1、焦耳湯姆遜效應與制冷機第1頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四 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)。第2頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四(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 ( T2 T1 ) 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

2、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。第3頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四4.7.2 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-electric cooling)； 節(jié)流膨脹致冷( throttling expansion cooling)。第4頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四 大多數(shù)制冷機都是通過工(作媒)質(zhì)氣體液化來

3、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-Thomson effect),也稱節(jié)流效應( throttling effect)。下圖為焦耳湯姆遜實驗示意圖。 第5頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四 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。第6頁

4、，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四利用下圖可討論節(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 p1 p2 .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第7頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四這就是說，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

5、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，則由第一定律第8頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四用以研究節(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 T p 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。第9頁，共15頁，2022年，5月

6、20日，14點37分，星期四 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。第10頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四氣體壓縮式制冷機 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：第11頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四(1) 蒸汽壓縮式制冷機(refrigerator wi

7、th compressed vapour)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。 第12頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四(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

8、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。 第13頁，共15頁，2022年，5月20日，14點37分，星期四*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?，還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(heat pump)。 熱泵型空調(diào)器就是一臺冷凍機，不過將兩只熱交換器分別裝于室內(nèi) 與室外，并借助一只四通閥分別對流進及流出壓縮機的高壓氣體