節(jié)流過(guò)程的焦耳—湯姆遜效應(yīng)及其應(yīng)用論文

1、2012屆學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文節(jié)流過(guò)程的焦耳一湯姆遜效應(yīng)及其應(yīng)用學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：專業(yè)：物理學(xué)系另4士電子信息與物理系完成時(shí)間：2012年5月節(jié)流過(guò)程的焦耳一湯姆遜效應(yīng)及其應(yīng)用摘要：低溫技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有重要的應(yīng)用。目前常用肖流過(guò)程或者節(jié)流過(guò)程與絕熱膨脹相結(jié)合的方法獲得低溫。關(guān)鍵詞：節(jié)流；低溫；焦耳一湯姆遜效應(yīng)；制冷循環(huán)如圖1所示，管子用不導(dǎo)熱的材料包著，管子中間有一個(gè)多孔塞或節(jié)流閥，多孔塞兩邊各維持著較高的壓強(qiáng)較低的壓強(qiáng)，于是，氣體從高壓的一邊經(jīng)多孔塞不斷的流到低壓的一邊，并達(dá)到定常，這個(gè)過(guò)程就叫做節(jié)流過(guò)程。測(cè)量氣體在多孔塞兩邊的溫度表明，在節(jié)流過(guò)程前后，氣體的溫度發(fā)生了變化，這效應(yīng)稱為

2、焦耳一湯姆遜效應(yīng)。u前常用節(jié)流過(guò)程或者節(jié)流過(guò)程與絕熱膨脹相結(jié)合的方法來(lái)獲取低溫液化氣體。焦湯效應(yīng)的典型大小是，為了使氣體的溫度降至臨界溫度以下而液化，可以令節(jié)流過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，并通過(guò)逆流熱交換器使經(jīng)節(jié)流膨脹降溫后的氣體對(duì)后來(lái)進(jìn)入的氣體進(jìn)行預(yù)冷，從而把各次節(jié)流膨脹所獲得的冷卻效應(yīng)積累起來(lái)。P11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)山于局部阻力產(chǎn)生，壓力顯著下降的過(guò)程。節(jié)流膨脹過(guò)程山于沒(méi)有外功輸由，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：AQ = dH+AW(2.1)得由絕熱節(jié)流

3、前后流體的焙值不變，山于節(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)流后的燔必定增大。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。這是山于在兩相區(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，焙是溫度的單值函數(shù)，所以絕熱節(jié)流后焙值不變，溫度也不變。對(duì)于實(shí)際氣體，焙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)象稱為焦耳-湯姆遜效應(yīng)，簡(jiǎn)稱J-T效，焦湯效應(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

4、效應(yīng)，也稱為焦耳-湯姆遜系數(shù)，表示在焰不變的條件下氣體溫度隨壓強(qiáng)的變化率：(dTp = 6H =(2.2)V &P)H“俵示節(jié)流后溫度降低，vOg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)：ST = T2-T =(P2 P)dHdP(2.3)理論上，可以使用熱力學(xué)基本關(guān)系式推算由的表達(dá)式進(jìn)行分析。有焙的特性可知：dH = CPdT + UT(普)dP(2.4)山于焙值不變，dH=O將上式移項(xiàng)整理可得(2.5)由式(2.3)(2.4)可知，微分節(jié)流效應(yīng)的正負(fù)取決于T 和v的差值。若這一差 6T ) p值大于0,則陽(yáng)0節(jié)流時(shí)溫度降低；若等于

5、0則6H=0,節(jié)流時(shí)溫度不變；若小于0則6H0,節(jié)流時(shí)溫度升高。從物理實(shí)質(zhì)由發(fā)，可以用氣體節(jié)流過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系來(lái)解釋著三種情況的由現(xiàn),山于節(jié)流前后氣體的焰值不變，所以節(jié)流前后內(nèi)能的變化等于進(jìn)由推動(dòng)功的差值：6-3 =的-嶺氣體的內(nèi)能包括內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)勢(shì)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。山于實(shí)際氣體與玻義耳定律存在偏差，在莫個(gè)溫度下節(jié)流后，PU值的變化可能有以下3種惜況：?W-W 時(shí)即節(jié)流后內(nèi)能減小。曲于內(nèi)位能總是增大的，所以內(nèi)動(dòng)能必定減小，那么節(jié)流后氣體溫度降低。嶺時(shí)一即節(jié)流后內(nèi)能不

6、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。W PV2時(shí)/s即節(jié)流后內(nèi)能增大。此時(shí)，若內(nèi)動(dòng)能的增加小于內(nèi)勢(shì)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，氣體具有莫一溫度時(shí)，節(jié)流后滿足py 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)溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度，以 7；蓑示。轉(zhuǎn)化溫度的訃算和變化關(guān)系可根據(jù)式(2.5),令得到。下面利用范得瓦 爾方程予以分析。將范德瓦爾方程：/、P+#(匕- V m /在等壓下對(duì)Ti求導(dǎo)得出后代入式（2.5）得

7、:RbTVRT一(2.6)肖刃7=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2af= 2(2.7)9Rb2 J1-P(一)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，稱為轉(zhuǎn)化曲線。如圖2所示，黃線是按式（2.7）11-算得到，紅線是通過(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)化壓力耳ax。當(dāng)口 化瘁時(shí)，不存在轉(zhuǎn)化溫度；當(dāng)P = PmM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 可以得由尹=0對(duì)應(yīng)氣體的最大轉(zhuǎn)化溫度 Aax o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。2,

8、 “2 , 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, H, 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)。訃算積分節(jié)流效應(yīng)的方法很多，可直接將刃7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。從節(jié) 流前的狀態(tài)點(diǎn)1（片，人）繪制等熔線，與節(jié)流后壓力馬等壓線交于點(diǎn)2,則兩點(diǎn) 之間的溫差（T-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

9、前后焙值是不變的，因此節(jié)流過(guò)程 12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 （由，刁）等溫壓縮到狀態(tài)1 （/,7 ;）,再令其節(jié)流到 狀態(tài)2 （&,石）， 節(jié)流后的氣體恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài) 0 （月J）,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，稱為等溫節(jié)流效應(yīng)，氣體的制冷能力是等溫壓縮時(shí)獲得的，乂通過(guò)節(jié)流表現(xiàn)由來(lái)。3絕熱節(jié)流制冷循環(huán)1TJ h n 2逆施頓為器節(jié)流圖蒸發(fā)器樂(lè)中機(jī)?仆 W、jL液化空rT-S圖一種簡(jiǎn)單的絕熱節(jié)流制冷循環(huán)也被稱作林德（Linde）循環(huán)（見(jiàn)圖3）。圖4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

10、過(guò)程1 2。實(shí)際上，氣體是從低壓人（狀態(tài) 1）壓縮到人，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)1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, H,

11、 Heo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，但山于其組成簡(jiǎn)單、無(wú)低溫下的運(yùn)動(dòng)部件、可幕性高，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。U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LI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L(zhǎng)I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

12、環(huán)，所用的氣體在循環(huán)過(guò)程中既起制冷劑的作用，本身乂被部分或全部地液化作為液態(tài)產(chǎn)品輸由。5結(jié)束語(yǔ)本文通過(guò)理論分析和推導(dǎo)，進(jìn)而得由節(jié)流過(guò)程中的轉(zhuǎn)化溫度，并根據(jù)結(jié)果畫(huà)由節(jié)流過(guò)程的T-P圖像。并山此延伸到其實(shí)際應(yīng)用，以林德循環(huán)為例子對(duì)其在工業(yè)及生活過(guò)程的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。因此，本文對(duì)節(jié)流過(guò)程的討論和分析具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn)：1秦允豪，熱學(xué)M,高等教育由版社2汪志誠(chéng)，熱力學(xué)？統(tǒng)計(jì)物理M,高等教育由版社，56-713曹列兆，低溫物理學(xué)M,中國(guó)科學(xué)技術(shù)由版社10英文摘要:The Joule-Thomson effect in the process of throttling and itsapplicationName: Ni RuifangSupervisor: ZhangShuanzhuAbstract : Low temperature technology have highly important applications in the modern science and technology. The common throttling process or thro