焦耳—汤姆逊阀制冷原理

1、焦耳汤姆逊阀制冷原理节流膨胀（Throttling Expansion）也叫焦耳汤姆逊膨胀，即较高压力下的流体（气或液）经多孔塞（或节流阀）向较低压力方向绝热膨胀过程。1852年，焦耳和汤姆逊设计了一个节流膨胀实验，使温度为T1的气体在一个绝热的圆筒中由给定的高压p1经过多孔塞(如棉花、软木塞等)缓慢地向低压p2膨胀。多孔塞两边的压差维持恒定。膨胀达稳态后，测量膨胀后气体的温度T2。他们发现，在通常的温度T1下，许多气体(氢和氦除外)经节流膨胀后都变冷(T2<T1)。如果使气体反复进行节流膨胀，温度不断降低，最后可使气体液化。调节阀在管道中起可变阻力的作用。它改变工艺流体的紊流度或者在层

2、流情况下提供一个压力降，压力降是由改变阀门阻力或“摩擦”所引起的。这一压力降低过程通常称为“节流”。对于气体，它接近于等温绝热状态，偏差取决于气体的非理想程度(焦耳一汤姆逊效应)。在液体的情况下，压力则为紊流或粘滞摩擦所消耗，这两种情况都把压力转化为热能，导致温度略为升高。根据热力学原理，在焦耳-汤姆逊实验中系统对环境做功-W=p2V2-p1V1，V1及V2分别为始态和终态的体积。Q=0，故U=-(p2V2-plV1)；U2+p2V2=U1+p1V1；即H2=H1。所以焦耳-汤姆孙实验的热力学实质是焓不改变，或者说它是一个等焓过程。由于理想气体的焓值只是温度的函数，即焓值不变温度不变，故理想气

3、体节流前后温度不变。对于实际气体，其比焓是温度和压力的函数，即比焓受温度和压力的共同影响，又节流过程焓值不变，则压力降低，温度就会变化。焦耳-汤姆逊（开尔文）系数可以理解为在等焓变化的节流膨胀中（或是焦耳-汤姆逊作用下）温度随压力变化的速率。JT的国际单位是K/Pa，通常用°C/bar。当J.T是正数是，则气体降温，反之则升温。大气压下焦耳汤姆逊效应中氦气和氢气通常为升温性质的气体，而大多数气体则是降温，对于理想气体焦耳汤姆逊系数为零，在焦耳汤姆逊效应中既不升温也不降温。不同气体在大气压下的焦耳汤姆逊系数气体在绝热节流时，节流前后的比焓值不变。这是节流过程的主要特征。由于节流时气流内

4、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。焦耳汤姆逊阀是利用焦耳汤姆逊效应制成的阀门，简称J-T阀，用来实现降温，多用于天然气的液化工艺中，外形与截止阀无异，只是内部结构不一样。 某公司在液体高压差情况下选用J-T阀门，多用套筒阀，这类阀门经过多级降压，减少闪蒸与气蚀的发生，从而满足工况的要求。Hysys模拟如下：PR方程，1、由35甲烷 膨胀前气态，膨胀后26.75（气态）乙烷 膨胀前气态，膨胀后11.65（气态）丙烷 膨胀前气态，膨胀后34.31（气液比0.001）异丁烷 膨胀前液态，膨胀后35.17（液态）CO2 膨胀前气态，膨胀后14.79（气态）2、由35丙烷 膨胀前气态，膨胀后-14.12（气液比0.3268）异丁烷 膨胀前液态，膨胀后20.01（气液比0.1108）3、由-80甲烷 膨胀前气态，膨胀后-102（气态）乙烷 膨胀前液态，膨胀后-79.34（液态）结论：天然气气态或气液态，压力降低时，温度是降低的。液态降压后仍为液态则温度升高。液态