焦耳—湯姆遜閥制冷原理

1、焦耳湯姆遜閥制冷原理節(jié)流膨脹（Throttling Expansion）也叫焦耳湯姆遜膨脹，即較高壓力下的流體（氣或液）經(jīng)多孔塞（或節(jié)流閥）向較低壓力方向絕熱膨脹過(guò)程。1852年，焦耳和湯姆遜設(shè)計(jì)了一個(gè)節(jié)流膨脹實(shí)驗(yàn)，使溫度為T1的氣體在一個(gè)絕熱的圓筒中由給定的高壓p1經(jīng)過(guò)多孔塞(如棉花、軟木塞等)緩慢地向低壓p2膨脹。多孔塞兩邊的壓差維持恒定。膨脹達(dá)穩(wěn)態(tài)后，測(cè)量膨脹后氣體的溫度T2。他們發(fā)現(xiàn)，在通常的溫度T1下，許多氣體(氫和氦除外)經(jīng)節(jié)流膨脹后都變冷(T2<T1)。如果使氣體反復(fù)進(jìn)行節(jié)流膨脹，溫度不斷降低，最后可使氣體液化。調(diào)節(jié)閥在管道中起可變阻力的作用。它改變工藝流體的紊流度或者在層

2、流情況下提供一個(gè)壓力降，壓力降是由改變閥門阻力或“摩擦”所引起的。這一壓力降低過(guò)程通常稱為“節(jié)流”。對(duì)于氣體，它接近于等溫絕熱狀態(tài)，偏差取決于氣體的非理想程度(焦耳一湯姆遜效應(yīng))。在液體的情況下，壓力則為紊流或粘滯摩擦所消耗，這兩種情況都把壓力轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致溫度略為升高。根據(jù)熱力學(xué)原理，在焦耳-湯姆遜實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功-W=p2V2-p1V1，V1及V2分別為始態(tài)和終態(tài)的體積。Q=0，故U=-(p2V2-plV1)；U2+p2V2=U1+p1V1；即H2=H1。所以焦耳-湯姆孫實(shí)驗(yàn)的熱力學(xué)實(shí)質(zhì)是焓不改變，或者說(shuō)它是一個(gè)等焓過(guò)程。由于理想氣體的焓值只是溫度的函數(shù)，即焓值不變溫度不變，故理想氣

3、體節(jié)流前后溫度不變。對(duì)于實(shí)際氣體，其比焓是溫度和壓力的函數(shù)，即比焓受溫度和壓力的共同影響，又節(jié)流過(guò)程焓值不變，則壓力降低，溫度就會(huì)變化。焦耳-湯姆遜（開(kāi)爾文）系數(shù)可以理解為在等焓變化的節(jié)流膨脹中（或是焦耳-湯姆遜作用下）溫度隨壓力變化的速率。JT的國(guó)際單位是K/Pa，通常用°C/bar。當(dāng)J.T是正數(shù)是，則氣體降溫，反之則升溫。大氣壓下焦耳湯姆遜效應(yīng)中氦氣和氫氣通常為升溫性質(zhì)的氣體，而大多數(shù)氣體則是降溫，對(duì)于理想氣體焦耳湯姆遜系數(shù)為零，在焦耳湯姆遜效應(yīng)中既不升溫也不降溫。不同氣體在大氣壓下的焦耳湯姆遜系數(shù)氣體在絕熱節(jié)流時(shí)，節(jié)流前后的比焓值不變。這是節(jié)流過(guò)程的主要特征。由于節(jié)流時(shí)氣流內(nèi)

4、部存在摩擦阻力損耗，所以它是一個(gè)典型的不可逆過(guò)程，節(jié)流后的熵必定增大。焦耳湯姆遜閥是利用焦耳湯姆遜效應(yīng)制成的閥門，簡(jiǎn)稱J-T閥，用來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫，多用于天然氣的液化工藝中，外形與截止閥無(wú)異，只是內(nèi)部結(jié)構(gòu)不一樣。 某公司在液體高壓差情況下選用J-T閥門，多用套筒閥，這類閥門經(jīng)過(guò)多級(jí)降壓，減少閃蒸與氣蝕的發(fā)生，從而滿足工況的要求。Hysys模擬如下：PR方程，1、由35甲烷 膨脹前氣態(tài)，膨脹后26.75（氣態(tài)）乙烷 膨脹前氣態(tài)，膨脹后11.65（氣態(tài)）丙烷 膨脹前氣態(tài)，膨脹后34.31（氣液比0.001）異丁烷 膨脹前液態(tài)，膨脹后35.17（液態(tài)）CO2 膨脹前氣態(tài)，膨脹后14.79（氣態(tài)）2、由35丙烷 膨脹前氣態(tài)，膨脹后-14.12（氣液比0.3268）異丁烷 膨脹前液態(tài)，膨脹后20.01（氣液比0.1108）3、由-80甲烷 膨脹前氣態(tài)，膨脹后-102（氣態(tài)）乙烷 膨脹前液態(tài)，膨脹后-79.34（液態(tài)）結(jié)論：天然氣氣態(tài)或氣液態(tài)，壓力降低時(shí)，溫度是降低的。液態(tài)降壓后仍為液態(tài)則溫度升高。液態(tài)