節(jié)流膨脹制冷原理

1、節(jié)流膨脹效應(yīng)1. 實際氣體的節(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、T2、U2。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)換的觀點看。由于氣體經(jīng)過節(jié)流閥小孔時，流速大、時間短，來不及與外界進行熱交換，因此節(jié)流過程可以近似看作絕熱過程。因為節(jié)流時有摩擦力損失，所以節(jié)流過程是不可逆的。氣體在節(jié)流時，既無能量輸出，也無能量輸入，所以氣體節(jié)流前后的能量保持不

2、變，即節(jié)流前后的焓值相等h1=h2。這是節(jié)流過程的基本特點。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。而實際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，所以實際氣體節(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)流時溫度的變化（T）與壓力降（P）所成比例關(guān)系，即T=dhP或dh=（T/P）h （1-14）dh稱為微分節(jié)流效應(yīng)，即氣流在節(jié)流時壓力降為無限小時所發(fā)生的溫度變化。微分節(jié)流效應(yīng)一般用實驗方法求得，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，當接近于標準狀態(tài)的溫度范圍及壓力在100個 大氣壓以下

3、進行試驗得到如下經(jīng)驗公式 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時的微分節(jié)流效應(yīng)氣體名稱dh氣體名稱dh（/at）（10-3K/Pa）（/at）（10-3K/Pa）空氣氧氮+0.27+0.31+0.26+2.75+0.31+2.65二氧化碳氫氦+1.300.03-0. 0596+13.263.066.08 2. 轉(zhuǎn)換溫度從表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)

4、流后溫度降低；而氫、氦等氣體的dh卻是負值的，節(jié)流后溫度要上升。dh是正值還是負值，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、負的或等于零的dh。在dh等于零時的溫度稱為轉(zhuǎn)換溫度。對于任何壓力有兩個轉(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?？諝?、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，總是產(chǎn)生冷效應(yīng)，例如你把高壓氧氣鋼瓶閥門打開，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

5、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（k）氣體名稱轉(zhuǎn)換溫度（k）空氣氧氮氬650771604765氖氫氦230204246     3. 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下進行的，相應(yīng)的溫度變化T，即積分節(jié)流效應(yīng)，節(jié)流所

6、產(chǎn)生的溫度變化為： T=dmpdm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1沿等焓線與P2等壓線交于點2，點2的溫度即為節(jié)流后的溫度T2，積分節(jié)流效應(yīng)為Th=T1-T2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，必須向冷卻水排熱，因此當壓縮空氣絕熱節(jié)流時，溫度下降，這時空氣具有吸熱能力。當空氣自圖

7、1-12中的點2狀態(tài)，經(jīng)等壓過程回復(fù)到壓縮前狀態(tài)1時，所吸收的熱量稱為等溫節(jié)流效應(yīng)，以-hr表示。hr=h1-h1=h1-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，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)用圖不易查準確，因此常采用下式計算求得 h=cpT （1-17）氣體的等熵膨脹高壓氣體等熵膨脹時向外輸出機械功，這樣消耗了大量氣體內(nèi)能（焓值減?。?。另外，還由于膨脹時，氣體體積增大，分子距離也要增大，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?。?。

8、這樣氣體分子的內(nèi)能和動能在等熵膨脹時大量消耗，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，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=dss （1-18）對于實際氣體等熵膨脹產(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來實現(xiàn)，從高壓p1和溫度T1，等熵膨脹到低壓P2，如圖1-12所示，即從點1沿等熵線與P2等壓線交于點3，點3的溫度即等熵膨脹后的溫度T3，積分等熵效應(yīng)為 TS=T1-T3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

9、給定的情況下，還隨膨脹前溫度T1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)濟效應(yīng)范圍內(nèi)?？諝庠谂蛎洐C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于Wm的熱量能力，即膨脹機的制冷量qp（由圖1-12確定狀態(tài)點1和3的焓）。Qp=h1-h31.4.3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Th=T1-T2，而等熵膨脹所產(chǎn)生溫差TS=T1-T3=Th=（T2-T3），積分等熵溫度效應(yīng)Ts要明顯大于積分節(jié)流溫度效應(yīng)Th。這部分溫降是由膨脹機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)濟性。在實用方面，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，結(jié)構(gòu)復(fù)雜（當然膨脹機還有效率問題），不可能實現(xiàn)等熵膨脹過程，因而能得到的溫度效應(yīng)