理论教育 优化膨胀问题的节流方法

优化膨胀问题的节流方法

时间:2023-06-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:如将30℃的氟利昂12的饱和液体经膨胀阀绝热节流为终压0.10041MPa的饱和蒸气,其终了温度可达-30℃,即可输入冷库制冷。[例11.5]在25℃时,某气体的p-V-T可表达为pV=RT+6.4×104p,在25℃,30MPa时将该气体进行节流膨胀,问膨胀后气体的温度上升还是下降?解:判断节流膨胀的温度变化,依据焦耳-汤姆孙效应系数μJ,即式:将p-V-T关系式代入上式,即pV=RT+6.4×104p,则可见,流体节流膨胀后,为节流热效应,终温比初始温度高。

优化膨胀问题的节流方法

节流是指流体在管道中流过阀门、孔板等设备时,压力降低(p1>p2)的现象。若在节流过程中流体与外界环境没有热量交换,就称为绝热节流。11.3.1节分析了绝热节流过程的能量平衡关系,得出绝热节流前后流体焓值相等的结论,即式(11-17)的ΔH=0(H1=H2),但这并不等于说绝热节流就是等焓过程。因绝热节流伴随有明显的摩擦和涡流,处于极不平衡的状态,不是准平衡过程,而是典型的不可逆过程,节流过程是熵增过程,即S2>S1。对理想气体,焓仅是温度的函数,节流前后流体焓相等,故节流前后温度也相等(T1=T2)。对于实际气体,焓值是温度和压力的函数,故节流前后温度可能不变,也可能升高或降低。

绝热节流前后流体的温度变化称为“节流的温度效应”,又称为焦耳-汤姆孙(Joule-Thomson)效应,以μJ表示。

节流后流体的温度降低(T1>T2),称为节流冷效应;节流后流体的温度升高(T1<T2),称为节流热效应;节流后流体的温度不变(T1=T2),称为节流零效应。实际气体的节流温度效应与流体的种类、节流前所处状态以及节流前后压力降的大小均有关。

实际气体经节流后温度不变化的气流温度Ti称为回转温度(inversion temperature)。由热力学理论及实验得知,任何实际气体在不同压力下的回转温度都可以表示在Tp图上,图11-8所示的连续曲线就称为回转温度曲线。回转温度曲线将Tp图分成两个区域:曲线与温度轴包围的区域为节流冷效应区;曲线以外区域为节流热效应区。

图11-8 流体节流效应示意图

从图11-8还可看出:回转曲线有一最大转变压力pi,max,在p>pi,max范围内,绝热节流均为热效应;在p<pi,max范围内,对应于任一压力p有两个回转温度,其值较大者称为上回转温度Ti,max,其值较小者称为下回转温度Ti,min,流体温度处于上下回转温度之间时,呈冷效应;高于上回转温度或低于下回转温度时,呈热效应。

热力学绝热节流过程在工程上有着广泛的应用。首先,绝热节流制冷是获得低温的一种有效方法,特别是在空气和其他气体的液化以及低沸点制冷剂的制冷工程中,绝热节流制冷时,通常要求流体的初始温度低于上回转温度,一般气体的Ti远高于室温,为临界温度的4.85~11.2倍。如CO2的Ti约为1500K,Ar的Ti=732K,N2的Ti=621K,空气的Ti=603K。对于上回转温度低于室温的气体,如H2(Ti=202K)和He(Ti=25K),则必须先将其预先冷却到Ti以下,方能得到制冷效果。

在现用的蒸气压缩制冷装置中,所使用的氟利昂及其代用品等各种制冷工质,其Ti远高于室温,都是通过绝热节流冷效应获得低温的。如将30℃的氟利昂12的饱和液体(对应饱和压力为0.74490MPa)经膨胀阀绝热节流为终压0.10041MPa的饱和蒸气,其终了温度可达-30℃,即可输入冷库制冷。

其次,绝热节流是不可逆过程,节流后工质做功能力必将减小,所以工程上常用它来调节发动机功率。绝热节流还常用来调节压力、测量湿蒸气的干度、测量流体的流量等,例如,孔板流量计就是利用绝热节流现象,用差压计测定节流前后的压力差从而算出流量的设备。(www.daowen.com)

[例11.5]在25℃时,某气体的p-V-T可表达为pV=RT+6.4×104p,在25℃,30MPa时将该气体进行节流膨胀,问膨胀后气体的温度上升还是下降?

解:判断节流膨胀的温度变化,依据焦耳-汤姆孙效应系数μJ,即式(11-26):

将p-V-T关系式代入上式,即pV=RT+6.4×104p,则

可见,流体节流膨胀后,为节流热效应,终温比初始温度高。

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