节流、膨胀制冷原理Word文档格式.doc

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气体在节流时，既无能量输出，也无能量输入，所以气体节流前后的能量保持不变，即节流前后的焓值相等h1=h2。

这是节流过程的基本特点。

理想气体的焓值只是温度的函数，因而理想气体节流前后的温度是不变的。

而实际气体的焓值是温度和压力的函数，所以实际气体节流后的温度是发生变化的。

这种现象称做节流效应（焦耳-汤姆逊效应）。

它分为微分节流效应和积分节流效应。

微分节流效应是指气体节流时温度的变化（ΔT）与压力降（ΔP）所成比例关系，即

ΔT=dhΔΔP或dh=（ΔT/ΔP）h（1-14）

dh称为微分节流效应，即气流在节流时压力降为无限小时所发生的温度变化。

微分节流效应一般用实验方法求得，几种常用气体的微分节流效应如表所示。

对于空气及氧气，当接近于标准状态的温度范围及压力在100个大气压以下进行试验得到如下经验公式dh=（a-bp）（273/T）2（1-15）

空气a=2.73×

10-3，b=0.0895×

10-6

氧气a=3.19×

10-3，b=0.884×

表1-1几种常用气体在0℃及98kpa时的微分节流效应

气体名称

dh

（℃/at）

（10-3K/Pa）

空气

氧

氮

+0.27

+0.31

+0.26

+2.75

+2.65

二氧化碳

氢

氦

+1.30

–0.03

-0.0596

+13.26

–3.06

–6.08

2.转换温度从表1-1中的数值可以看出，空气、氧气、氮等气体的dh为正值，节流后温度降低；

而氢、氦等气体的dh却是负值的，节流后温度要上升。

dh是正值还是负值，取决于节流前气体的状态。

对于同一气体，在不同情况下可以获得正的、负的或等于零的dh。

在dh等于零时的温度称为转换温度。

对于任何压力有两个转换温度：

上限转换温度和下限转换温度。

为了使气体节流后降温，节流前的温度必须低于节流前压力下的上限转换温度。

上限转换温度的数值与气体的临界温度有关，气体的临界温度越高，其上限转换温度也越高。

空气、氧、氮、氩等气体，转化温度都大大高于室温，这些气体在室温节流时，总是产生冷效应，例如你把高压氧气钢瓶阀门打开，使氧气从高压钢瓶中放出，不久，你就会发现阀门变冷了，阀门或其后的管道外表将结露，甚至挂霜。

氖、氢、氦的转换温度比室温要低得多，故须用预冷的方法冷却到转换温度以下，节流才能产生冷效应。

各种气体在低压下的转换温度如表1-2所示。

从图1-11所示的几种常用气体的转换曲线，可以看出dh的变化情况。

气体的温度只有在转换曲线以内区域（降温区），通过节流膨胀才能降温或液化。

表1-2几种气体在低压下的转换温度

转换温度（k）

氩

650

771

604

765

氖

230

204

246

3.积分节流效应气体的节流过程总是在较大的压差ΔP下进行的，相应的温度变化ΔT，即积分节流效应，节流所产生的温度变化为：

ΔT=dmΔp

dm是在某一压力范围内的dh的平均值。

积分节流效应还可利用热力性质图（T-s）上的等焓线，读出节流过程的温度变化，如图1-12所示。

压缩空气从高压P1和温度T1绝热节流到P2，即从点1沿等焓线与P2等压线交于点2，点2的温度即为节流后的温度T2，积分节流效应为　

ΔTh=T1-T2

图1-12节流效应及等熵膨胀T-s图上表示

4.等温节流效应空气经过节流，虽然可降低温度，但对外没有热交换，也没有做功，因此节流过程本身并没有产生冷量。

空气等温压缩（图1-12中1-1\过程）时，必须向冷却水排热，因此当压缩空气绝热节流时，温度下降，这时空气具有吸热能力。

当空气自图1-12中的点2状态，经等压过程回复到压缩前状态1\时，所吸收的热量称为等温节流效应，以-Δhr表示。

Δhr=h1\-h1=h1\-h2　　　　　　　　　　　　　　　　（1-16）

节流只是降低气体压力的一种方法，把空气等温压缩时，已具备的制冷内因表现出来。

等温节流效应可直接从热力性质图（T-s图）上查到，即等温压缩前后的焓差。

对于低压空气的等温节流效应，应用图不易查准确，因此常采用下式计算求得–Δh=cpΔT　　　　　　　（1-17）

1.4.2 气体的等熵膨胀

高压气体等熵膨胀时向外输出机械功，这样消耗了大量气体内能（焓值减小）。

另外，还由于膨胀时，气体体积增大，分子距离也要增大，但是分子间有吸引力，为了克服分子间的吸引力而又要消耗气体分子的一些动能（动能减小）。

这样气体分子的内能和动能在等熵膨胀时大量消耗，从而降低了气体温度。

所以等熵膨胀后，气体温度总是下降的。

气体等熵膨胀时，压力微小变化所引起的温度变化称为微分等熵效应，用ds表示

ds=（ΔT/ΔS）S或ΔT=dsΔs（1-18）

对于实际气体等熵膨胀产生的温度降，还可采用热力性质图（T-s或h-s图）查取积分等熵效应。

气体的等熵膨胀制冷通常用膨胀机来实现，从高压p1和温度T1，等熵膨胀到低压P2，如图1-12所示，即从点1沿等熵线与P2等压线交于点3，点3的温度即等熵膨胀后的温度T3，积分等熵效应为ΔTS=T1-T3

由热力性质图可以看出，气体等熵膨胀产生的温差，不但随着的比值增大而增加，而且在P1和P2给定的情况下，还随膨胀前温度T1而变化。

所以，为了获得较大的温度降和单位制冷量，可采用增加膨胀比（）和膨胀前温度的方法，但不是无限制地增加，而是在合理的经济效应范围内。

空气在膨胀机中等熵膨胀，温度下降，并输出外功Wm因此工质具有向外界吸收相当于Wm的热量能力，即膨胀机的制冷量qp（由图1-12确定状态点1和3的焓）。

Qp=h1-h3

1.4.3 节流与等熵膨胀的比较

从图1-12上可以看出，在过热蒸汽区同样压力降下，节流膨胀所产生的温差ΔTh=T1-T2，而等熵膨胀所产生温差ΔTS=T1-T3=ΔTh=（T2-T3），积分等熵温度效应ΔTs要明显大于积分节流温度效应ΔTh。

这部分温降是由膨胀机对外作功所引起的温度降低。

所以，气体等熵膨胀，无论从温度效应及制冷量来看，比节流有效得多。

除此之外，等熵膨胀还可以回收膨胀功，因而可提高循环的经济性。

在实用方面，节流过程用节流阀，结构比较间单，也便于调节；

而等熵膨胀则用膨胀机，结构复杂（当然膨胀机还有效率问题），不可能实现等熵膨胀过程，因而能得到的温度效应及制冷量比理论值要小，如图1-12中的1-3\\所示，这就使等熵膨胀过程的优点有所减色；

节流阀可以在汽液两相区工作，节流阀出口处允许有很大的带液量；

但要可以带液的两相膨胀机还在研制和试用阶段，其带液量也不能很大。

因此，节流和等熵膨胀的这两个过程，在空气分离设备中都在应用，它们的选择，将依具体条件而定。