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节流、膨胀制冷原理  

2017-04-24 16:12:36|  分类: 制冷 |  标签: |举报 |字号 订阅

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     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。 表1-2几种气体在低压下的转换温度                  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  气体名称 转换温度 (k) 气体名称 转换温度(k) 空气 氧 氮 氩  650 771 604 765  氖 氢 氦  230 204 246 

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    图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

 

 

 

 

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

d

h

为正值,

节流后温度降低;

而氢、氦等气体的

d

h

却是负值的,节流后温度要上升。

d

h

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

d

h

。在

d

h

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,

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

d

h

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

 

  

  

  

  

  

  

 

3. 

积分节流效应

 

气体的节流过程总是在较大的压差

Δ

P

下进行的,相应的温度变化

Δ

T

,即积

分节流效应,节流所产生的温度变化为:

       

Δ

T=d

m

Δ

气体名称

 

转换温度

k

 

气体名

 

转换温

度(

k

 

空气

 

 

 

 

650 

771 

604 

765 

 

 

 

230 

204 

246 

d

m

是在某一压力范围内的

d

h

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

P

1

和温度

T

1

绝热节流到

P

2

,即从点

1

沿等焓线与

P

2

等压线交于点

2

,点

2

的温度即为节流后的温度

T

2

,积分节流效应为

 

 

Δ

T

h

=T

1

-T

2

 

 

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

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

1

\

时,所吸收的热量称为等温节流效应,以

-

Δ

h

r

表示。

 

Δ

h

r

=h

1

\

-h

1

=h

1

\

-h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

Δ

h=c

p

Δ

T  

 

 

 

 

 

 

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

d

s

表示

 

      d

s

=

Δ

T/

Δ

S

S

Δ

T=d

s

Δ

s                    

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

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

p

1

和温度

T

1

,等熵膨胀到低压

P

2

,如图

1-12

所示,即从点

1

沿等熵线与

P

2

等压线交于点

3

3

的温度即等熵膨胀后的温度

T

3

积分等熵效

应为

             

Δ

T

S

=T

1

-T

3

 

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

P

1

P

2

给定的情况下,还随膨胀前温度

T

1

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

W

m

因此工质具有向外界吸收相当于

W

m

的热量

能力,即膨胀机的制冷量

q

p

(由图

1-12

确定状态点

1

3

的焓)。

 

Q

p

=h

1

-h

3

 

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

Δ

T

h

=T

1

-T

2

,而等熵

膨胀所产生温差

Δ

T

S

=T

1

-T

3

=

Δ

T

h

=

T

2

-T

3

),

积分等熵温度效应

Δ

T

s

要明显大于积分节流温度效应

Δ

T

h

。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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