氣體絕熱節(jié)流膨脹制冷

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1、1、絕熱節(jié)流過程　　　　節(jié)流是高壓流體氣體、液體或氣液混合物)在穩(wěn)定流動(dòng)中，遇到縮口或調(diào)節(jié)閥門等阻力元件時(shí)由于局部阻力產(chǎn)生，壓力顯著下降的過程。節(jié)流膨脹過程由于沒有外功輸出，而且工程上節(jié)流過程進(jìn)行得很快，流體與外界的熱交換量可忽略，近似作為絕熱過程來處理。根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程:　　　　δq=dh+δw（2.1）　　　　得出絕熱節(jié)流前后流體的比焓值不變，由于節(jié)流時(shí)流體內(nèi)部存在摩擦阻力損耗，所以它是一個(gè)典型的不可逆過程，節(jié)流后的熵必定增大。　　　　絕熱節(jié)流后，流體的溫度如何變化對(duì)不同特性的流體而言是不同的。對(duì)于任何處于氣液兩相區(qū)的單一物質(zhì)，節(jié)流后溫度總是降低的。這是由于在兩

2、相區(qū)飽和溫度和飽和壓力是一一對(duì)應(yīng)的，飽和溫度隨壓力的降低而降低。對(duì)于理想氣體，焓是溫度的單值函數(shù)，所以絕熱節(jié)流后焓值不變，溫度也不變。對(duì)于實(shí)際氣體，焓是溫度和壓力的函數(shù)，經(jīng)過絕熱節(jié)流后，溫度降低、升高和不變3種情況都可能出現(xiàn)。這一溫度變化現(xiàn)象稱為焦耳-湯姆遜效應(yīng)，簡(jiǎn)稱J-T效應(yīng)?！　　　?、實(shí)際氣體的節(jié)流效應(yīng)　　　　實(shí)際氣體節(jié)流時(shí)，溫度隨微小壓降而產(chǎn)生的變化定義為微分節(jié)流效應(yīng)，也稱為焦耳-湯姆　　　　遜系數(shù):　　　　αh=（ɑＴ／ɑｐ）２．２）　　　　αh＞０表示節(jié)流后溫度降低，αh<0表示節(jié)流后溫度升高。當(dāng)壓降（P2-P1）為一有限數(shù)值時(shí)，整個(gè)節(jié)流過程產(chǎn)生的溫度變化叫

3、做積分節(jié)流效應(yīng)：　　　　ΔTh=T2-T1=?p2p1αhdp（2.3）　　　　理論上，可以使用熱力學(xué)基本關(guān)系式推算出αh的表達(dá)式進(jìn)行分析。有焓的特性可知：　　　　dh=cpdT-[T(αv/aT)p-v]dp(2.4)　　　　由于焓值不變，dh=0，將上式移項(xiàng)整理可得：　　　　αh=（αT/αp）h=1/cp[T(αv/αT)p-v](2.5)　　　　由式（2.3）可知，微分節(jié)流效應(yīng)的正負(fù)取決于T(αv/aT)p和v的差值。若這一差值大于0，則αh＞０節(jié)流時(shí)溫度降低；若等于0則αh=０，節(jié)流時(shí)溫度不變；若小于0則αh<０，節(jié)流時(shí)溫度升高?！　　　奈锢韺?shí)質(zhì)出發(fā)，可以用

4、氣體節(jié)流過程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系來解釋著三種情況的出現(xiàn)，由于節(jié)流前后氣體的焓值不變，所以節(jié)流前后內(nèi)能的變化等于進(jìn)出推動(dòng)功的差值：　　　　u2-u1=p1v1-p2v2　　　　氣體的內(nèi)能包括內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能兩部分，而氣體溫度是降低、升高、還是不變，僅取決于氣體內(nèi)動(dòng)　　　　能是減小、增大、還是不變。因氣體節(jié)流后壓力總是降低，比容增大，其內(nèi)位能總是增大的。由于實(shí)際氣體與玻義耳定律存在偏差，在某個(gè)溫度下節(jié)流后，pv值的變化可能有以下3種情況:　　　?、賞1v1

5、p2v2時(shí)u2=u1即節(jié)流后內(nèi)能不變。此時(shí)，內(nèi)位能的增加等于內(nèi)動(dòng)能的減少，節(jié)流后氣體溫度仍然降低。　　　?、踦1v1>p2v2時(shí)u2>u1即節(jié)流后內(nèi)能增大。此時(shí)，若內(nèi)能的增加小于內(nèi)位能的增加，則內(nèi)動(dòng)能是減小的，溫度仍是降低;若內(nèi)能的增加大于內(nèi)位能的增加，則內(nèi)動(dòng)能必然要增大，溫度要上升。由以上分析可知，在一定壓力下，氣體具有某一溫度時(shí)，節(jié)流后滿足p1v1>p2v2且pv值的減少量恰好補(bǔ)足了內(nèi)位能的增量，這時(shí)節(jié)流前后溫度不變，即微分節(jié)流效應(yīng)等于0，這個(gè)溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度，以Tinv表示?！　　　∞D(zhuǎn)化溫度的計(jì)算和變化關(guān)系可根據(jù)式（2.5），令αh=0得到。下面利用范得瓦爾方程予

6、以分析。2a/9Rb(2±)　　　　將范德瓦爾方程p=RT/v-b-a/v2在等壓下對(duì)Ti求導(dǎo)得出（αv/αT）p后代入式（2.5）得：　　　　Αh=（αv/αT）h=(1/cp)(2a(1-b/v)2-RbT)/（RT-2a/v(1-b/v)2)（2.6）　　　　當(dāng)αh=0時(shí)，氣體溫度即為轉(zhuǎn)化溫度。與范德瓦爾方程聯(lián)立求解得：　　　　Tinv=2a/9Rb(2±√1-(3b2/a)p)2（2.7）　　　　式(2.7)表示的轉(zhuǎn)化溫度和壓力的函數(shù)關(guān)系在坤圖上為一連續(xù)曲線，稱為轉(zhuǎn)化曲線。如圖2.11所示，虛線是按式(2.7)計(jì)算得到，實(shí)線是通過實(shí)驗(yàn)得到。二者的差別是由范德瓦爾

7、方程在定量上的不準(zhǔn)確引起的?！　　　∞D(zhuǎn)化曲線存在一個(gè)最大轉(zhuǎn)化壓力pmax。當(dāng)p>pmax時(shí)，不存在轉(zhuǎn)化溫度;當(dāng)p=pmax時(shí)，只有一個(gè)轉(zhuǎn)化溫度;當(dāng)p0，節(jié)流后產(chǎn)生冷效應(yīng)。從式(2.7)和圖2.11中還可以得出p=0對(duì)應(yīng)氣體的最大轉(zhuǎn)化溫度Tmax。表2.5列出了多種氣體的最大轉(zhuǎn)化溫度。對(duì)于大多數(shù)氣體，如02，N2，