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帖子主题:第四节 获得低温的方法
楼主:游客6216 [2003/11/14 15:46:12]

第四节     获得低温的方法

“冷”在工业、国防、农牧业和医疗卫生、商业及尖端科学方面获得广泛的应用。从天然冷源的利用,发展到各种人工制冷获得低温。要使空气液化首先要获得低温,工业上常用的方法有二种,即空气通过节流阀和膨胀机的膨胀制冷获得低温,甚至液化。这二种方法是以气体的膨胀为基础,已应用在气体的分离和液化技术以及气体制冷机中。

1.4.1 节流膨胀效应

1. 实际气体的节流, 通常把高压流体经管道中的小孔后压力显著降低的过程称为节流,如图1-10所示。节流前的状态参数为p1、T1、U1,节流后的状态参数为P2、T2、U2

1-10节流过程(焦耳-汤姆逊效应)

 

节流孔径越小,则局部阻力越大,节流前后的压力变化(P1-P2)也越大。反之,就越小。在实际工作中,为了便于调节,通常用调节阀代替固定节流孔。

从能量转换的观点看。由于气体经过节流阀小孔时,流速大、时间短,来不及与外界进行热交换,因此节流过程可以近似看作绝热过程。因为节流时有摩擦力损失,所以节流过程是不可逆的。气体在节流时,既无能量输出,也无能量输入,所以气体节流前后的能量保持不变,即节流前后的焓值相等h1=h2。这是节流过程的基本特点。

理想气体的焓值只是温度的函数,因而理想气体节流前后的温度是不变的。而实际气体的焓值是温度和压力的函数,所以实际气体节流后的温度是发生变化的。这种现象称做节流效应(焦耳-汤姆逊效应)。它分为微分节流效应和积分节流效应。

微分节流效应是指气体节流时温度的变化(ΔT)与压力降(ΔP)所成比例关系,即

ΔT=dΔP或dh=(ΔT/ΔP)h               (1-14)

dh称为微分节流效应,即气流在节流时压力降为无限小时所发生的温度变化。微分节流效应一般用实验方法求得,几种常用气体的微分节流效应如表所示。

对于空气及氧气,当接近于标准状态的温度范围及压力在100个 大气压以下进行试验得到如下经验公式   dh=(a-bp)(273/T)2                              (1-15)

          空气   a=2.73×10-3  b=0.0895×10-6

          氧气   a=3.19×10-3  b=0.884×10-6

1-1几种常用气体在0℃及98kpa时的微分节流效应

气体名称

dh

气体名称

dh

(℃/at)

10-3K/Pa)

(℃/at)

10-3K/Pa)

空气

+0.27

+0.31

+0.26

+2.75

+0.31

+2.65

二氧化碳

+1.30

0.03

-0. 0596

+13.26

3.06

6.08

 

 

 

 

2. 转换温度从表1-1中的数值可以看出,空气、氧气、氮等气体的dh为正值,节流后温度降低;而氢、氦等气体的dh却是负值的,节流后温度要上升。dh是正值还是负值,取决于节流前气体的状态。

对于同一气体,在不同情况下可以获得正的、负的或等于零的dh。在dh等于零时的温度称为转换温度。

对于任何压力有两个转换温度:上限转换温度和下限转换温度。为了使气体节流后降温,节流前的温度必须低于节流前压力下的上限转换温度。上限转换温度的数值与气体的临界温度有关,气体的临界温度越高,其上限转换温度也越高。空气、氧、氮、氩等气体,转化温度都大大高于室温,这些气体在室温节流时,总是产生冷效应,例如你把高压氧气钢瓶阀门打开,使氧气从高压钢瓶中放出,不久,你就会发现阀门变冷了,阀门或其后的管道外表将结露,甚至挂霜。氖、氢、氦的转换温度比室温要低得多,故须用预冷的方法冷却到转换温度以下,节流才能产生冷效应。各种气体在低压下的转换温度如表1-2所示。

从图1-11所示的几种常用气体的转换曲线,可以看出dh的变化情况。气体的温度只有在转换曲线以内区域(降温区),通过节流膨胀才能降温或液化。

1-2几种气体在低压下的转换温度

 

气体名称

转换温度(k)

气体名称

转换温度(k)

空气

650

771

604

765

230

204

246

 

 

 

 

 

3. 积分节流效应 气体的节流过程总是在较大的压差ΔP下进行的,相应的温度变化ΔT,即积分节流效应,节流所产生的温度变化为:     

ΔT=dmΔp

dm是在某一压力范围内的dh的平均值。积分节流效应还可利用热力性质图(T-s)上的等焓线,读出节流过程的温度变化,如图1-12所示。压缩空气从高压P1和温度T1绝热节流到P2,即从点1沿等焓线与P2等压线交于点2,点2的温度即为节流后的温度T2,积分节流效应为 

ΔTh=T1-T2

1-12节流效应及等熵膨胀T-s图上表示

 

4. 等温节流效应  空气经过节流,虽然可降低温度,但对外没有热交换,也没有做功,因此节流过程本身并没有产生冷量。

空气等温压缩(图1-12中1-1\过程)时,必须向冷却水排热,因此当压缩空气绝热节流时,温度下降,这时空气具有吸热能力。当空气自图1-12中的点2状态,经等压过程回复到压缩前状态1\时,所吸收的热量称为等温节流效应,以-Δhr表示。

Δhr=h1\-h1=h1\-h2                (1-16)

节流只是降低气体压力的一种方法,把空气等温压缩时,已具备的制冷内因表现出来。

等温节流效应可直接从热力性质图(T-s图)上查到,即等温压缩前后的焓差。对于低压空气的等温节流效应,应用图不易查准确,因此常采用下式计算求得 –Δh=cpΔT        (1-17)

1.4.2   气体的等熵膨胀

高压气体等熵膨胀时向外输出机械功,这样消耗了大量气体内能(焓值减小)。另外,还由于膨胀时,气体体积增大,分子距离也要增大,但是分子间有吸引力,为了克服分子间的吸引力而又要消耗气体分子的一些动能(动能减小)。这样气体分子的内能和动能在等熵膨胀时大量消耗,从而降低了气体温度。所以等熵膨胀后,气体温度总是下降的。

气体等熵膨胀时,压力微小变化所引起的温度变化称为微分等熵效应,用ds表示

      ds=(ΔT/ΔS)S或ΔT=dsΔs                    (1-18)

对于实际气体等熵膨胀产生的温度降,还可采用热力性质图(T-s或h-s图)查取积分等熵效应。气体的等熵膨胀制冷通常用膨胀机来实现,从高压p1和温度T1,等熵膨胀到低压P2,如图1-12所示,即从点1沿等熵线与P2等压线交于点3,点3的温度即等熵膨胀后的温度T3,积分等熵效应为             ΔTS=T1-T3

由热力性质图可以看出,气体等熵膨胀产生的温差,不但随着的比值增大而增加,而且在P1和P2给定的情况下,还随膨胀前温度T1而变化。所以,为了获得较大的温度降和单位制冷量,可采用增加膨胀比()和膨胀前温度的方法,但不是无限制地增加,而是在合理的经济效应范围内。

空气在膨胀机中等熵膨胀,温度下降,并输出外功Wm因此工质具有向外界吸收相当于Wm的热量能力,即膨胀机的制冷量qp(由图1-12确定状态点1和3的焓)。

Qp=h1-h3

1.4.3 节流与等熵膨胀的比较

从图1-12上可以看出,在过热蒸汽区同样压力降下,节流膨胀所产生的温差ΔTh=T1-T2,而等熵膨胀所产生温差ΔTS=T1-T3=ΔTh=(T2-T3),积分等熵温度效应ΔTs要明显大于积分节流温度效应ΔTh。这部分温降是由膨胀机对外作功所引起的温度降低。所以,气体等熵膨胀,无论从温度效应及制冷量来看,比节流有效得多。除此之外,等熵膨胀还可以回收膨胀功,因而可提高循环的经济性。

在实用方面,节流过程用节流阀,结构比较间单,也便于调节;而等熵膨胀则用膨胀机,结构复杂(当然膨胀机还有效率问题),不可能实现等熵膨胀过程,因而能得到的温度效应及制冷量比理论值要小,如图1-12中的1-3\\所示,这就使等熵膨胀过程的优点有所减色;节流阀可以在汽液两相区工作,节流阀出口处允许有很大的带液量;但要可以带液的两相膨胀机还在研制和试用阶段,其带液量也不能很大。因此,节流和等熵膨胀的这两个过程,在空气分离设备中都在应用,它们的选择,将依具体条件而定。


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