節(jié)流、膨脹制冷原理.doc

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(guò)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(guò)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(guò)節(jié)流閥小孔時(shí)，流速大、時(shí)間短，來(lái)不及與外界進(jìn)行熱交換，因此節(jié)流過(guò)程可以近似看作絕熱過(guò)程。因?yàn)楣?jié)流時(shí)有摩擦力損失，所以節(jié)流過(guò)程是不可逆的。氣體在節(jié)流時(shí)，既無(wú)能量輸出，也無(wú)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(guò)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（ΔT）與壓力降（ΔP）所成比例關(guān)系，即 ΔT=dhΔΔP或dh=（ΔT/ΔP）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(wú)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(duì)于空氣及氧氣，當(dāng)接近于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的溫度范圍及壓力在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=2.7310-3， 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(shí)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 +1.30 –0.03 -0. 0596 +13.26 –3.06 –6.08 　 　 　 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)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(duì)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(duì)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?？諝狻⒀?、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(mén)打開(kāi)，使氧氣從高壓鋼瓶中放出，不久，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)閥門(mén)變冷了，閥門(mén)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(guò)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 650 771 604 765 氖 氫 氦 230 204 246 3. 積分節(jié)流效應(yīng) 氣體的節(jié)流過(guò)程總是在較大的壓差ΔP下進(jìn)行的，相應(yīng)的溫度變化ΔT，即積分節(jié)流效應(yīng)，節(jié)流所產(chǎn)生的溫度變化為： ΔT=dmΔp dm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(guò)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　 ΔTh=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(guò)節(jié)流，雖然可降低溫度，但對(duì)外沒(méi)有熱交換，也沒(méi)有做功，因此節(jié)流過(guò)程本身并沒(méi)有產(chǎn)生冷量。 空氣等溫壓縮（圖1-12中1-1\過(guò)程）時(shí)，必須向冷卻水排熱，因此當(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(guò)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-Δhr表示。 Δhr=h1\-h1=h1\-h2　　　　　　　　　　　　　　　?。?-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(lái)。 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(duì)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 –Δh=cpΔT 　　　　　　　（1-17） 1.4.2 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(dòng)能（動(dòng)能減?。?。這樣氣體分子的內(nèi)能和動(dòng)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=（ΔT/ΔS）S或ΔT=dsΔs （1-18） 對(duì)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(lái)實(shí)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(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，積分等熵效應(yīng)為 ΔTS=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(wú)限制地增加，而是在合理的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)范圍內(nèi)。 空氣在膨脹機(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=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(guò)熱蒸汽區(qū)同樣壓力降下，節(jié)流膨脹所產(chǎn)生的溫差ΔTh=T1-T2，而等熵膨脹所產(chǎn)生溫差ΔTS=T1-T3=ΔTh=（T2-T3），積分等熵溫度效應(yīng)ΔTs要明顯大于積分節(jié)流溫度效應(yīng)ΔTh。這部分溫降是由膨脹機(jī)對(duì)外作功所引起的溫度降低。所以，氣體等熵膨脹，無(wú)論從溫度效應(yīng)及制冷量來(lái)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(guò)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(wèn)題），不可能實(shí)現(xiàn)等熵膨脹過(guò)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(guò)程的優(yōu)點(diǎn)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(jī)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(gè)過(guò)程，在空氣分離設(shè)備中都在應(yīng)用，它們的選擇，將依具體條件而定。