制冷技术：气体绝热节流膨胀制冷

　　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:

　　δq=dh+δw(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:

　　αh=(ɑT/ɑp)2.2)

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

　　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)

　　由于焓值不变，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;若等于0则αh=0，节流时温度不变;若小于0则αh<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:

　　①p1v1

　　②p1v1=p2v2时u2=u1即节流后内能不变。此时，内位能的增加等于内动能的减少，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，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，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，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)

　　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)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)和图2.11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1——2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-Δht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)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1——2。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。

　　林德循环获得的制冷温度可以通过节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。