制冷与低温技术原理 5 气体膨胀制冷

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1、返回目录5气体膨胀制冷气体膨胀制冷是人工制冷方法中发明最早的方法之一。目前，在气体液化装置及低温制冷机中，主要采用的膨胀制冷方法有：压缩气体绝热节流、等熵膨胀和等温膨胀。前两种方法造成气体降温，有时称为内冷法，后一种方法使气体在等温下吸热。5.1气体绝热节流制冷循环1．实际气体的节流（1）节流过程的热力学特征当气体在管道中流动时，由于局部阻力，如遇到缩口和调节阀门时，其压力显著下降，这种现象叫做节流。工程上由于气体经过阀门等流阻元件时，流速大时间短，来不及与外界进行热交换，可近似地作为绝热过程来处理，称为绝热节流。图5－1绝热节流过程参照图5－1，根据稳定流动能量方程式，得出h=

2、h（5－1）12即气体在绝热节流时，节流前后的比焓值不变。这是节流过程的主要特征。由于节流时气流内部存在摩擦阻力损耗，所以它是一个典型的不可逆过程，节流后的比熵必定增大，即s

3、效应。（2）微分节流效应和积分节流效应根据气体节流前后比焓值相等这一特征，令∂Tα=()（5－3）hh∂p式中α叫做微分节流效应，有时也称作焦耳－汤姆逊系数，可以理解为气体在节流时单h位压降所产生的温度变化。对于正效应，α>0，对于负效应，α<0。一些气体在常温常hh压下的微分节流效应列于表5－1中。表5－1几种气体在273K及98kPa时微分节流效应αhα－3－3气体名称h（10K/kPa）气体名称αh（10K/kPa）空气+2.75二氧化碳+13.26氧+3.16氢-3.06氮+2.65氦-6.08压降Δp＝p2－p1为一有限数值时，节流所产生的温度变化叫做积分节流效应，可按

4、下式计算p2∆T=T−T=αdph21∫hp1由热力学基本关系，可以推出∂T1∂υαh=()h=T−υ（5－4）∂pcp∂Tp如果已知气体的状态方程，则可以算出ah，其正负也可完全确定。对于理想气体,状态方程∂υυpυ=RT()=p∂TT故ah＝0，所以理想气体的微分节流效应为零。3ah的表达式也可通过试验来建立。例如对于空气和氧，在p<15×10kPa时，得到的经验公式如下：2732αh=(a0−b0p)()（5－5）T式中，a0及b0为常数，对于－3－6氧气：a=3.19×10b=0.08840×1000－3－6空气：a=2.73×10b=0.08

5、951×1000T，p的单位分别为K和kPa。积分节流效应还可用T－s图或h－s图求解，其方法如图5－2所示。从节流前的状态点1（p1,T1）画等比焓线，与节流后压力p2的等压线交于点2，则这两点之间的温差（T1－T2）即为要求的积分节流效应。(a)T－s图(b)h－T图图5－2用图解法确定积分节流效应(3)转化温度与转化曲线在一定的压力下，气体具有某一温度时，微分节流效应可以等于零，这个温度叫做转化温度。已知气体的状态方程时，转化温度可以由方程（5－4）计算得到。以下通过范德瓦尔方程分析转化温度的变化关系。对于1摩尔气体，遵守范德瓦尔方程，则有RTap=−（5－6）2υ−bυ将

6、上式代入方程（5－4）中，并令α＝0，得到haRTbRTbp=(1−)(3−1)（5－7）2b2a2a上式表示转化温度与压力的关系，它在T－p图上为一连续曲线。转化温度与压力的关系曲线称作转化曲线。图5－3氮的转化曲线T＝f(p)图5－3示出了氮的转化曲线，虚线是按式（5－7）计算的，实线是用实验方法得到的。图中的T′为上转化温度，T′′为下转化温度。两者的差别是由于范德瓦尔方程在定量上不invinv准确引起的。由上图以及理论分析可知，转化曲线将T－p图分成了制冷和制热两个区域，并存在一个最大转化压力，即对应该压力，只有一个转化温度，大于该压力，不存在转化温度，小于该温度，存在两

7、个转化温度，分别称为上转化温度和下转化温度。转化曲线外，是制热区，α<0，节流后产生热效应，转化曲线内，是制冷区，α>0，节流后产生冷效应。hh因此，在利用气体节流制冷时，气体参数的选择要保证节流前的压力不得超过最大转化压力，节流前的温度必须处于上下转化温度之间。理论分析和实验结果都表明，气体的临界温度越低，其转化温度也越低。表5－2示出十几种气体在低压下的上转化温度及其与临界温度的比值。因大多数气体，如空气，氧，氮，一氧化碳等，转化温度较高，故从室温节流时总是冷效应。氖、氢及氦