47焦耳汤姆逊效应与制冷机(阅读)课件.ppt

1、4.7焦耳焦耳-汤姆逊效应与制冷机汤姆逊效应与制冷机4.7.1制冷循环与制冷系数制冷循环与制冷系数（一）制冷循环（一）制冷循环(Refrigerator Cycle)(Refrigerator Cycle)p-Vp-V图上逆时针循环图上逆时针循环(制冷机制冷机)的热力学过程。的热力学过程。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。较高温热源去了。这正是制冷机的原理。制冷系数制冷系数 为了对制冷机的性能作出比较，需对制冷机效率作出定义。为了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

2、们关心的是从低温热源吸走的总热量在制冷机中人们关心的是从低温热源吸走的总热量Q Q2 2，其代，其代价是外界必须对制冷机作功价是外界必须对制冷机作功A A，制冷系数，制冷系数热热(4.48)2122QQQAQ 冷 从从(4.49)式可以看到，制冷温度越低，制冷系数也越小。若式可以看到，制冷温度越低，制冷系数也越小。若T2为绝对零度，则制冷系数为零。为绝对零度，则制冷系数为零。因为因为冷冷的数值可以大于的数值可以大于1，故，故冷冷不称为制冷机效率而称为制不称为制冷机效率而称为制冷系数。冷系数。（二）可逆卡诺制冷机的制冷系数（二）可逆卡诺制冷机的制冷系数可逆卡诺制冷机是由一可逆卡诺制冷机是由一个温

3、度为个温度为T1的可逆等温压缩过程的可逆等温压缩过程(这这时放热时放热Q1)、一个温度为、一个温度为T2(T2T1)的可逆等温膨胀过程的可逆等温膨胀过程(这时这时吸热吸热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循环来代表的。的逆向循环来代表的。其制冷系数为其制冷系数为(4.49)212TTT|A|Q1|Q2T1T2致冷系数致冷系数 卡诺致冷机卡诺致冷机|A|Q2 212cTTT 4.7.2焦耳焦耳-汤姆逊效应汤姆逊效应1 1、物体温度降低的常用方法：、物体温度降低的常用方法：（1 1）通过温度更低的物体来冷却；）通过温度更低的

4、物体来冷却；（2 2）通过物质吸收潜热）通过物质吸收潜热(如汽化热、吸附热、溶解热、稀释热如汽化热、吸附热、溶解热、稀释热等等)来降温；来降温；（3 3）通过绝热膨胀降温；）通过绝热膨胀降温；（4 4）温差电致冷）温差电致冷(thermoelectriccooling)；（5 5）节流膨胀致冷）节流膨胀致冷(throttlingexpansioncooling)。2 2、焦耳焦耳汤姆逊效应汤姆逊效应制冷机的制冷方法：通过工制冷机的制冷方法：通过工(作媒作媒)质气体液化来获得低温热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

5、后能以液态出现的有效手段是节流效应。本节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中专门介绍焦耳汤姆逊效应也称节流效应。汤姆逊效应也称节流效应。绝热自由膨胀绝热自由膨胀（非准静态绝热过程）（非准静态绝热过程）真真空空绝热刚性壁绝热刚性壁隔板隔板T1T2对理想气体：对理想气体：器壁绝热：器壁绝热：Q=0向真空膨胀：向真空膨胀：A=0热一律热一律U1=U2T1=T2对真实气体：对真实气体：分子力以引力为主时分子力以引力为主时T2 T1（是否等温过程？）（是否等温过程？）（1 1）原因：水的热容量比气体的大得多，焦耳实验中）原因：水的热容量比气体的大得多，焦耳实验中气体的温度

6、变化不宜测出，其结果不可能很准确。气体的温度变化不宜测出，其结果不可能很准确。（2 2）Joule-Thomson（18451845年，年，JouleJoule实验，实验，18521852年年J-Thomson实验实验,1892,1892年，年，W.Thomson,被封为被封为Kelvin勋爵勋爵)设计多孔塞实验设计多孔塞实验,研究气体的内能研究气体的内能,并发现了并发现了J-TJ-T效应效应.实验装置实验装置:绝热良好的管子绝热良好的管子L,L,多孔塞多孔塞H.H.气体从左气体从左右侧。稳定右侧。稳定流动转态，在实验中维持两侧压强差恒定。流动转态，在实验中维持两侧压强差恒定。节流过程节流过程

7、（throttling process）通常气体是通过通常气体是通过多孔塞多孔塞或或小孔小孔向压强较低向压强较低实际气体通过节流过程温度可升高或降低，实际气体通过节流过程温度可升高或降低，这称为这称为焦耳焦耳 汤姆孙效应汤姆孙效应(Joule-Thomson effect)。温度降低叫温度降低叫正的正的焦耳焦耳 汤姆孙效应，汤姆孙效应，可用来可用来制冷和制取液态空气。制冷和制取液态空气。p1p2多多孔孔塞塞区域膨胀区域膨胀节流过程。节流过程。当当 p1和和 p2保持一定，且过程绝热时：保持一定，且过程绝热时：设气体通过多孔塞前：设气体通过多孔塞前：内能内能U1、体积、体积V1内能内能U2、体积

8、、体积V2气体通过多孔塞后：气体通过多孔塞后：Q=0，A=p1 V1 p2V2，由热力学第一律有：由热力学第一律有：112212VpVpUU0 21HH 气体的气体的绝热节流过程绝热节流过程是是等焓过程。等焓过程。p1p2多孔塞多孔塞令令图图4.39图图4.40节流过程节流过程实验发现：在节流过程中，一般会在多孔塞两侧产生温实验发现：在节流过程中，一般会在多孔塞两侧产生温 度差，且温差与气体的速度的种类及多孔塞两边的压强度差，且温差与气体的速度的种类及多孔塞两边的压强数值有关。数值有关。（3 3）、分析节流的热力学过程。两端开口绝热气缸中心有多孔）、分析节流的热力学过程。两端开口绝热气缸中心有

9、多孔塞，两侧维持不同压強塞，两侧维持不同压強p p1 1,p,p2 2 ；且；且 p p1 1p p2 2 。简化节流装置：设想在简化节流装置：设想在一一 两端开口的绝热汽缸两端开口的绝热汽缸中心有一个多孔塞。中心有一个多孔塞。图图4.41在多孔塞两边各有一个活塞。在在多孔塞两边各有一个活塞。在 活塞上分别作用有：活塞上分别作用有：222111PSFPSF以活塞左边气体为研究对象以活塞左边气体为研究对象，当气体全部穿过多孔塞以后，当气体全部穿过多孔塞以后，它的状态参量从它的状态参量从V1V2，p1p2,T1T2。（1）开始时，多孔塞）开始时，多孔塞左左边被封有一定量气体，左边被封有一定量气体，

10、左边：边：P1，V1，T1，右边：，右边：没有气体。没有气体。图图4.42（2 2）在外边力）在外边力F F1 1的推动下，气体缓慢穿过多孔塞，进入右边，但的推动下，气体缓慢穿过多孔塞，进入右边，但多孔塞两边始终维持多孔塞两边始终维持F F2 2（P P2 2），），F1（P1）。设气体都在左边时的内设气体都在左边时的内能为能为U U1 1，气体都在右边时的内能为，气体都在右边时的内能为U U2 2。（3 3）最后，气体全部穿过多孔塞以后：右边气体：）最后，气体全部穿过多孔塞以后：右边气体：P P2 2，V V2 2，T T2 2；左边：没有气体。左边：没有气体。图图4.43（4 4）热力学过

11、程分析：）热力学过程分析：气体在穿过多孔塞过程中，左边活塞对它所作的功为气体在穿过多孔塞过程中，左边活塞对它所作的功为11111VPlSPA左同时推动右边活塞作功，其数值为同时推动右边活塞作功，其数值为22222VPlSPA右外界对这一定量气体所作功（净功）外界对这一定量气体所作功（净功）A A：2211VPVPA设气体都在左边时的内能为设气体都在左边时的内能为U1，气体都在右边时的内能为，气体都在右边时的内能为U2。若这定量的气体有整体的运动，还要考虑整体运动动能、若这定量的气体有整体的运动，还要考虑整体运动动能、重力势能的变化重力势能的变化 。节流前后，这些能量变化不大，略去。节流前后，这

12、些能量变化不大，略去。绝热过程：绝热过程：Q=0Q=0由热力学第一定律由热力学第一定律 得：得：22111212VPVPUUAUU111222VPUVPU12HH 节流过程特点：（绝热）节流过程前后焓是不变的。节流过程特点：（绝热）节流过程前后焓是不变的。125页，所有的理想气体在节流过程前后的温度都不变。这页，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。已被实验所证实。实验表明，对于实际气体，实验表明，对于实际气体，若气体种类不同，初末态的温度、若气体种类不同，初末态的温度、压强不同，节流前后温度变化情况也就不同。压强不同，节流前后温度变化情况也就不同。节流致冷效应节流致冷效

13、应(或称正节流效应或称正节流效应)：一般的气体：一般的气体(如氮、氧、空如氮、氧、空气等气等)，在常温下节流后温度都降低的效应。，在常温下节流后温度都降低的效应。负节流效应：对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而升负节流效应：对于氢气、氦气，在常温下节流后温度反而升高的效应。低温工程中利用节流致冷效应来降低温度。高的效应。低温工程中利用节流致冷效应来降低温度。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度变化，由实验在，由实验在T-p图作出各条等焓线。图作出各条等焓线。各种节流效应：各种节流效应：J-T效应。效应。3 3、J-T

14、J-T系数系数等焓线：在实验进行时，高压一边的压强等焓线：在实验进行时，高压一边的压强pi和温度和温度Ti先先可任意选可任意选定，然后使另一边的压强维持一系列固定数值定，然后使另一边的压强维持一系列固定数值p1、p2p7，测，测出节流后所对应的一系列末态温度出节流后所对应的一系列末态温度T1、T2T7，在在T-p 图上标图上标出出i及及1、27点，如图点，如图4.44所示。这些点的焓都等于气体在所示。这些点的焓都等于气体在Ti、pi时的焓值。若点数足够多，由这些点所联结起来的曲线就是时的焓值。若点数足够多，由这些点所联结起来的曲线就是等焓线。等焓线。图图4.44等焓线不是气体节流过程中的状等焓

15、线不是气体节流过程中的状态变化曲线。态变化曲线。若节流在若节流在“i”点和点和“4”点的状态间进行，温度将点的状态间进行，温度将升高；若改在升高；若改在“i”点与点与“7”点之点之间进行，温度就降低。间进行，温度就降低。等焓线作为工程上的资料可以查到，所以利用等焓线能很方便等焓线作为工程上的资料可以查到，所以利用等焓线能很方便地确定节流后的温度。地确定节流后的温度。图图4.45氮的等焓线氮的等焓线等焓曲线的斜率叫做焦耳等焓曲线的斜率叫做焦耳-汤姆逊系数汤姆逊系数HPT)(任一条等焓线的极大值所在处值焦耳任一条等焓线的极大值所在处值焦耳-汤姆逊系数均等于汤姆逊系数均等于零。把这些点联结起来的曲线

16、称为转换曲线。零。把这些点联结起来的曲线称为转换曲线。转换曲线以内的转换曲线以内的焦耳焦耳-汤姆逊系数为正，称为节流致冷区汤姆逊系数为正，称为节流致冷区，转换曲线以外的区域焦耳，转换曲线以外的区域焦耳-汤姆逊系数为负，称为节流致热汤姆逊系数为负，称为节流致热区。区。(4.50)0 制冷效应，正效应；制冷效应，正效应；0 负效应。实际上是等焓线上的负效应。实际上是等焓线上的斜率。斜率。=0，转换曲线。理想气体的等焓线，转换曲线。理想气体的等焓线，=0。图图4.464.7.3气体压缩式制冷机气体压缩式制冷机(refrigeratorwithcompressedgas)使气体制冷工质先后经压缩、冷却

17、、节流膨胀等手段最后使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：种：（一）蒸汽压缩式制冷机（一）蒸汽压缩式制冷机(RefrigeratorwithCompressedVapour)图图4.47蒸汽压缩式制冷机蒸汽压缩式制冷机 气体被压缩、冷却到室温后通过节流膨胀就能使气体液化气体被压缩、冷却到室温后通过节流膨胀就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(沸点沸点-33.35)-33.35)为制冷工质、冰箱与

18、空调为制冷工质、冰箱与空调(以前用氟里昂为制以前用氟里昂为制冷剂，由于它会破坏臭氧层，现正推广使用对臭氧层不起破坏冷剂，由于它会破坏臭氧层，现正推广使用对臭氧层不起破坏作用的新制冷工质作用的新制冷工质)。（二）深度冷冻制冷机（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，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为深度冷冻的循环。属于这类制冷机的主要有液氮机(0.101PMa(0.101PMa时的液氮温度为时的

19、液氮温度为77K)77K)、液氦机、液氦机(0.101MPa(0.101MPa时的液氮温度为时的液氮温度为4.2K)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，借助氧的沸点情况下，借助氧的沸点(90K)(90K)较高，易于冷凝，氮的沸点较高，易于冷凝，氮的沸点(77K)(77K)较低易于蒸发的特点，利用分溜等方法将氧、氮分离的。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热泵型空调器热泵型空调器制冷机不仅可用来降低温度，也可用来升高温度。例如冬制冷机不仅可用来降低温度，也可用来升高温度。例如冬天

20、取暖，常采用电加热器，它把电功直接转变为热后被人们所天取暖，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，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，这种装置热传到高温热源去，取暖效率当然要高得多，这种装置称为称为热泵热泵(heatpump)。热泵型空调器就是一台冷冻机，不过将两

21、。热泵型空调器就是一台冷冻机，不过将两只热交换器分别装于室内与室外，并借助一只四通阀分别对流只热交换器分别装于室内与室外，并借助一只四通阀分别对流进及流出压缩机的高压气体的流向进行切换。进及流出压缩机的高压气体的流向进行切换。图图4.48热泵型空调器热泵型空调器33/200 热泵热泵2112QQA0QQA 对热泵作功对热泵作功AAQ2 热泵（图（图4.49)(4.51)2111212PPlnRTVVlnRTQ 2121PPlnRTQ 2122QQQAQ 热泵 12低温吸热低温吸热34高温放热。高温放热。2112TTTAQ 热泵(4.52)注意：这两个过程的总吸热抵消。注意：这两个过程的总吸热抵消。)(1421TTCQpp)(3212TTCQpp