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绝热节流

绝热节流

当气体在管道中流动时,由于局部阻力,如遇到缩口和调节阀门时,其压力显著下降,这种现象叫做节流。工程上由于气体经过阀门等流阻元件时,流速大时间短,来不及与外界进行热交换,可近似的作为绝热过程来处理,称为绝热节流。

因为过程中流体与外界无热量交换,亦无净功量的交换,如果保持流体在节流后的高度和流速不变,即无重力位能和宏观动能的变化(或变化小到可以忽略不计),则节流后流体的焓h2与节流前的焓h1相等,即

h2 = h1

同时,因绝热节流是不可逆的绝热过程,节流后流体的熵必然增大,有

s2 > s1

气态流体经绝热节流后,比体积随压力降低而增大,即v2>v1;而液态流体的比体积节流前后变化很小。

绝热节流前后流体(流体、气体)的温度变化称为节流的温度效应。节流后流体的温度降低(T2<T1),称为节流冷效应;节流后流体的温度升高(T2>T1),称为节流热效应;节流前后流体的温度相等(T2=T1),称为节流零效应。节流的温度效应与流体的种类、节流前所处的状态以及节流前后压力降落的大小有关。

绝热节流的温度效应可用绝热节流系数 表征。对于压降很小的节流过程,mJ>0,表示节流冷效应;mJ<0,表示节流热效应;mJ=0,表示节流零效应,称为微分节流效应。对于有限压降的绝热节流过程,温度变化可沿连接节流前、后状态的定焓线用如下积分式计算:称为积分节流效应。

测定绝热节流系数的实验叫作焦耳-汤姆逊实验。保持流体进口状态1不变,而用改变节流阀门开度或改变流体流量等方法,可以得到流体经过节流后的不同出口状态2a、2b、2c…。测出各状态的压力和温度值,并把它们表示在Tp坐标图上。流体在节流前、后焓值相等,即状态点1、2a、2b、2c…有相同的焓值,它们的连线是一条定焓线。改变进口状态1,重复进行上述实验,就可得出一系列不同数值的定焓线,并可在Tp图上描出定焓线簇。在任意的一个状态点上,定焓线的斜率就是实验流体处于该处状态时的绝热节流系数mJ。

注意,定焓线并非绝热节流过程线,只是液体绝热节流前、后的状态落在同一条定焓线上。节流过程是典型的不可逆过程,过程中流体处于极不平衡的状态,不能在状态参数坐标图上用曲线表示出来。

在一定的焓值范围内,每一条定焓线有一个温度最大值点,如12e线上的M 点。在这个点上,这个点称为转变点,其温度称为转变温度Ti。把所有定焓线上的转变点连结起来,就得到一条转变曲线。转变曲线将Tp图分成两个区域:在曲线与温度轴包围的区域内恒有mJ>0,发生在这个区域内的绝热节流过程总是呈节流冷效应,称为冷效应区;在转变曲线以外的区域内,恒有mJ<0,发生在该区域内的绝热节流过程总是呈节流热效应,称为热效应区。如果流体的进口状态处于热效应区,而经绝热节流后的出口状态进入冷效应区,那么呈现的温度效应就与压力降落的范围有关。例如,节流前流体处于图中的2a状态,当压降不很大,而节流后状态落在2d点(它与2a点温度相等)的右侧时,可呈节流热效应;但当压降足够大,使节流后的状态落在2d点左侧时,则将呈节流冷效应。压降愈大,流体温度降低愈甚。

转变曲线具有一个压力为最大值的极点。这一点的压力pN称最大转变压力。流体在大于pN的压力范围内不会发生节流冷效应。数值小于pN的任一定压线p与转变曲线有两个交点,对应着两个温度值T1和T2,分别叫作对应于压力p的上转变温度和下转变温度。转变曲线与温度轴(p→0)上方的交点(K点)对应的温度是最大转变温度TK,下方的交点对应最小转变温度Tmin。流体温度高于最大转变或低于最小转变温度时,不可能发生节流冷效应。

节流致冷是获得低温的一种常用方法,特别是在空气和其它气体的液化以及低沸点制冷剂的制冷工程中。节流致冷时,流体的初始温度应该低于最大转变温度TK。一般气体的TK远高于室温,约为临界温度的4.85~6.2倍。如二氧化碳的 &raquo;1 500K,氩气的TK(Ar)=732K,氮气的 ,空气的TK(Air)=603K。对于最大转变温度低于室温的气体,例如氢 和氦 ,则必须将它们预先冷却到TK以下,方能得到节流致冷的效果。

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