节流、膨胀制冷原理

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1、节流膨胀效应1.实际气体的节流，通常把高压流体经管道中的小孔后压力显著降低的过程称为节流，如图1所示。节流前的状态参数为p1、T1、U1，节流后的状态参数为P2、T2、U2。图1节流过程（焦耳-汤姆逊效应） 节流孔径越小，则局部阻力越大，节流前后的压力变化（P1-P2）也越大。反之，就越小。在实际工作中，为了便于调节，通常用调节阀代替固定节流孔。从能量转换的观点看。由于气体经过节流阀小孔时，流速大、时间短，来不及与外界进行热交换，因此节流过程可以近似看作绝热过程。因为节流时有摩擦力损失，所以节流过程是不可逆的。气体在节流时，既无能量

2、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

3、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=0.884×10-6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气体名称dh（℃/at）（10-3K/Pa）（℃/at）（10-3K/Pa）空气氧氮+0.27+0.31+0.26+2.75+0.31+2.65二氧化碳氢氦+1.30–0.03

4、-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

5、。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 气体名称转换温度（k）

6、气体名称转换温度（k）空气氧氮氩650771604765氖氢氦230204246     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=dmΔpdm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

7、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

8、-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