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。节流孔径越小,局部阻力越大,节流后的压力变化也越大,反之就越小。(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,即无能量输出,也无能量输出所以节流前后的能量保持不变,即节流前后的焓值相等,这是节流过程的基本特点。
焓的理解
焓:某一状态下气体内能和流动功之和。
理想气体的焓值只是温度的函数,根据节流前后的焓值不变,理想气体节流前后温度是不变的。
由于实际气体的焓值是温度和压力的函数,实际气体节流后温度变化有三种情况:降温、升温、温度不变。(很多人都觉得节流只能降温)
气体节流转化曲线
通常我们把节流后温度不变的这个节流前温度称之为“转化温度”,与此相对应的压力称之为“转化压力”。
一个压力一般对应有两个转化温度,即上转化温度(在气相)和下转化温度(在液相)。
当一个压力只对应一个转化温度时,我们称这个转化压力为最大转化压力。大于最大转化压力时,无转化温度。
如果将各压力下对应的转化温度绘成曲线,这曲线就是所谓的气体节流转化曲线。
节流转化曲线十分清楚地告诉我们节流前参数如何选择,要使气体节流后降温,节流前压力应小于最大转化压力,节流前温度必须在上、下转化温度之间,否则节流后不会制冷。
问题
气体节流后为什么会具有制冷能力,这种说法不是与常说的节流不产生冷量相矛盾了吗?
其实在气体压缩过程中,就将压缩功转化成热量传给环境介质,同时气体压缩后内能减少(焓下降)。所以说气体节流后的制冷能力是在等温压缩时获得的,节流本身不具备这个能力,只是节流将这一制冷能力表现出来了。
气体的绝热膨胀
气体的绝色(等熵)膨胀是在膨胀机中完成的,膨胀过程对外做功。膨胀后气体体积增大、位能增加,在绝热条件下提供这部分能耗只能靠气体降温、减少动能来实现,所以气体绝热膨胀温度总是下降的。
在热力学中,常用熵的变化来判断过程的方向。熵的变化量为零表示绝热过程;熵的变化量大于零表示吸热过程;熵的变化量小于零表示放热过程。
节流与绝热膨胀的比较
气体绝热膨胀后的制冷量等于等温节流的制冷量与对外做功之和,其产生的冷量和温降大大超过节流膨胀。
实际上,气体绝热膨胀过程同样存在着机械摩擦和传热,其过程也是一个等熵的过程,只是绝热膨胀过程的熵曾远小于节流膨胀的熵增。
在实际方面,节流过程用节流阀,结构比较简单,也便于调节;而等熵膨胀则用膨胀机,结构复杂。
节流阀可以在气液两相区工作,节流阀出口允许有很大的带液量;但可以带液的两相膨胀机还在研制和使用阶段,其带液量也不能很大。因此,节流膨胀和等熵膨胀的这两个过程在制冷设备中都有用,它们的选择需根据具体条件而定。