焦耳汤姆逊效应与制冷机精选PPT.ppt

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1、焦耳汤姆逊效应与制冷机第1页，此课件共15页哦 为了能对制冷机的性能为了能对制冷机的性能 作出比较，作出比较，需对制冷机效率作出定义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在制冷机中人们关心的是从低温热源吸走的总热量的总热量Q Q2 2，其代价是外界必须对制冷机作功其代价是外界必须对制冷机作功 W W，故定，故定义制冷系数义制冷系数(二二)制冷系数制冷系数因为因为 冷冷的数值可以大于的数值可以大于1 1，故，故 不称为制冷机效率而称为制冷系数。不称为制冷机效率而称为制冷系数。第2页，此课件共15页哦(三三)可逆卡诺制冷机的制冷系数可逆卡诺制冷机的制冷系数所谓可逆卡诺制冷机是由

2、一个温度为所谓可逆卡诺制冷机是由一个温度为T T1 1 可逆等温可逆等温压缩过程压缩过程(这时放热这时放热 Q Q1 1),),一个温度为一个温度为 T T2 2(T T2 2 T T1 1)的可逆等温膨胀过程的可逆等温膨胀过程 (这时吸热这时吸热 Q Q2 2)以及一个可逆绝热压缩、一个可逆绝热膨胀过程所组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。成的逆向卡诺循环来代表的。其制冷系数为其制冷系数为 可以看到，制冷温度越低，制可以看到，制冷温度越低，制冷系数也越小。若为绝对零度，冷系数也越小。若为绝对零度，则制冷系数为零。则制冷系数为零。第3页，此课件共15页哦4

3、.7.2焦耳焦耳-汤姆逊效应汤姆逊效应 使物体温度降低的常用方法有下列五种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；通过温度更低的物体来冷却；通过吸收潜热通过吸收潜热(如汽化热、吸附热、如汽化热、吸附热、溶解热、稀释热等溶解热、稀释热等)来降温；来降温；通过绝热膨胀降温；通过绝热膨胀降温；温差电致冷温差电致冷(thermo-electric(thermo-electric cooling)cooling)；节流膨胀致冷节流膨胀致冷(throttling(throttling expansion cooling)expansion cooling)。第4页，此课件共15页哦

4、大多数制冷机都是通过工大多数制冷机都是通过工(作媒作媒)质气质气体液化来获得低温热源，通过液化工质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气态工质降温后能以液态出现的有效手段是节流效应。段是节流效应。本节中专门介绍焦耳本节中专门介绍焦耳汤姆逊效应汤姆逊效应(Joule-Thomson effect),(Joule-Thomson effect),也称节流效应也称节流效应(throttling effect)(throttling effect)。下图为焦耳下图为焦耳汤姆逊实验示意图。汤姆逊实验示意图。第5页，此课件

5、共15页哦 这种在绝热条件下，高压气体经过多孔塞小孔、通这种在绝热条件下，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。过程称为节流过程。目前在工业上是使气体通过节流阀目前在工业上是使气体通过节流阀或毛细管来实或毛细管来实现节流膨胀的。现节流膨胀的。实验发现，这时在实验发现，这时在多孔塞两边的气体的多孔塞两边的气体的温度一般并不相等，温度一般并不相等，温度差的大小和气体种温度差的大小和气体种类及多孔塞两边的压强类及多孔塞两边的压强的数值有关。的数值有关。第6页，此课件共15页哦利用下图可讨论节流的热力学过程利

6、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维持不同压强 p p1 1 p p2.2.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，它当气体全部穿过多孔塞以后，它的状态参量从的状态参量从V V1 1 变为变为V V2 2，p p1 1变变为为p p2 2 ,T,T1 1变为变为T T2 2 。设气体都在左边时的内能为设气体都在左边时的内能为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。气体穿过多孔塞过程中，左边活塞对气体作功气体穿过多孔塞过程中，左边活塞

7、对气体作功,气体推动右边活塞作功气体推动右边活塞作功第7页，此课件共15页哦这就是说，绝热节流过程前后的焓不变。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。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。现正节流效应。低温工程利用节流致冷效应来降低温度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外界对定量气体所作的净功为注意

8、到绝热过程注意到绝热过程 Q Q=0=0，则由第一定律，则由第一定律第8页，此课件共15页哦用以研究用以研究节流过程的等焓线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节流后的温度变化 ，常由实验在，常由实验在 T T p p 图作出图作出各条等焓线。各条等焓线。实验进行时，高压一边的压强实验进行时，高压一边的压强 p pi i 温度温度 T Ti i 先可先可任意选定，从而确定某一初态，如图中的任意选定，从而确定某一初态，如图中的i i点所示。点所示。而节流以后的末态是一系列的点，而节流以后的末态是一系列的点，1 1，2

9、 2，3 3，4 4，5 5，6 6，7 7。这些点的焓和。这些点的焓和i i点的焓是相等的。这些点的焓是相等的。这些点连接成的线就是等焓线。点连接成的线就是等焓线。第9页，此课件共15页哦 从图可以看见，若节流在从图可以看见，若节流在“i i”点和点和“4 4”点的状态点的状态间进行，温度将升高；间进行，温度将升高；若改在若改在“i i”点与点与“7 7”点间进行节流过程，温度就降低。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。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

10、状态图上是不能以一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。条实线来表示的。第10页，此课件共15页哦4.7.3气体压缩式制冷机气体压缩式制冷机气体制冷工质先后经压缩、冷却、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节流膨胀等手段最后制得低温液体 的制的制冷机称为气体压缩式制冷机。冷机称为气体压缩式制冷机。它分为如下两种：它分为如下两种：第11页，此课件共15页哦(1)(1)蒸汽压缩式制冷机蒸汽压缩式制冷机(refrigerator with compressed vapour(refrigerator with compressed vapour)气体被压缩

11、、冷却到室温后通过节流膨胀能使气气体被压缩、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。体液化的制冷机称为蒸汽压缩式制冷机。如冷库用的冷冻机如冷库用的冷冻机以氨以氨(沸点沸点-33.35)-33.35)为制冷工为制冷工质质、冰箱与空调、冰箱与空调.蒸汽压缩式制冷机的循环过程示于下图蒸汽压缩式制冷机的循环过程示于下图。第12页，此课件共15页哦(二二)深度冷冻制冷机深度冷冻制冷机 若工作气体被压缩冷却到室温后经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，这时必须改用另远低于此节流后温度，这时必须改用另

12、一种称为深度冷冻的循环。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属于这类制冷机的主要有液氮机(0.101MPa(0.101MPa时的液氮温度为时的液氮温度为77K)77K)、液氦机、液氦机(0.101MPa(0.101MPa时的液温度为时的液温度为4.2K)4.2K)及制氧机。及制氧机。工业上制得氧气是先将空气液化，然后工业上制得氧气是先将空气液化，然后在气液共存情况下，借助氧的沸点在气液共存情况下，借助氧的沸点(90K)(90K)较高，易于冷凝较高，易于冷凝 ，氮的沸点，氮的沸点(77K)(77K)较低较低易于蒸发的特点，利用分溜等方法将氧、易于蒸发的特点，利用分溜等方法将氧、氮

13、分离的。氮分离的。第13页，此课件共15页哦*4.7.4热泵型空调器热泵型空调器l制冷机也可用来升高温度。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，实际上变为热后被人们所利用，实际上 这是很不经济的。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

14、效率当然要高得多，这种装置传到高温热源去，取暖效率当然要高得多，这种装置 称为热泵称为热泵(heat pump)(heat pump)。热泵型空调器就是一台冷冻机，不过将两只热交换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器分别装于室内 与室外，并借助一只四通阀分别对与室外，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。如图流进及流出压缩机的高压气体的流向进行切换。如图所示。所示。第14页，此课件共15页哦通过四通阀切换通过四通阀切换冬天：冬天：制冷机的制冷机的高温热源高温热源-室内室内低温热源低温热源-室外室外夏天：夏天：制冷机的制冷机的高温热源高温热源-室外室外低温热源低温热源-室内室内第15页，此课件共15页哦