制冷技術(shù)：氣體絕熱節(jié)流膨脹制冷

    [中國(guó)制冷網(wǎng)]  節(jié)流是高壓流體氣體、液體或氣液混合物)在穩(wěn)定流動(dòng)中，遇到縮口或調(diào)節(jié)閥門(mén)等阻力元件時(shí)由于局部阻力產(chǎn)生，壓力顯著下降的過(guò)程。節(jié)流膨脹過(guò)程由于沒(méi)有外功輸出，而且工程上節(jié)流過(guò)程進(jìn)行得很快，流體與外界的熱交換量可忽略，近似作為絕熱過(guò)程來(lái)處理。

    1、絕熱節(jié)流過(guò)程

    節(jié)流是高壓流體氣體、液體或氣液混合物)在穩(wěn)定流動(dòng)中，遇到縮口或調(diào)節(jié)閥門(mén)等阻力元件時(shí)由于局部阻力產(chǎn)生，壓力顯著下降的過(guò)程。節(jié)流膨脹過(guò)程由于沒(méi)有外功輸出，而且工程上節(jié)流過(guò)程進(jìn)行得很快，流體與外界的熱交換量可忽略，近似作為絕熱過(guò)程來(lái)處理。根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程:

    δq=dh+δw(2.1)

    得出絕熱節(jié)流前后流體的比焓值不變，由于節(jié)流時(shí)流體內(nèi)部存在摩擦阻力損耗，所以它是一個(gè)典型的不可逆過(guò)程，節(jié)流后的熵必定增大。

    絕熱節(jié)流后，流體的溫度如何變化對(duì)不同特性的流體而言是不同的。對(duì)于任何處于氣液兩相區(qū)的單一物質(zhì)，節(jié)流后溫度總是降低的。這是由于在兩相區(qū)飽和溫度和飽和壓力是一一對(duì)應(yīng)的，飽和溫度隨壓力的降低而降低。對(duì)于理想氣體，焓是溫度的單值函數(shù)，所以絕熱節(jié)流后焓值不變，溫度也不變。對(duì)于實(shí)際氣體，焓是溫度和壓力的函數(shù)，經(jīng)過(guò)絕熱節(jié)流后，溫度降低、升高和不變3種情況都可能出現(xiàn)。這一溫度變化現(xiàn)象稱(chēng)為焦耳-湯姆遜效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)J-T效應(yīng)。

    2、實(shí)際氣體的節(jié)流效應(yīng)

    實(shí)際氣體節(jié)流時(shí)，溫度隨微小壓降而產(chǎn)生的變化定義為微分節(jié)流效應(yīng)，也稱(chēng)為焦耳-湯姆

    遜系數(shù):

    αh=(ɑT/ɑp)2.2)

    αh>0表示節(jié)流后溫度降低，αh<0表示節(jié)流后溫度升高。當(dāng)壓降(P2-P1)為一有限數(shù)值時(shí)，整個(gè)節(jié)流過(guò)程產(chǎn)生的溫度變化叫做積分節(jié)流效應(yīng)：

    ΔTh=T2-T1=p2p1αhdp(2.3)

    理論上，可以使用熱力學(xué)基本關(guān)系式推算出αh的表達(dá)式進(jìn)行分析。有焓的特性可知：

    dh=cpdT-[T(αv/aT)p-v]dp(2.4)

    由于焓值不變，dh=0，將上式移項(xiàng)整理可得：

    αh=(αT/αp)h=1/cp[T(αv/αT)p-v](2.5)

    由式(2.3)可知，微分節(jié)流效應(yīng)的正負(fù)取決于T(αv/aT)p和v的差值。若這一差值大于0，則αh>0節(jié)流時(shí)溫度降低;若等于0則αh=0，節(jié)流時(shí)溫度不變;若小于0則αh<0，節(jié)流時(shí)溫度升高。

    從物理實(shí)質(zhì)出發(fā)，可以用氣體節(jié)流過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系來(lái)解釋著三種情況的出現(xiàn)，由于節(jié)流前后氣體的焓值不變，所以節(jié)流前后內(nèi)能的變化等于進(jìn)出推動(dòng)功的差值：

    u2-u1=p1v1-p2v2

    氣體的內(nèi)能包括內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能兩部分，而氣體溫度是降低、升高、還是不變，僅取決于氣體內(nèi)動(dòng)

    能是減小、增大、還是不變。因氣體節(jié)流后壓力總是降低，比容增大，其內(nèi)位能總是增大的。由于實(shí)際氣體與玻義耳定律存在偏差，在某個(gè)溫度下節(jié)流后，pv值的變化可能有以下3種情況:

    ①p1v1

    ②p1v1=p2v2時(shí)u2=u1即節(jié)流后內(nèi)能不變。此時(shí)，內(nèi)位能的增加等于內(nèi)動(dòng)能的減少，節(jié)流后氣體溫度仍然降低。

    ③p1v1>p2v2時(shí)u2>u1即節(jié)流后內(nèi)能增大。此時(shí)，若內(nèi)能的增加小于內(nèi)位能的增加，則內(nèi)動(dòng)能是減小的，溫度仍是降低;若內(nèi)能的增加大于內(nèi)位能的增加，則內(nèi)動(dòng)能必然要增大，溫度要上升。  

    由以上分析可知，在一定壓力下，氣體具有某一溫度時(shí)，節(jié)流后滿(mǎn)足p1v1>p2v2且pv值的減少量恰好補(bǔ)足了內(nèi)位能的增量，這時(shí)節(jié)流前后溫度不變，即微分節(jié)流效應(yīng)等于0，這個(gè)溫度稱(chēng)為轉(zhuǎn)化溫度，以Tinv表示。

    轉(zhuǎn)化溫度的計(jì)算和變化關(guān)系可根據(jù)式(2.5)，令αh=0得到。下面利用范得瓦爾方程予以分析。2a/9Rb(2±)

    將范德瓦爾方程p=RT/v-b-a/v2在等壓下對(duì)Ti求導(dǎo)得出(αv/αT)p后代入式(2.5)得：

    Αh=(αv/αT)h=(1/cp)(2a(1-b/v)2-RbT)/(RT-2a/v(1-b/v)2)(2.6)

    當(dāng)αh=0時(shí)，氣體溫度即為轉(zhuǎn)化溫度。與范德瓦爾方程聯(lián)立求解得：

    Tinv=2a/9Rb(2±√1-(3b2/a)p)2(2.7)

    式(2.7)表示的轉(zhuǎn)化溫度和壓力的函數(shù)關(guān)系在坤圖上為一連續(xù)曲線，稱(chēng)為轉(zhuǎn)化曲線。如圖2.11所示，虛線是按式(2.7)計(jì)算得到，實(shí)線是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到。二者的差別是由范德瓦爾方程在定量上的不準(zhǔn)確引起的。

    轉(zhuǎn)化曲線存在一個(gè)最大轉(zhuǎn)化壓力pmax。當(dāng)p>pmax時(shí)，不存在轉(zhuǎn)化溫度;當(dāng)p=pmax時(shí)，只有一個(gè)轉(zhuǎn)化溫度;當(dāng)p0，節(jié)流后產(chǎn)生冷效應(yīng)。從式(2.7)和圖2.11中還可以得出p=0對(duì)應(yīng)氣體的最大轉(zhuǎn)化溫度Tmax。表2.5列出了多種氣體的最大轉(zhuǎn)化溫度。對(duì)于大多數(shù)氣體，如02，N2，，CO，空氣等，最大轉(zhuǎn)化溫度都高于環(huán)境溫度，故在環(huán)境溫度下可以利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)來(lái)降溫。而Ne，H2，He的最大轉(zhuǎn)化溫度比室溫低，不能單獨(dú)用焦耳-湯姆遜效應(yīng)降溫，必須通過(guò)預(yù)冷或其他膨脹機(jī)來(lái)降低節(jié)流前的溫度，節(jié)流后才會(huì)產(chǎn)生冷效應(yīng)。

    計(jì)算積分節(jié)流效應(yīng)的方法很多，可直接將ah的經(jīng)驗(yàn)公式代入式(2.3)中積分求解，工程中更實(shí)用的方法是采用氣體T-s圖h-T或者物性數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)計(jì)算。如圖2.12所示，從節(jié)流前的狀態(tài)點(diǎn)1(p1，T1)繪制等熔線，與節(jié)流后壓力p2等壓線交于點(diǎn)2，則兩點(diǎn)之間的溫差(T1-T2)即為要求的積分節(jié)流效應(yīng)。圖解法使用簡(jiǎn)便，但精度較差，特別是在低壓區(qū)，等恰線和等溫線接近平行，誤差更大。

    由于節(jié)流前后比焓值是不變的，因此圖2.12所示的節(jié)流過(guò)程1——2是一個(gè)降溫而不制冷的過(guò)程。如果將氣體由起始狀態(tài)0(p2，T1)等溫壓縮到狀態(tài)1(p1,T1)，再令其節(jié)流到狀態(tài)2(P2,T2)，節(jié)流后的氣體恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)0(P2,T1)，所吸收的熱量即為單位制冷量:

    因此，氣體經(jīng)過(guò)等溫壓縮和節(jié)流膨脹之后具有制冷能力，稱(chēng)為等溫節(jié)流效應(yīng)-Δht氣體的制冷能力是等溫壓縮時(shí)獲得的，又通過(guò)節(jié)流表現(xiàn)出來(lái)。

    3、絕熱節(jié)流制冷循環(huán)

    一種簡(jiǎn)單的絕熱節(jié)流制冷循環(huán)也被稱(chēng)作林德(Linde)循環(huán)(見(jiàn)圖2.13)。圖2.14為循環(huán)的T-s圖。在理想情況下，氣體在壓縮機(jī)里進(jìn)行的是一個(gè)等溫壓縮過(guò)程1——2。實(shí)際上，氣體是從低壓p1(狀態(tài)1)壓縮到p2，經(jīng)冷卻器等壓冷卻至常溫(狀態(tài)2，該過(guò)程近似地認(rèn)為壓縮與冷卻過(guò)程同時(shí)進(jìn)行。壓縮后的氣體經(jīng)逆流換熱器，與冷氣流發(fā)生熱交換被冷卻至較低溫度(狀態(tài)3)，然后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥膨脹到狀態(tài)4并進(jìn)入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器中，節(jié)流后形成的液體工質(zhì)從外界吸收熱量蒸發(fā)，即產(chǎn)生制冷量。處于飽和狀態(tài)的蒸氣通過(guò)換熱器復(fù)熱到溫度乙(實(shí)際狀態(tài)I，與狀態(tài)l存在小的溫差)，然后被吸人壓縮機(jī)，完成整個(gè)循環(huán)。

    林德循環(huán)獲得的制冷溫度可以通過(guò)節(jié)流閥控制蒸發(fā)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。制冷溫度的下限則受到三相點(diǎn)溫度以及高真空很難維持的限制，要獲得比液態(tài)N，更低的制冷溫度，可采用工質(zhì)Ne，H2，He。但這些工質(zhì)在常溫下節(jié)流會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，必須首先將氣體溫度預(yù)冷到轉(zhuǎn)化溫度以下。

    節(jié)流制冷循環(huán)的性能系數(shù)低，經(jīng)濟(jì)性較差，但由于其組成簡(jiǎn)單、無(wú)低溫下的運(yùn)動(dòng)部件、可靠性高，所以仍然得到重視。用高壓貯氣瓶代替壓縮機(jī)作氣源的開(kāi)式節(jié)流制冷循環(huán)，更便于微型化和輕量化，在紅外制導(dǎo)等領(lǐng)域得到了廣泛使用。目前，節(jié)流制冷循環(huán)研究的新進(jìn)展在于利用混合工質(zhì)代替純工質(zhì)以便達(dá)到降低壓力、提高效率的目的。

    4、節(jié)流液化循環(huán)

    氣體絕熱節(jié)流可以膨脹到含液量大的氣液兩相區(qū)，其很重要的一個(gè)應(yīng)用是進(jìn)行氣體液化。氣體液化系統(tǒng)與以制取冷量為目的的普通制冷系統(tǒng)區(qū)別在于:在普通制冷循環(huán)中，制冷劑進(jìn)行的是封閉循環(huán)過(guò)程;而氣體液化循環(huán)是一開(kāi)式循環(huán)，所用的氣體在循環(huán)過(guò)程中既起制冷劑的作用，本身又被部分或全部地液化作為液態(tài)產(chǎn)品輸出。