節(jié)流、膨脹制冷原理.doc

《節(jié)流、膨脹制冷原理.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《節(jié)流、膨脹制冷原理.doc（4頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

節(jié)流膨脹效應 1. 實際氣體的節(jié)流， 通常把高壓流體經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） 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，為了便于調節(jié)，通常用調節(jié)閥代替固定節(jié)流孔。 從能量轉換的觀點看。由于氣體經過節(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（焦耳-湯姆遜效應）。它分為微分節(jié)流效應和積分節(jié)流效應。 微分節(jié)流效應是指氣體節(jié)流時溫度的變化（ΔT）與壓力降（ΔP）所成比例關系，即 ΔT=dhΔΔP或dh=（ΔT/ΔP）h （1-14） dh稱為微分節(jié)流效應，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)流效應一般用實驗方法求得，幾種常用氣體的微分節(jié)流效應如表所示。 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 大氣壓以下進行試驗得到如下經驗公式 dh=（a-bp）（273/T）2 （1-15） 空氣 a=2.7310-3， b=0.089510-6 氧氣 a=3.1910-3， b=0.88410-6 表1-1幾種常用氣體在0℃及98kpa時的微分節(jié)流效應 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 +1.30 –0.03 -0. 0596 +13.26 –3.06 –6.08 　 　 　 2. 轉換溫度從表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)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換溫度。 對于任何壓力有兩個轉換溫度：上限轉換溫度和下限轉換溫度。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換溫度。上限轉換溫度的數(shù)值與氣體的臨界溫度有關，氣體的臨界溫度越高，其上限轉換溫度也越高?？諝?、氧、氮、氬等氣體，轉化溫度都大大高于室溫，這些氣體在室溫節(jié)流時，總是產生冷效應，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結露，甚至掛霜。氖、氫、氦的轉換溫度比室溫要低得多，故須用預冷的方法冷卻到轉換溫度以下，節(jié)流才能產生冷效應。各種氣體在低壓下的轉換溫度如表1-2所示。 從圖1-11所示的幾種常用氣體的轉換曲線，可以看出dh的變化情況。氣體的溫度只有在轉換曲線以內區(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換溫度 氣體名稱 轉換溫度（k） 氣體名稱 轉換溫度（k） 空氣 氧 氮 氬 650 771 604 765 氖 氫 氦 230 204 246 3. 積分節(jié)流效應 氣體的節(jié)流過程總是在較大的壓差ΔP下進行的，相應的溫度變化ΔT，即積分節(jié)流效應，節(jié)流所產生的溫度變化為： ΔT=dmΔp dm是在某一壓力范圍內的dh的平均值。積分節(jié)流效應還可利用熱力性質圖（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)流效應為　 ΔTh=T1-T2 圖1-12節(jié)流效應及等熵膨脹T-s圖上表示 4. 等溫節(jié)流效應 空氣經過節(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1-12中的點2狀態(tài)，經等壓過程回復到壓縮前狀態(tài)1\時，所吸收的熱量稱為等溫節(jié)流效應，以-Δhr表示。 Δhr=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，已具備的制冷內因表現(xiàn)出來。 等溫節(jié)流效應可直接從熱力性質圖（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，應用圖不易查準確，因此常采用下式計算求得 –Δh=cpΔT 　　　　　　?。?-17） 1.4.2 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?。?。這樣氣體分子的內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，用ds表示 ds=（ΔT/ΔS）S或ΔT=dsΔs （1-18） 對于實際氣體等熵膨脹產生的溫度降，還可采用熱力性質圖（T-s或h-s圖）查取積分等熵效應。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，積分等熵效應為 ΔTS=T1-T3 由熱力性質圖可以看出，氣體等熵膨脹產生的溫差，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，而是在合理的經濟效應范圍內。 空氣在膨脹機中等熵膨脹，溫度下降，并輸出外功Wm因此工質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-h3 1.4.3 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)流膨脹所產生的溫差ΔTh=T1-T2，而等熵膨脹所產生溫差ΔTS=T1-T3=ΔTh=（T2-T3），積分等熵溫度效應ΔTs要明顯大于積分節(jié)流溫度效應ΔTh。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)的經濟性。 在實用方面，節(jié)流過程用節(jié)流閥，結構比較間單，也便于調節(jié)；而等熵膨脹則用膨脹機，結構復雜（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)點有所減色；節(jié)流閥可以在汽液兩相區(qū)工作，節(jié)流閥出口處允許有很大的帶液量；但要可以帶液的兩相膨脹機還在研制和試用階段，其帶液量也不能很大。因此，節(jié)流和等熵膨脹的這兩個過程，在空氣分離設備中都在應用，它們的選擇，將依具體條件而定。