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PUr节流后的状态参数为与、I?、U。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（p -P ）也越大。反之，就越小。在实际1 2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

2、焓值相等h =h。这是节流过程的基本特点。1 2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（ T）与压力降（AP）所成比例关系，即 T=d P 或 d= （ T/A P）（1-14）hAhhd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 h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

3、个大气压以下进行试验得到如下 经验公式 d= （a-bp）（273/T） 2（1-15）h空气 a=2.73X10-a，b=0.0895X10-6氧气a=3.19X 10-3,b=0.884X 10-6表1-1几种常用气体在0C及98kpa时的微分节流效应气体名称d气体名称d(C/at)(10-3K/Pa)(C/at)(10-3K/Pa)空气+0.27+2.75二氧化碳+1.30+13.26氧+0.31+0.31氢-0.03-3.06氮+0.26+2.65氦-0. 0596-6.082. 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d为正值，节流后温度降低；h而氢、氦等气体的d却

4、是负值的，节流后温度要上升。d是正值还是负值，取决于节流前气体的 hh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d。在d等于零时的温度称为转hh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、

5、 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d的变化情况。气体的温度只有在转换曲h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3. 积分节流效应 气体的节流过程总是在较大的压差 P下进行的，相应的温度变化 T,即积 分节流效应，节流所产生的温度变化为： T=d pd是在某一压力范围内的d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，mh读出节流过程的温度变化，如图1-12所示。压缩空气从高压P和温度T绝热

6、节流到P，即从点1 1 21沿等焓线与P等压线交于点2,点2的温度即为节流后的温度T,积分节流效应为2 2 T=T -Th 12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- h表示。r h =h -h =h -h（ 1-16）r 1112节流只是降低气体压力的一种方法，

7、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- h=c Tp（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

8、微分等熵效应，用d表示Sd= （ T/A S） 或厶 T=d s（1-18）sSs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P和温度T，等熵膨胀到低压P，如图1-121 1 2所示，即从点1沿等熵线与P等压线交于点3,点3的温度即等熵膨胀后的温度T，积分等熵效23应为 T=T -TS 13P2由热力性质图可以看出，气体等熵膨胀产生的温差，不但随着肓的比值增大而增加，而且在F1P和P给定的情况下，还随膨胀前温度T而变化。所以，为了获得较大的温度降和单位制冷量，1 2 1P2可采用增加膨胀比（肓）和膨胀前

9、温度的方法，但不是无限制地增加，而是在合理的经济效应 ri范围内。空气在膨胀机中等熵膨胀，温度下降，并输出外功W因此工质具有向外界吸收相当于W的热量mm能力，即膨胀机的制冷量q （由图1-12确定状态点1和3的焓）。pQ =h -hp 131.4.3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 T=T -T，而等熵h 12膨胀所产生温差厶T =T -T = T=（T-T），积分等熵温度效应 T要明显大于积分节流温度效应S 13h23s T。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 h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。