焦耳-汤姆逊效应与制冷机.ppt

4.7焦耳-汤姆逊效应与制冷机,4.7.1制冷循环与制冷系数(一)制冷循环(refrigeratorcycle)前面已讨论过p-V图上顺时针循环(热机)的热力学过程。现在讨论逆时针循环(致冷机)的热力学过程。如图所示。,系统经过一个循环后，从较低温热源取走了一部分热量传到较高温热源去了。这正是制冷机的原理。,为了能对制冷机的性能作出比较，需对制冷机效率作出定义在制冷机中人们关心的是从低温热源吸走的总热量Q2，其代价是外界必须对制冷机作功W，故定义制冷系数,(二)制冷系数,因为冷的数值可以大于1，故不称为制冷机效率而称为制冷系数。,(三)可逆卡诺制冷机的制冷系数,所谓可逆卡诺制冷机是由一个温度为T1可逆等温压缩过程(这时放热Q1),一个温度为T2(T2T1)的可逆等温膨胀过程(这时吸热Q2)以及一个可逆绝热压缩、一个可逆绝热膨胀过程所组成的逆向卡诺循环来代表的。其制冷系数为,可以看到，制冷温度越低，制冷系数也越小。若为绝对零度，则制冷系数为零。,4.7.2焦耳-汤姆逊效应,使物体温度降低的常用方法有下列五种：通过温度更低的物体来冷却；通过吸收潜热(如汽化热、吸附热、溶解热、稀释热等)来降温；通过绝热膨胀降温；温差电致冷(thermo-electriccooling)；节流膨胀致冷(throttlingexpansioncooling)。,大多数制冷机都是通过工(作媒)质气体液化来获得低温热源，通过液化工质的蒸发吸热来提供制冷量的。气态工质降温后能以液态出现的有效手段是节流效应。本节中专门介绍焦耳汤姆逊效应(Joule-Thomsoneffect),也称节流效应(throttlingeffect)。下图为焦耳汤姆逊实验示意图。,这种在绝热条件下，高压气体经过多孔塞小孔、通径很小的伐门、毛细管等流到低压一边的稳定流动过程称为节流过程。目前在工业上是使气体通过节流阀或毛细管来实现节流膨胀的。,实验发现，这时在多孔塞两边的气体的温度一般并不相等，温度差的大小和气体种类及多孔塞两边的压强的数值有关。,利用下图可讨论节流的热力学过程。两端开口的绝热气缸中心有多孔塞，多孔塞两侧维持不同压强p1p2.,以活塞左边气体为研究对象，当气体全部穿过多孔塞以后，它的状态参量从V1变为V2，p1变为p2,T1变为T2。,设气体都在左边时的内能为U1，气体都在右边时的内能为U2。气体穿过多孔塞过程中，左边活塞对气体作功,气体推动右边活塞作功,这就是说，绝热节流过程前后的焓不变。显然，所有的理想气体在节流过程前后的温度都不变。这已被实验所证实。但对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而升高，称为负节流效应。只有在足够低温度下才呈现正节流效应。低温工程利用节流致冷效应来降低温度,外界对定量气体所作的净功为,注意到绝热过程Q=0，则由第一定律,用以研究节流过程的等焓线,为了研究在不同压强、温度下的不同种类气体经节流后的温度变化，常由实验在Tp图作出各条等焓线。实验进行时，高压一边的压强pi温度Ti先可任意选定，从而确定某一初态，如图中的i点所示。而节流以后的末态是一系列的点，1，2，3，4，5，6，7。这些点的焓和i点的焓是相等的。这些点连接成的线就是等焓线。,从图可以看见，若节流在“i”点和“4”点的状态间进行，温度将升高；若改在“i”点与“7”点间进行节流过程，温度就降低。由此看到，等焓线不是节流过程实际进行的图线。它是一系列焓的设置相等的点的集合。节流过程是不可逆过程，在状态图上是不能以一条实线来表示的。,4.7.3气体压缩式制冷机,气体制冷工质先后经压缩、冷却、节流膨胀等手段最后制得低温液体的制冷机称为气体压缩式制冷机。它分为如下两种：,(1)蒸汽压缩式制冷机(refrigeratorwithcompressedvapour),气体被压缩、冷却到室温后通过节流膨胀能使气体液化的制冷机称为蒸汽压缩式制冷机。如冷库用的冷冻机以氨(沸点-33.35)为制冷工质、冰箱与空调.蒸汽压缩式制冷机的循环过程示于下图。,(二)深度冷冻制冷机若工作气体被压缩冷却到室温后经节流尚不能使气体液化，其液化温度还远低于此节流后温度，这时必须改用另一种称为深度冷冻的循环。属于这类制冷机的主要有液氮机(0.101MPa时的液氮温度为77K)、液氦机(0.101MPa时的液温度为4.2K)及制氧机。工业上制得氧气是先将空气液化，然后在气液共存情况下，借助氧的沸点(90K)较高，易于冷凝，氮的沸点(77K)较低易于蒸发的特点，利用分溜等方法将氧、氮分离的。,*4.7.4热泵型空调器,l制冷机也可用来升高温度。例如冬天取暖，常采用电加热器，它把电功直接转变为热后被人们所利用，实际上这是很不经济的。若把这电功输给一台制冷机，使它从温度较低的室外或江、河的水中吸取热量向需取暖的装置输热，这样除电功转变为热外，还额外从低温吸取了一部分热传到高温热源去，取暖效率当然要高得多，这种装置称为热泵(heatpump)。热泵型空调器就是一台冷冻机，