焦耳-湯姆遜效應與制冷機.ppt

4.7焦耳-湯姆遜效應與制冷機,4.7.1制冷循環(huán)與制冷系數(shù)(一)制冷循環(huán)(refrigeratorcycle)前面已討論過p-V圖上順時針循環(huán)(熱機)的熱力學過程?，F(xiàn)在討論逆時針循環(huán)(致冷機)的熱力學過程。如圖所示。,系統(tǒng)經(jīng)過一個循環(huán)后，從較低溫熱源取走了一部分熱量傳到較高溫熱源去了。這正是制冷機的原理。,為了能對制冷機的性能作出比較，需對制冷機效率作出定義在制冷機中人們關(guān)心的是從低溫熱源吸走的總熱量Q2，其代價是外界必須對制冷機作功W，故定義制冷系數(shù),(二)制冷系數(shù),因為冷的數(shù)值可以大于1，故不稱為制冷機效率而稱為制冷系數(shù)。,(三)可逆卡諾制冷機的制冷系數(shù),所謂可逆卡諾制冷機是由一個溫度為T1可逆等溫壓縮過程(這時放熱Q1),一個溫度為T2(T2T1)的可逆等溫膨脹過程(這時吸熱Q2)以及一個可逆絕熱壓縮、一個可逆絕熱膨脹過程所組成的逆向卡諾循環(huán)來代表的。其制冷系數(shù)為,可以看到，制冷溫度越低，制冷系數(shù)也越小。若為絕對零度，則制冷系數(shù)為零。,4.7.2焦耳-湯姆遜效應,使物體溫度降低的常用方法有下列五種：通過溫度更低的物體來冷卻；通過吸收潛熱(如汽化熱、吸附熱、溶解熱、稀釋熱等)來降溫；通過絕熱膨脹降溫；溫差電致冷(thermo-electriccooling)；節(jié)流膨脹致冷(throttlingexpansioncooling)。,大多數(shù)制冷機都是通過工(作媒)質(zhì)氣體液化來獲得低溫熱源，通過液化工質(zhì)的蒸發(fā)吸熱來提供制冷量的。氣態(tài)工質(zhì)降溫后能以液態(tài)出現(xiàn)的有效手段是節(jié)流效應。本節(jié)中專門介紹焦耳湯姆遜效應(Joule-Thomsoneffect),也稱節(jié)流效應(throttlingeffect)。下圖為焦耳湯姆遜實驗示意圖。,這種在絕熱條件下，高壓氣體經(jīng)過多孔塞小孔、通徑很小的伐門、毛細管等流到低壓一邊的穩(wěn)定流動過程稱為節(jié)流過程。目前在工業(yè)上是使氣體通過節(jié)流閥或毛細管來實現(xiàn)節(jié)流膨脹的。,實驗發(fā)現(xiàn)，這時在多孔塞兩邊的氣體的溫度一般并不相等，溫度差的大小和氣體種類及多孔塞兩邊的壓強的數(shù)值有關(guān)。,利用下圖可討論節(jié)流的熱力學過程。兩端開口的絕熱氣缸中心有多孔塞，多孔塞兩側(cè)維持不同壓強p1p2.,以活塞左邊氣體為研究對象，當氣體全部穿過多孔塞以后，它的狀態(tài)參量從V1變?yōu)閂2，p1變?yōu)閜2,T1變?yōu)門2。,設(shè)氣體都在左邊時的內(nèi)能為U1，氣體都在右邊時的內(nèi)能為U2。氣體穿過多孔塞過程中，左邊活塞對氣體作功,氣體推動右邊活塞作功,這就是說，絕熱節(jié)流過程前后的焓不變。顯然，所有的理想氣體在節(jié)流過程前后的溫度都不變。這已被實驗所證實。但對于氫氣、氦氣，在常溫下節(jié)流后溫度反而升高，稱為負節(jié)流效應。只有在足夠低溫度下才呈現(xiàn)正節(jié)流效應。低溫工程利用節(jié)流致冷效應來降低溫度,外界對定量氣體所作的凈功為,注意到絕熱過程Q=0，則由第一定律,用以研究節(jié)流過程的等焓線,為了研究在不同壓強、溫度下的不同種類氣體經(jīng)節(jié)流后的溫度變化，常由實驗在Tp圖作出各條等焓線。實驗進行時，高壓一邊的壓強pi溫度Ti先可任意選定，從而確定某一初態(tài)，如圖中的i點所示。而節(jié)流以后的末態(tài)是一系列的點，1，2，3，4，5，6，7。這些點的焓和i點的焓是相等的。這些點連接成的線就是等焓線。,從圖可以看見，若節(jié)流在“i”點和“4”點的狀態(tài)間進行，溫度將升高；若改在“i”點與“7”點間進行節(jié)流過程，溫度就降低。由此看到，等焓線不是節(jié)流過程實際進行的圖線。它是一系列焓的設(shè)置相等的點的集合。節(jié)流過程是不可逆過程，在狀態(tài)圖上是不能以一條實線來表示的。,4.7.3氣體壓縮式制冷機,氣體制冷工質(zhì)先后經(jīng)壓縮、冷卻、節(jié)流膨脹等手段最后制得低溫液體的制冷機稱為氣體壓縮式制冷機。它分為如下兩種：,(1)蒸汽壓縮式制冷機(refrigeratorwithcompressedvapour),氣體被壓縮、冷卻到室溫后通過節(jié)流膨脹能使氣體液化的制冷機稱為蒸汽壓縮式制冷機。如冷庫用的冷凍機以氨(沸點-33.35)為制冷工質(zhì)、冰箱與空調(diào).蒸汽壓縮式制冷機的循環(huán)過程示于下圖。,(二)深度冷凍制冷機若工作氣體被壓縮冷卻到室溫后經(jīng)節(jié)流尚不能使氣體液化，其液化溫度還遠低于此節(jié)流后溫度，這時必須改用另一種稱為深度冷凍的循環(huán)。屬于這類制冷機的主要有液氮機(0.101MPa時的液氮溫度為77K)、液氦機(0.101MPa時的液溫度為4.2K)及制氧機。工業(yè)上制得氧氣是先將空氣液化，然后在氣液共存情況下，借助氧的沸點(90K)較高，易于冷凝，氮的沸點(77K)較低易于蒸發(fā)的特點，利用分溜等方法將氧、氮分離的。,*4.7.4熱泵型空調(diào)器,l制冷機也可用來升高溫度。例如冬天取暖，常采用電加熱器，它把電功直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊岷蟊蝗藗兯?，實際上這是很不經(jīng)濟的。若把這電功輸給一臺制冷機，使它從溫度較低的室外或江、河的水中吸取熱量向需取暖的裝置輸熱，這樣除電功轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵬猓€額外從低溫吸取了一部分熱傳到高溫熱源去，取暖效率當然要高得多，這種裝置稱為熱泵(heatpump)。熱泵型空調(diào)器就是一臺冷凍機，