气体膨胀制冷原理

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1、气体膨胀制冷气体膨胀制冷是利用高压气体的绝热膨胀来达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷的，由于气体绝热膨胀的设备不同，一般有两种方式:一种是将高压气体经膨胀机膨胀，有外功输出，因而气体的温降大，复热时制冷量也大，但膨胀机结构比较复杂，另一种方式是令气体经节流阀膨胀，无外功输出，气体的温降小，制冷量也小，但节流阀的结构比较简单，便于进行气体流量的调节。本章介绍了气体绝热节流循环、布雷顿制冷循环、克劳特制冷循环、斯特林制冷循环和维米勒尔制冷循环的基本原理及其研究状况，并对其应用现状作了简要的叙述。1.2.1气体绝热节流制冷循环实际气体的节流（1）节流

2、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1绝热节流过程参照图1，根据稳定流动能量方程式，得出（1）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，节流后的熵必定增大，即（2）这是节流过程的另一个主要特征。实验发现，实际气体节流前后的温度一般将发生变化。气体在节流过程中的温度变化叫做焦耳－汤姆逊效

3、应（简称焦－汤效应）。造成这种现象的原因是因为实际气体的焓值不仅是温度的函数，而且也是压力的函数。大多数实际气体在室温下的节流过程中都有冷却效应，即通过节流元件后温度降低，这种温度变化叫做正焦耳－汤姆逊效应。少数气体在室温下节流后温度升高，这种温度变化叫做负焦耳－汤姆逊效应。（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（13）式中αh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位压降所产生的温度变化。对于正效应，αh>0，对于负效应，αh<0。一些气体在常温常压下的微分节流效应列于表1中。压降为一有限数值Δp＝

4、p2－p1时，节流所产生的温度变化叫做积分节流效应，可按下式计算由热力学基本关系，可以推出（4）如果气体的状态方程是已知的，则ah就可以算出，其正负也可完全确定。对于理想气体,状态方程故αh＝0，所以理想气体的微分节流效应为零。αh的表达式也可通过试验来建立。例如对于空气和氧，在p<15×103kPa时，得到的经验公式如下：（5）式中，a0及b0为常数，对于T，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2所示。从节流前的状态点1（p1,T1）画等焓线，与节流后压力p2等压线交于点2，则这两点之间的温差（T1－T2）即为要求的积

5、分节流效应。（a）（b）图2用图解法确定积分节流效应a）T－s图b）h－T图(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（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（6）将上式代入方程（4）中，并令αh＝0，得到（7）上式表示出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3示出了氮的转化曲线，虚线是按式（7）计算的，实线是用实验方法得到的，图3氮的转化曲线T＝f(

6、p)二者的差别是由于范德瓦尔方程在定量上不准确引起的。由上图以及理论分析可知，转化曲线将T－p图分成了制冷区和制热区两个区域，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，αh<0，节流后产生热效应，转化曲线内，是制冷区，αh>0，节流后产生冷效应。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2示出十几

7、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、氢及氦的转化温度比室温低，必须用预冷的方法，使其降温到上转化温度以下，节流后才会产生冷效应。（4）等温节流效应如图2a所示，如果将气体由起始状态0（p2,T1）等温压缩到状态1(p1,T1)，再令其节流到状态2（p2,T2），则气体的温度由T1降到T2。令节流后的气体在等压下吸热，则可以恢复到原来的状态0（p2,T1），所吸收的热量即单位质量制冷量（简称为单位制冷量）q0（8）应用等温节流效应来计算气体制冷机和液化装置的制冷量是很

8、方便的。气体经过等温压缩