制冷技術：氣體絕熱節流膨脹制冷

    [中國制冷網]  節流是高壓流體氣體、液體或氣液混合物)在穩定流動中，遇到縮口或調節閥門等阻力元件時由于局部阻力產生，壓力顯著下降的過程。節流膨脹過程由于沒有外功輸出，而且工程上節流過程進行得很快，流體與外界的熱交換量可忽略，近似作為絕熱過程來處理。

    1、絕熱節流過程

    節流是高壓流體氣體、液體或氣液混合物)在穩定流動中，遇到縮口或調節閥門等阻力元件時由于局部阻力產生，壓力顯著下降的過程。節流膨脹過程由于沒有外功輸出，而且工程上節流過程進行得很快，流體與外界的熱交換量可忽略，近似作為絕熱過程來處理。根據穩定流動能量方程:

    δq=dh+δw(2.1)

    得出絕熱節流前后流體的比焓值不變，由于節流時流體內部存在摩擦阻力損耗，所以它是一個典型的不可逆過程，節流后的熵必定增大。

    絕熱節流后，流體的溫度如何變化對不同特性的流體而言是不同的。對于任何處于氣液兩相區的單一物質，節流后溫度總是降低的。這是由于在兩相區飽和溫度和飽和壓力是一一對應的，飽和溫度隨壓力的降低而降低。對于理想氣體，焓是溫度的單值函數，所以絕熱節流后焓值不變，溫度也不變。對于實際氣體，焓是溫度和壓力的函數，經過絕熱節流后，溫度降低、升高和不變3種情況都可能出現。這一溫度變化現象稱為焦耳-湯姆遜效應，簡稱J-T效應。

    2、實際氣體的節流效應

    實際氣體節流時，溫度隨微小壓降而產生的變化定義為微分節流效應，也稱為焦耳-湯姆

    遜系數:

    αh=(ɑT/ɑp)2.2)

    αh>0表示節流后溫度降低，αh<0表示節流后溫度升高。當壓降(P2-P1)為一有限數值時，整個節流過程產生的溫度變化叫做積分節流效應：

    ΔTh=T2-T1=p2p1αhdp(2.3)

    理論上，可以使用熱力學基本關系式推算出αh的表達式進行分析。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，微分節流效應的正負取決于T(αv/aT)p和v的差值。若這一差值大于0，則αh>0節流時溫度降低;若等于0則αh=0，節流時溫度不變;若小于0則αh<0，節流時溫度升高。

    從物理實質出發，可以用氣體節流過程中的能量轉化關系來解釋著三種情況的出現，由于節流前后氣體的焓值不變，所以節流前后內能的變化等于進出推動功的差值：

    u2-u1=p1v1-p2v2

    氣體的內能包括內動能和內位能兩部分，而氣體溫度是降低、升高、還是不變，僅取決于氣體內動

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

    ①p1v1

    ②p1v1=p2v2時u2=u1即節流后內能不變。此時，內位能的增加等于內動能的減少，節流后氣體溫度仍然降低。

    ③p1v1>p2v2時u2>u1即節流后內能增大。此時，若內能的增加小于內位能的增加，則內動能是減小的，溫度仍是降低;若內能的增加大于內位能的增加，則內動能必然要增大，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，節流后滿足p1v1>p2v2且pv值的減少量恰好補足了內位能的增量，這時節流前后溫度不變，即微分節流效應等于0，這個溫度稱為轉化溫度，以Tinv表示。

    轉化溫度的計算和變化關系可根據式(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Ti求導得出(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αh=0時，氣體溫度即為轉化溫度。與范德瓦爾方程聯立求解得：

    Tinv=2a/9Rb(2±√1-(3b2/a)p)2(2.7)

    式(2.7)表示的轉化溫度和壓力的函數關系在坤圖上為一連續曲線，稱為轉化曲線。如圖2.11所示，虛線是按式(2.7)計算得到，實線是通過實驗得到。二者的差別是由范德瓦爾方程在定量上的不準確引起的。

    轉化曲線存在一個最大轉化壓力pmax。當p>pmax時，不存在轉化溫度;當p=pmax時，只有一個轉化溫度;當p0，節流后產生冷效應。從式(2.7)和圖2.11中還可以得出p=0對應氣體的最大轉化溫度Tmax。表2.5列出了多種氣體的最大轉化溫度。對于大多數氣體，如02，N2，，CO，空氣等，最大轉化溫度都高于環境溫度，故在環境溫度下可以利用焦耳-湯姆遜效應來降溫。而Ne，H2，He的最大轉化溫度比室溫低，不能單獨用焦耳-湯姆遜效應降溫，必須通過預冷或其他膨脹機來降低節流前的溫度，節流后才會產生冷效應。

    計算積分節流效應的方法很多，可直接將ah的經驗公式代入式(2.3)中積分求解，工程中更實用的方法是采用氣體T-s圖h-T或者物性數據庫來計算。如圖2.12所示，從節流前的狀態點1(p1，T1)繪制等熔線，與節流后壓力p2等壓線交于點2，則兩點之間的溫差(T1-T2)即為要求的積分節流效應。圖解法使用簡便，但精度較差，特別是在低壓區，等恰線和等溫線接近平行，誤差更大。

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

    因此，氣體經過等溫壓縮和節流膨脹之后具有制冷能力，稱為等溫節流效應-Δht氣體的制冷能力是等溫壓縮時獲得的，又通過節流表現出來。

    3、絕熱節流制冷循環

    一種簡單的絕熱節流制冷循環也被稱作林德(Linde)循環(見圖2.13)。圖2.14為循環的T-s圖。在理想情況下，氣體在壓縮機里進行的是一個等溫壓縮過程1——2。實際上，氣體是從低壓p1(狀態1)壓縮到p2，經冷卻器等壓冷卻至常溫(狀態2，該過程近似地認為壓縮與冷卻過程同時進行。壓縮后的氣體經逆流換熱器，與冷氣流發生熱交換被冷卻至較低溫度(狀態3)，然后經過節流閥膨脹到狀態4并進入蒸發器。在蒸發器中，節流后形成的液體工質從外界吸收熱量蒸發，即產生制冷量。處于飽和狀態的蒸氣通過換熱器復熱到溫度乙(實際狀態I，與狀態l存在小的溫差)，然后被吸人壓縮機，完成整個循環。

    林德循環獲得的制冷溫度可以通過節流閥控制蒸發壓力進行調節。制冷溫度的下限則受到三相點溫度以及高真空很難維持的限制，要獲得比液態N，更低的制冷溫度，可采用工質Ne，H2，He。但這些工質在常溫下節流會產生熱效應，必須首先將氣體溫度預冷到轉化溫度以下。

    節流制冷循環的性能系數低，經濟性較差，但由于其組成簡單、無低溫下的運動部件、可靠性高，所以仍然得到重視。用高壓貯氣瓶代替壓縮機作氣源的開式節流制冷循環，更便于微型化和輕量化，在紅外制導等領域得到了廣泛使用。目前，節流制冷循環研究的新進展在于利用混合工質代替純工質以便達到降低壓力、提高效率的目的。

    4、節流液化循環

    氣體絕熱節流可以膨脹到含液量大的氣液兩相區，其很重要的一個應用是進行氣體液化。氣體液化系統與以制取冷量為目的的普通制冷系統區別在于:在普通制冷循環中，制冷劑進行的是封閉循環過程;而氣體液化循環是一開式循環，所用的氣體在循環過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產品輸出。