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节流过程的焦耳—汤姆逊效应及其应用 毕业论文
2012届学士学位毕业论文
节流过程的焦耳—汤姆逊效应及其应用
学 号:
姓 名:
指导教师:
专 业: 物理学
系 别:电子信息与物理系
完成时间:2012年5月
节流过程的焦耳--汤姆逊效应及其应用
摘要 :低温技术在现代科学技术中有重要的应用。目前常用节流过程或者节流过程与绝热膨胀相结合的方法获得低温。
关键词:节流; 低温; 焦耳—汤姆逊效应; 制冷循环
如图1所示，管子用不导热的材料包着，管子中间有一个多孔塞或节流阀，多孔塞两边各维持着较高的压强较低的压强，于是，气体从高压的一边经多孔塞不断的流到低压的一边，并达到定常，这个过程就叫做节流过程。测量气体在多孔塞两边的温度表明，在节流过程前后，气体的温度发生了变化，这效应称为焦耳—汤姆逊效应。目前常用节流过程或者节流过程与绝热膨胀相结合的方法来获取低温液化气体。焦汤效应的典型大小是，为了使气体的温度降至临界温度以下而液化，可以令节流过程重复进行，并通过逆流热交换器使经节流膨胀降温后的气体对后来进入的气体进行预冷，从而把各次节流膨胀所获得的冷却效应积累起来。
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图1
1 绝热节流过程
节流是高压流体气体、液体或气液混合物)在稳定流动中，遇到缩口或调节阀门等阻力元件时由于局部阻力产生，压力显著下降的过程。节流膨胀过程由于没有外功输出，而且工程上节流过程进行得很快，流体与外界的热交换量可忽略，近似作为绝热过程来处理。根据稳定流动能量方程:
() ,Q,dH，,W
得出绝热节流前后流体的焓值不变，由于节流时流体内部存在摩擦阻力损耗，所以它是一个典型的不可逆过程，节流后的熵必定增大。
绝热节流后，流体的温度如何变化对不同特性的流体而言是不同的。对于任何处于气液两相区的单一物质，节流后温度总是降低的。这是由于在两相区饱和温度和饱和压力是一一对应的，饱和温度随压力的降低而降低。对于理想气体，焓是温度的单值函数，所以绝热节流后焓值不变，温度也不变。对于实际气体，焓是温度和压力的函数，经过绝热节流后，温度降低、升高和不变3种情况都可能出现。这一温度变化现象称为焦耳-汤姆逊效应，简称J-T效，焦汤效应。
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2 实际气体的节流效应
实际气体节流时，温度随微小压降而产生的变化定义为微分节流效应，也称为焦耳-汤姆逊系数,表示在焓 不变的条件下气体温度随压强的变化率:
,,,T,, () ,,H,,,,,p,,H
>0表示节流后温度降低，<0表示节流后温度升高。当压降(P2-P1)为一,,
有限数值时，整个节流过程产生的温度变化叫做积分节流效应:
() ，，,T,T,T,P,P,HdP2121
理论上，可以使用热力学基本关系式推算出的表达式进行分析。有焓的特性可,
知:
，，,V,,dH,CdT，V,TdP () ,,P,,,T,,P，，
dH由于焓值不变，=0，将上式移项整理可得:
，，,T,V1,,,, () ,H,,T,V,,,,,,,PC,T,,,,HPP，，
,V,,由式()()可知，微分节流效应的正负取决于和v的差值。若这一差T,,,T,,P
,H,H值大于0，则>0节流时温度降低;若等于0则=