气体绝热流膨胀制冷

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1、1、绝热节流过程　　　　节流是高压流体气体、液体或气液混合物)在稳定流动中，遇到缩口或调节阀门等阻力元件时由于局部阻力产生，压力显著下降的过程。节流膨胀过程由于没有外功输出，而且工程上节流过程进行得很快，流体与外界的热交换量可忽略，近似作为绝热过程来处理。根据稳定流动能量方程:　　　　δq=dh+δw（2.1）　　　　得出绝热节流前后流体的比焓值不变，由于节流时流体内部存在摩擦阻力损耗，所以它是一个典型的不可逆过程，节流后的熵必定增大。　　　　绝热节流后，流体的温度如何变化对不同特性的流体而言是不同的。对于任何处于气液两相区的单一物质

2、，节流后温度总是降低的。这是由于在两相区饱和温度和饱和压力是一一对应的，饱和温度随压力的降低而降低。对于理想气体，焓是温度的单值函数，所以绝热节流后焓值不变，温度也不变。对于实际气体，焓是温度和压力的函数，经过绝热节流后，温度降低、升高和不变3种情况都可能出现。这一温度变化现象称为焦耳-汤姆逊效应，简称J-T效应。　　　　2、实际气体的节流效应　　　　实际气体节流时，温度随微小压降而产生的变化定义为微分节流效应，也称为焦耳-汤姆　　　　逊系数:　　　　αh=（ɑＴ／ɑｐ）２．２）　　　　αh＞０表示节流后温度降低，αh<0表示节流后温

3、度升高。当压降（P2-P1）为一有限数值时，整个节流过程产生的温度变化叫做积分节流效应：　　　　ΔTh=T2-T1=ƒp2p1αhdp（2.3）　　　　理论上，可以使用热力学基本关系式推算出αh的表达式进行分析。有焓的特性可知：　　　　dh=cpdT-[T(αv/aT)p-v]dp(2.4)　　　　由于焓值不变，dh=0，将上式移项整理可得：　　　　αh=（αT/αp）h=1/cp[T(αv/αT)p-v](2.5)　　　　由式（2.3）可知，微分节流效应的正负取决于T(αv/aT)p和v的差值。若这一差值大于0，则αh＞０节流时温度

4、降低；若等于0则αh=０，节流时温度不变；若小于0则αh<０，节流时温度升高。4/4　　　　从物理实质出发，可以用气体节流过程中的能量转化关系来解释着三种情况的出现，由于节流前后气体的焓值不变，所以节流前后内能的变化等于进出推动功的差值：　　　　u2-u1=p1v1-p2v2　　　　气体的内能包括内动能和内位能两部分，而气体温度是降低、升高、还是不变，仅取决于气体内动　　　　能是减小、增大、还是不变。因气体节流后压力总是降低，比容增大，其内位能总是增大的。由于实际气体与玻义耳定律存在偏差，在某个温度下节流后，pv值的变化可能有以下3种

5、情况:　　　　①p1v1p2v2时u2>u1即节流后内能增大。此时，若内能的增加小于内位能的增加，则内动能是减小的，温度仍是降低;若内能的增加大于内位能的增加，则内动能必然要增大，温度要上升。由以上分析可知，在一定压力下，气体具有某一温度时，节流后满足p1v1>p2v2且pv值的减少量恰好补足了

6、内位能的增量，这时节流前后温度不变，即微分节流效应等于0，这个温度称为转化温度，以Tinv表示。　　　　转化温度的计算和变化关系可根据式（2.5），令αh=0得到。下面利用范得瓦尔方程予以分析。2a/9Rb(2±)　　　　将范德瓦尔方程p=RT/v-b-a/v2在等压下对Ti求导得出（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）　　　　当αh=0时，气体温度即为转化温度。与范德瓦尔方程联立求解得：　　　　Tinv=2a/9

7、Rb(2±√1-(3b2/a)p)2（2.7）　　　　式(2.7)表示的转化温度和压力的函数关系在坤图上为一连续曲线，称为转化曲线。如图2.11所示，虚线是按式(2.7)计算得到，实线是通过实验得到。二者的差别是由范德瓦尔方程在定量上的不准确引起的。4/4　　　　转化曲线存在一个最大转化压力pmax。当p>pmax时，不存在转化温度;当p=pmax时，只有一个转化温度;当p

8、曲线外是制热区ah<0，节流后产生热效应;转化曲线内是制冷区ah>0，节流后产生冷效应。从式(2.7)和图2.11中还可以得出p=0对应气体的最大转化温度Tmax。表2.5列出了多种气体的最大转化温度。对于大多数气体，如