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气体尽热节流膨胀制冷技术解析

  【学员问题】气体尽热节流膨胀制冷技术解析?

  【解答】1、尽热节流过程

  节流是高压流体气体、液体或气液混合物)在不变活动中,碰到缩口或调节阀门等阻力元件时由于局部阻力产生,压力明显下降的过程。节流膨胀过程由于没有外功输出,并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,近似作为尽热过程来处理。按照不变活动能量方程:

  δq=dh+δw (2.1)

  得出尽热节流前后流体的比焓值不乱,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成逆过程,节流后的熵肯定增大。

  尽热节流后,流体的温度如何变革对差别特性的流体而言是差别的。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逐一对应的,饱和温度随压力的降低而降低。对于抱负气体,焓是温度的单值函数,所以尽热节流后焓值不乱,温度也不乱。对于实际气体,焓是温度和压力的函数,经过尽热节流后,温度降低、升高和不乱3种情况都可能出现。这一温度变革现象称为焦耳-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革定义为微分节流效应,也称为焦耳-汤姆

  逊系数:

  αh=(ɑT/ɑp) (2.2)

  αh>0体现节流后温度降低,αh<0体现节流后温度升高。当压降(P2-P1)为一有限数值时,整个节流过程产生的温度变革叫做积分节流效应:

  ΔTh=T2-T1= p2p1αhdp (2.3)

  理论上,可以使用热力学基本关系式推算出αh的表达式进行分析。有焓的特性可知:

  dh=cpdT-[T(αv/aT)p-v]dp (2.4)

  由于焓值不乱,dh=0,将上式移项整理可得:

  αh=(αT/αp)h=1/cp[T(αv/αT)p-v] (2.5)

  由式(2.3)可知,微分节流效应的正负取决于T(αv/aT)p和v的差值。若这一差值大于0,则αh>0节流时温度降低;若便是0则αh=0,节流时温度不乱;若小于0则αh<0,节流时温度升高。

  从物理本色出发,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,由于节流前后气体的焓值不乱,所以节流前后内能的变革便是进出鞭策功的差值:

  u2-u1=p1v1-p2v2

  气体的内能包孕内动能和内位能两部分,而气体温度是降低、升高、还是不乱,仅取决于气体内动

  能是减小、增大、还是不乱。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值的变革可能有以下3种情况:

  ①p1v1

  ②p1v1=p2v2时u2=u1即节流后内能不乱。此时,内位能的增加便是内动能的减少,节流后气体温度仍然降低。

  ③p1v1>p2v2时u2>u1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,pk彩票苹果版下载,温度还是降低;若内能的增加大于内位能的增加,则内动能一定要增大,温度要上升。

  由以上分析可知,在必然压力下,气体具有某一温度时,节流后满足p1v1>p2v2且pv值的减少量恰好补足了内位能的增量,pk彩票提现,这时节流前后温度不乱,即微分节流效应便是0,这个温度称为转化温度,以Tinv体现。

  转化温度的计算和变革关系可按照式(2.5),令αh=0得到。下面利用范得瓦尔方程予以分析。2a/9Rb(2±)

  将范德瓦尔方程p=RT/v-b-a/v2在等压下对Ti求导得出(αv/αT)p后代进式(2.5)得:

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

  当αh=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(2±√1-(3b2/a)p)2 (2.7)

  式(2.7)体现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。二者的不同是由范德瓦尔方程在定量上的不正确引起的。

  转化曲线存在一个最大转化压力pmax.当p>pmax时,不存在转化温度;当p=pmax时,只有一个转化温度;当p0,节流后产生冷效应。从式(2.7)中还可以得出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,必需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。