雖然可降低溫度，但對外沒有熱交換，也沒有做功，因此節(jié)流過程本身并沒有產(chǎn)生冷量。空氣等溫壓縮（圖1-12 中 1-1 過程）時(shí)，必須向冷卻水排熱，因此

7、當(dāng)壓縮空氣絕熱節(jié)流時(shí)，溫度下降，這時(shí)空氣具有吸熱能力。當(dāng)空氣自圖1-12 中的點(diǎn)2 狀態(tài)，經(jīng)等壓過程回復(fù)到壓縮前狀態(tài)1 時(shí)，所吸收的熱量稱為等溫節(jié)流效應(yīng)，以- hr 表示。hr =h 1 -h1=h 1 -h2（ 1-16）節(jié)流只是降低氣體壓力的一種方法，把空氣等溫壓縮時(shí)，已具備的制冷內(nèi)因表現(xiàn)出來。等溫節(jié)流效應(yīng)可直接從熱力性質(zhì)圖（T-s 圖）上查到，即等溫壓縮前后的焓差。對于低壓空氣的等溫節(jié)流效應(yīng)， 應(yīng)用圖不易查準(zhǔn)確，因此常采用下式計(jì)算求得h=c p T（ 1-17）氣體的等熵膨脹高壓氣體等熵膨脹時(shí)向外輸出機(jī)械功，這樣消耗了大量氣體內(nèi)能（焓值減?。?。另外，還由于膨脹時(shí)，氣體體積增大，分子距離也

8、要增大，但是分子間有吸引力，為了克服分子間的吸引力而又要消耗氣體分子的一些動能（動能減?。?。這樣氣體分子的內(nèi)能和動能在等熵膨脹時(shí)大量消耗，從而降低了氣體溫度。所以等熵膨脹后，氣體溫度總是下降的。氣體等熵膨脹時(shí)，壓力微小變化所引起的溫度變化稱為微分等熵效應(yīng)，用ds表示ds= （T/S） S 或T=d s s（ 1-18）對于實(shí)際氣體等熵膨脹產(chǎn)生的溫度降，還可采用熱力性質(zhì)圖（T-s 或 h-s 圖）查取積分等熵效應(yīng)。氣體的等熵膨脹制冷通常用膨脹機(jī)來實(shí)現(xiàn)，從高壓p1 和溫度 T 1，等熵膨脹到低壓P2，如圖1-12所示，即從點(diǎn)1 沿等熵線與P2 等壓線交于點(diǎn)3，點(diǎn) 3 的溫度即等熵膨脹后的溫度T3，

9、積分等熵效應(yīng)為T S=T 1-T 3編輯版 word由熱力性質(zhì)圖可以看出，氣體等熵膨脹產(chǎn)生的溫差，不但隨著的比值增大而增加，而且在P1 和 P2 給定的情況下，還隨膨脹前溫度T 1 而變化。 所以， 為了獲得較大的溫度降和單位制冷量，可采用增加膨脹比（）和膨脹前溫度的方法，但不是無限制地增加，而是在合理的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)范圍內(nèi)?？諝庠谂蛎洐C(jī)中等熵膨脹，溫度下降，并輸出外功Wm 因此工質(zhì)具有向外界吸收相當(dāng)于Wm 的熱量能力，即膨脹機(jī)的制冷量qp（由圖 1-12 確定狀態(tài)點(diǎn) 1 和 3 的焓）。Qp=h 1-h 3節(jié)流與等熵膨脹的比較從圖 1-12 上可以看出，在過熱蒸汽區(qū)同樣壓力降下，節(jié)流膨脹所產(chǎn)生的溫差T h=T 1-T2，而等熵膨脹所產(chǎn)生溫差TS=T 1-T 3=T h=（ T2 -T 3），積分等熵溫度效應(yīng)T s要明顯大于積分節(jié)流溫度效應(yīng)T h。這部分溫降是由膨脹機(jī)對外作功所引起的溫度降低。所以，氣體等熵膨脹，無論從溫度效應(yīng)及制冷量來看，比節(jié)流有效得多。除此之外，等熵膨脹還可以回收膨脹功，因而可提高循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)用方面，節(jié)流過程用節(jié)流閥，結(jié)構(gòu)比較間單，也便于調(diào)節(jié)；而等熵膨脹則用膨脹機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜（當(dāng)然膨脹機(jī)還有效率問題） ，不可能實(shí)現(xiàn)等熵膨脹過程，因而能得到的溫度效應(yīng)及制冷量比理論值要小，如圖 1-12 中的 1-3 所示，這就使等熵膨脹過程的優(yōu)點(diǎn)有所減色；節(jié)流閥可以在汽液兩相區(qū)工