§4.7焦耳-汤姆逊效应与制冷机 §4.7.1制冷循环与制冷系数(一)制冷循环(refrigerator cycle)前面已讨论过p-V图上顺时针循环(热机)的热 力学过程现在讨论逆时针循环(致冷机)的热 力学过程如图所示系统经过一个循环后，从较低温热源取走了一部分热量传到较高温 热源去了这正是制冷 机的原理为了能对制冷机的性能 作出比较，需对制冷机效率作出定义 在制冷机中人们关心的是从低温热源吸走 的总热量｜Q2｜， 其代价是外界必须对制冷机作功 W，故定 义制冷系数(二)制冷系数•因为 冷的数值可以大于1，故 不称为制冷机效率而称为制冷系数三)可逆卡诺制冷机的制冷系数• 所谓可逆卡诺制冷机是由一个温度为T1 可逆 等温压缩过程(这时放热 Q1), • 一个温度为 T2 ( T2 < T1 ) 的可逆等温膨胀 过程 (这时吸热 Q2 ) • 以及一个可逆绝热压缩、一个可逆绝热膨胀 过程所组成的逆向卡诺循环来代表的 • 其制冷系数为可以看到，制冷温度越低， 制冷系数也越小若为绝对 零度，则制冷系数为零§4.7.2 焦耳-汤姆逊效应 • 使物体温度降低的常用方法有下列五种 ： • ① 通过温度更低的物体来冷却； • ② 通过吸收潜热(如汽化热、吸附热、 溶解热、稀释热等)来降温； • ③ 通过绝热膨胀降温； • ④ 温差电致冷(thermo-electric cooling)； • ⑤ 节流膨胀致冷( throttling expansion cooling)。
• 大多数制冷机都是通过工(作媒)质气 体液化来获得低温热源，通过液化工质 的蒸发吸热来提供制冷量的 • 气态工质降温后能以液态出现的有效手 段是节流效应 • 本节中专门介绍焦耳—汤姆逊效应 (Joule-Thomson effect),也称节流效应 ( throttling effect) • 下图为焦耳—汤姆逊实验示意图 • 这种在绝热条件下，高压气体经过多孔塞小 孔、通径很小的伐门、毛细管等流到低压一 边的稳定流动过程称为节流过程目前在工业上是使气体通过节流阀或毛细管 来实现节流膨胀的•实验发现，这时在 •多孔塞两边的气体的 •温度一般并不相等， •温度差的大小和气体 种类及多孔塞两边的 压强的数值有关• 利用下图可讨论节流的热力学过程 • 两端开口的绝热气缸中心有多孔塞，多孔塞两 侧维持不同压强 p1 p2 .•以活塞左边气体为研究对象 ，当气体全部穿过多孔塞以 后，它的状态参量从V1 变为 V2 ，p1变为p2 ,T1变为T2 •设气体都在左边时的内能为U1 ， •气体都在右边时的内能为U2 •气体穿过多孔塞过程中，左边活塞对气体 作功, •气体推动右边活塞作功• 这就是说，绝热节流过程前后的焓不变。
• 显然，所有的理想气体在节流过程前后的温度 都不变这已被实验所证实 • 但对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而 升高，称为负节流效应只有在足够低温度下 才呈现正节流效应 • 低温工程利用节流致冷效应来降低温度• 外界对定量气体所作的净功为• 注意到绝热过程 Q = 0，则由第一定律用以研究节流过程的等焓线• 为了研究在不同压强、温度下的不同种类气体 经节流后的温度变化 ，常由实验在 T – p 图作出各条等焓线实验进行时，高压一边的压强 pi 温度 Ti 先 可任意选定，从而确定某一初态，如图中的i 点所示而节流以后的末态是一系列的点，1 ，2，3，4，5，6，7 ……这些点的焓和i点 的焓是相等的这些点连接成的线就是等焓线 从图可以看见，若节流在“i”点和“4 ”点 的状态间进行，温度将升高；若改在“i”点与“7”点间进行节流过程，温 度就降低 由此看到，等焓线不是节流过程实际进行的图线 它是一系列焓的设置相等的点的集合 节流过程是不可逆过程，在状态图上是不能以一 条实线来表示的§4.7.3气体压缩式制冷机• 气体制冷工质先后经压缩、冷却、 节流膨胀等手段最后制得低温液体 的制 冷机称为气体压缩式制冷机。
• 它分为如下两种：(1) 蒸汽压缩式制冷机 (refrigerator with compressed vapour)• 气体被压缩、冷却到室温后通过节流膨胀能 使气体液化的制冷机称为蒸汽压缩式制冷机 • 如冷库用的冷冻机〔以氨(沸点-33.35℃)为 制冷工质〕、冰箱与空调. • 蒸汽压缩式制冷机的循环过程示于下图 • (二)深度冷冻制冷机 • 若工作气体被压缩冷却到室温后经 节流尚不能使气体液化，其液化温度还 远低于此节流后温度，这时必须改用另 一种称为深度冷冻的循环 • 属于这类制冷机的主要有液氮机 (0.101MPa时的液氮温度为77K)、液氦机 (0.101MPa时的液温度为4.2K)及制氧机 • 工业上制得氧气是先将空气液化，然后 在气液共存情况下，借助氧的沸点(90K) 较高，易于冷凝 ，氮的沸点(77K)较低 易于蒸发的特点，利用分溜等方法将氧 、氮分离的 *§4.7.4热泵型空调器 • l 制冷机也可用来升高温度 • 例如冬天取暖，常采用电加热器，它把电功 直接转变为热后被人们所利用，实际上 这是 很不经济的 • 若把这电功输给一台制冷机，使它从温度较 低的室外或江、河的水中吸取热量向需取暖 的装置输热，这样除电功转变为热外，还额 外从低温吸取了一部分热传到高温热源去， 取暖效率当然要高得多，这种装置 称为热泵 (heat pump)。
• 热泵型空调器就是一台冷冻机，不过将两 只热交换器分别装于室内 与室外，并借助一 只四通阀分别对流进及流出压缩机的高压气 体的流向进行切换如图所示 • 通过四通阀切换•冬天： 制冷机的 高温热源---室内 低温热源---室外•夏天： •制冷机的 •高温热源---室外 •低温热源---室内。