膨脹閥節(jié)流原理

節(jié)流機(jī)構(gòu)是制冷裝置中的重要部件之一，它可將冷凝器或貯液器中冷凝壓力下的飽和液體（或過(guò)冷液體）節(jié)流降至蒸發(fā)壓力的蒸發(fā)溫度；同時(shí)根據(jù)負(fù)荷的變化，調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器制冷劑的流量。

很多人知道制冷循環(huán)中，高溫高壓的制冷劑液體通過(guò)節(jié)流機(jī)構(gòu)之后會(huì)變成低溫低壓的制冷劑液體。但其中的原理和作用方式可能很多人都不甚了解。下面就來(lái)講一下，節(jié)流機(jī)構(gòu)的節(jié)流原理。（本篇文章的核心是焦耳-湯姆孫效應(yīng)的冷效應(yīng)，感興趣的朋友可以仔細(xì)查閱下相關(guān)內(nèi)容）

絕熱節(jié)流：流體在管道內(nèi)流動(dòng)，遇到突然變窄的斷面，由于存在阻力使流體壓力降低的現(xiàn)象稱為節(jié)流。穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流的流體快速流過(guò)狹窄斷面，來(lái)不及與外界換熱也沒有功量的傳遞，可理想化成為絕熱節(jié)流。絕熱節(jié)流前后焓相等，即能量數(shù)量相等。理想氣體在絕熱節(jié)流前后的溫度是不變的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際氣體節(jié)流前后的溫度一般將發(fā)生變化。氣體在節(jié)流過(guò)程中的溫度變化叫做焦耳－湯姆遜效應(yīng)（簡(jiǎn)稱焦－湯效應(yīng)）。造成這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)閷?shí)際氣體的焓值不僅是溫度的函數(shù)，而且也是壓力的函數(shù)。大多數(shù)實(shí)際氣體在室溫下的節(jié)流過(guò)程中都有冷卻效應(yīng)，即通過(guò)節(jié)流元件后溫度降低，這種溫度變化叫做正焦耳－湯姆遜效應(yīng)。

焓：

體系經(jīng)歷等壓的變化過(guò)程，即p始=p終=p環(huán)=常數(shù)，吸收的熱量為Qp，如果體系只做體積功（實(shí)驗(yàn)室和生成的大多數(shù)過(guò)程都是不做非體積功的）。

根據(jù)熱力學(xué)定律可得：

所以，

由于U、p、V都是狀態(tài)函數(shù)，通過(guò)不同的狀態(tài)函數(shù)的線性組合構(gòu)成一個(gè)新的狀態(tài)函數(shù)，所以U+pV也是狀態(tài)函數(shù)。熱力學(xué)中定義一個(gè)新的狀態(tài)函數(shù)——焓(enthalpy)，用符號(hào)H表示。

定義式為：H=U+PV（數(shù)值上 等于系統(tǒng)的內(nèi)能U加上壓強(qiáng)p和體積V的乘積）

焦耳-湯姆孫效應(yīng):

焦耳-湯姆孫效應(yīng)（Joule-Thomson effect），指氣體通過(guò)多孔塞膨脹后所引起的溫度變化現(xiàn)象。1852年，物理學(xué)家J.P.焦耳和W.湯姆孫(即開爾文)為了進(jìn)一步研究氣體的內(nèi)能，對(duì)焦耳氣體自由膨脹實(shí)驗(yàn)作了改進(jìn)。

C1、C2為兩個(gè)可移動(dòng)的絕熱活塞。多孔塞一邊維持較高的壓強(qiáng)p1，另一邊維持在較低壓強(qiáng)p2。緩慢地推動(dòng)C1,氣體從p1一邊經(jīng)多孔塞流向p2一邊,同時(shí)亦緩慢地使C2向右移動(dòng),但保持p1,p2不變。這種過(guò)程叫節(jié)流過(guò)程。由于這過(guò)程是在絕熱系統(tǒng)中進(jìn)行，所作的凈功應(yīng)等于系統(tǒng)內(nèi)能的改變。

于是在過(guò)程的前后有：U1+p1V1=U2+p2V2=恒量，即過(guò)程前后焓H相等。在這過(guò)程中，系統(tǒng)溫度隨壓強(qiáng)改變的現(xiàn)象稱為焦耳－湯姆孫效應(yīng)，并把氣體溫度T隨壓強(qiáng)p的變化率定義為焦耳－湯姆孫系數(shù)

恒定總流伯努利方程：

制冷劑屬于可壓縮氣體，和氫氣、空氣等氣體都為實(shí)際氣體。對(duì)于理想的不可壓縮流體，有恒定總流能量方程可以解釋節(jié)流前后流體的壓強(qiáng)和流速的變化。此公式可近似運(yùn)用在水流的計(jì)算過(guò)程中。

（恒定總流伯努利方程）

其中Z為兩斷面的位置水頭（Z是斷面對(duì)于選定基準(zhǔn)面的高督，水力學(xué)中稱為位置水頭，表示受單位重力作用的流體的位置勢(shì)能），α為相應(yīng)斷面的動(dòng)能修正系數(shù)，h為兩斷面間的平均單位水頭損失。

由于兩斷面之間的管道有阻力損失，當(dāng)流體通過(guò)兩斷面時(shí)，壓強(qiáng)和流速的平方成負(fù)相關(guān)關(guān)系。