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1、1、绝热节流过程节流是高压流体气体、液体或气液混合物)在稳定流动中，遇到缩口或调节阀门等阻力 元件时由于局部阻力产生，压力显著下降的过程。节流膨胀过程由于没有外功输出，而且工 程上节流过程进行得很快，流体与外界的热交换量可忽略，近似作为绝热过程来处理。根据 稳定流动能量方程:6q=dh+6w (2.1)得出绝热节流前后流体的比焓值不变，由于节流时流体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。绝热节流后，流体的温度如何变化对不同特性的流体而言是不同的。对于任何处于气液 两相区的单一物质，节流后温度总是降低的。这是由于在两相区饱和温度和饱和压力是一一 对应的，饱和温
2、度随压力的降低而降低。对于理想气体，焓是温度的单值函数，所以绝热节 流后焓值不变，温度也不变。对于实际气体，焓是温度和压力的函数，经过绝热节流后，温 度降低、升高和不变3 种情况都可能出现。这一温度变化现象称为焦耳-汤姆逊效应，简称 J-T 效应。2、实际气体的节流效应实际气体节流时，温度随微小压降而产生的变化定义为微分节流效应，也称为焦耳-汤 姆逊系数:ah= (aT/ap)2.2)ah 0表示节流后温度降低，ah 0节流时温度降低；若等于0则ah=0，节流时温度不变；若小于0则ah 0，节流时温度升高。从物理实质出发，可以用气体节流过程中的能量转化关系来解释着三种情况的出现，由于节流前后气
3、体的焓值不变，所以节流前后内能的变化等于进出推动功的差值： u2-u1=p1v1-p2v2 气体的内能包括内动能和内位能两部分，而气体温度是降低、升高、还是不变，仅取决于气体内动 能是减小、增大、还是不变。因气体节流后压力总是降低，比容增大，其内位能总是增大的。由于实际气体与玻义耳定律存在偏差，在某个温度下节流后，pv值的变化可能有以 下 3 种情况: p1v1vp2v2时u2p2v2时u2u1即节流后内能增大。此时，若内能的增加小于内位能的增加， 则内动能是减小的，温度仍是降低;若内能的增加大于内位能的增加，则内动能必然要增大， 温度要上升。由以上分析可知，在一定压力下，气体具有某一温度时，
4、节流后满足p1v1p2v2且pv值的减少量恰好补足了内位能的增量，这时节流前后温度不变，即微分节流效应等于0,这个温 度称为转化温度，以Tinv表示。转化温度的计算和变化关系可根据式(2.5)，令ah=0得到。下面利用范得瓦尔方程予以分析。2a/9Rb(2士)将范德瓦尔方程p=RT/v-b-a/v2在等压下对Ti求导得出(av/aT) p后代入式(2.5)得：Ah=(av/aT)h=(1/cp)(2a(1-b/v)2-RbT)/ (RT-2a/v(1-b/v)2)(2.6)当ah=0时，气体温度即为转化温度。与范德瓦尔方程联立求解得：Tinv=2a/9Rb(20-(3b2/a)p)2(2.7)
5、式(2.7 )表示的转化温度和压力的函数关系在坤图上为一连续曲线，称为转化曲线。如图2.11所示，虚线是按式(2.7)计算得到，实线是通过实验得到。二者的差别是由范德瓦尔 方程在定量上的不准确引起的。转化曲线存在一个最大转化压力pmax。当ppmax时，不存在转化温度;当p=pmax 时，只有一个转化温度;当pvpmax,对应于每个压力郡有两个转化温度，分别称为上转化 温度分别称为上传化温度Ti nv和下转化温度T”i nv转化曲线将T-p两个区域:在转化曲线上， ah=O转化曲线外是制热区ahvO,节流后产生热效应;转化曲线内是制冷区ah0,节流后产 生冷效应。从式(2.7)和图2.11中还
6、可以得出p=0对应气体的最大转化温度Tmax。表2.5 列出了多种气体的最大转化温度。对于大多数气体，如02，N2，CO,空气等，最大转 化温度都高于环境温度，故在环境温度下可以利用焦耳-汤姆逊效应来降温。而Ne, H2， He的最大转化温度比室温低，不能单独用焦耳-汤姆逊效应降温，必须通过预冷或其他膨胀 机来降低节流前的温度，节流后才会产生冷效应。计算积分节流效应的方法很多，可直接将ah的经验公式代入式(2.3)中积分求解，工程 中更实用的方法是采用气体T-s图h-T或者物性数据库来计算。如图2.12所示，从节流前 的状态点1(p1, T1)绘制等熔线,与节流后压力p2等压线交于点2,则两点
7、之间的温差(T1-T2) 即为要求的积分节流效应。图解法使用简便，但精度较差，特别是在低压区，等恰线和等温 线接近平行，误差更大。由于节流前后比焓值是不变的，因此图2.12所示的节流过程12是一个降温而不 制冷的过程。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)，节流后的气体恢复到原来的状态0(P2,T1),所吸收的热量即为单位制 冷量：因此，气体经过等温压缩和节流膨胀之后具有制冷能力，称为等温节流效应-气体 的制冷能力是等温压缩时获得的，又通过节流表现出来。3、绝热节流制冷循环一种简单的绝热节流制冷循环也被称作林德(Linde)
8、循环(见图2.13)。图2.14为循环的 T-s图。在理想情况下，气体在压缩机里进行的是一个等温压缩过程12。实际上，气 体是从低压p1(状态1)压缩到p2,经冷却器等压冷却至常温(状态2,该过程近似地认为压 缩与冷却过程同时进行。压缩后的气体经逆流换热器，与冷气流发生热交换被冷却至较低温 度(状态3),然后经过节流阀膨胀到状态4并进入蒸发器。在蒸发器中，节流后形成的液体 工质从外界吸收热量蒸发，即产生制冷量。处于饱和状态的蒸气通过换热器复热到温度乙(实 际状态I,与状态l存在小的温差)，然后被吸人压缩机，完成整个循环。13林蛊循环慕址圉02.14捕:徳聒环九團林德循环获得的制冷温度可以通过节
9、流阀控制蒸发压力进行调节。制冷温度的下限则受 到三相点温度以及高真空很难维持的限制，要获得比液态N,更低的制冷温度，可采用工质 Ne, H2, He。但这些工质在常温下节流会产生热效应，必须首先将气体温度预冷到转化温 度以下。节流制冷循环的性能系数低，经济性较差，但由于其组成简单、无低温下的运动部件、 可靠性高，所以仍然得到重视。用高压贮气瓶代替压缩机作气源的开式节流制冷循环，更便 于微型化和轻量化，在红外制导等领域得到了广泛使用。目前，节流制冷循环研究的新进展 在于利用混合工质代替纯工质以便达到降低压力、提高效率的目的。4、节流液化循环气体绝热节流可以膨胀到含液量大的气液两相区，其很重要的一个应用是进行气体液 化。气体液化系统与以制取冷量为目的的普通制冷系统区别在于:在普通制冷循环中，制冷 剂进行的是封闭循环过程;而气体液化循环是一开式循环，所用的气体在循环过程中既起制 冷剂的作用，本身又被部分或全部地液化作为液态产品输出。
