等焓節流技術概述

馬曉明 唐雪霄

（1.華電電力科學研究院有限公司 杭州 西湖區 310030；2.光大環保（中國）有限公司 深圳 福田區 518033）

引言

冷熱的研究始于17世紀，直到1845年，J.P.焦耳為了研究氣體溫度與體積的關系進行了氣體自由膨脹實驗實驗，發現了氣體的內能只是溫度的函數，與體積無關，稱之為焦耳定律。1852年，J.P.焦耳和W.湯姆孫為了進一步研究氣體的內能，對焦耳氣體自由膨脹實驗作了改進，發現氣體通過針形閥或孔板節流前后溫度會發生變化，這一現象被稱為焦耳-湯姆遜效應，簡稱J-T效應。由于某些氣體節流后溫度會降低，所以節流制冷技術廣泛應用于制冷行業，是發展最早的制冷技術之一。

1 等焓節流

氣體通過多孔塞或節流閥膨脹的過程稱為絕熱節流膨脹，絕熱節流過程是不可逆過程。由于過程在絕熱系統中進行，外界做的功等于系統內能的改變，為了研究節流后氣體溫度隨壓強變化的情況，通常用焦耳-湯姆遜系數來描述

式中：Cp為定壓比熱容；為定壓熱膨脹系數[1]。

若Tβ>1,則μ>0，節流后溫度降低，稱焦耳-湯姆遜正效應；若Tβ<1,則μ<0，節流后溫度升高，稱焦耳-湯姆遜負效應；若Tβ=1，則μ=0，節流前后溫度不變，△T=0，稱為焦耳-湯姆遜零效應。實際氣體節流后溫度發生變化，可知氣體的內能不僅是溫度的函數，還是體積(或壓強)的函數。當氣體非常稀薄時，△T→0，可推知理想氣體節流前后溫度不變，因此一定量某種理想氣體的內能僅僅是溫度的函數。

2 常用的制冷方法

低溫制冷經常用到的方法有膨脹機制冷、等焓節流制冷、斯特林制冷、GM制冷、半導體制冷、輻射制冷、脈管制冷、絕熱去磁制冷和稀釋制冷等。

2.1 膨脹機制冷

膨脹機是利用逆布雷頓循環來實現制冷，基本循環包括等熵壓縮，等壓放熱，等熵膨脹和等壓吸熱4個過程。廣泛應用于諸多工業過程，如空氣分離、低烴回收等深冷領域，特點是制冷溫區廣，功率大，效率較高。缺點是結構復雜，轉速高，振動和噪音大，在小制冷量區域效果不理想[2]。

2.2 斯特林機制冷

斯特林制冷機是利用氣缸內氣體周期性膨脹和壓縮來制取冷量的一種氣體機械制冷機，基本循環為定溫壓縮，定容吸熱，定溫膨脹和定容放熱4個過程。其理論效率為卡諾效率，制冷效率高，制冷溫區廣，結構緊湊，體積小。缺點是振動較大，由于氣缸與活塞密封問題，導致壽命較短和油污染。近年來發展出自由活塞和間隙密封技術，實現了壽命長，高可靠性等優點，為斯特林機制冷技術帶來了新的希望[3]。

2.3 GM制冷機制冷

Gifford-McMahon制冷機（GM制冷機）是一種采用蓄冷器的回熱式的小型低溫制冷機，利用西蒙膨脹原理來提供冷量，包含等溫壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹、等壓加熱4個過程。GM制冷機結構簡單，運轉可靠、性能穩定、振動小、壽命長制冷溫區廣等優點，缺點是制冷量小，冷端有運動部件，有電磁干擾等，GM廣泛應用于MRI，紅外探測器等深冷領域[4]。

2.4 脈管制冷機制冷

脈管制冷機是利用管內氣體有交變壓力波時，管子封閉端變熱，另一端變冷的特性而實現制冷目的。該制冷機有制冷溫度廣，沒有低溫端運動部件，可靠性高，壽命長，振動小，制冷溫度低等優點，缺點是制冷效率不高，尤其在高溫區效率很低，制冷功率小等[5]。

2.5 半導體制冷制冷

半導體制冷（TE）是根據帕爾帖效應研究而成的輕便型制冷器，結構簡單、使用時間久、無噪音，缺點是制冷溫度高，低溫區域不理想，制冷量小，效率不高等[6]。

2.6 等焓節流制冷

等焓效應制冷是應用和發展最早的制冷方法之一，1895年德國林德和英國漢普遜分別獨立提出了一次節流循環，包含等溫壓縮、等壓冷卻、等焓節流、等壓加熱4個過程，這也是最早在工業上使用的氣體液化循環。盡管林德-漢普遜循環有很大的不可逆性，但是結構簡單、運行可靠、價格低、冷端無運動部件、無磁場干擾等特點得到廣泛應用。尤其在液氦溫區，利用氦氣在的非理想性質而實現了較高的效率，這是目前其他制冷技術難以達到的。并且其在低溫下無運動部件因而具有高的可靠性等特點，是當前空間液氦溫區主動式制冷技術的主流。

3 等焓節流影響因素

從純理論角度出發，假設換熱器的效率為100%、除了節流閥外沒有不可逆壓力降、不考慮漏熱、壓縮機效率和軸向傳熱等因素，影響J-T節流制冷的重要因素是積分節流效應和等溫節流效應。積分節流效應和循環的冷卻時間有很大關系，而等溫節流效應和制冷量有很大關系。等溫節流的公式如下所示：

式中：

其物理意義為定溫壓縮前后氣體的焓差，實際上即為在相同溫度下，工質因壓力不同而造成的焓差。當換熱是理想狀態時，節流制冷循環的最大制冷量等于入口高壓氣體的等溫節流效應的焓差。

4 提高等焓節流制冷的方法

根據以上積分節流效應和等溫節流效應對J-T節流制冷循環影響的特點，有以下幾種提高等焓節流制冷的方法：

4.1 混合工質

在環境溫度附近，一般高沸點的工質等溫節流效應大，積分節流效應大，所以制冷能力大，降溫快，但是制冷溫度較高。低沸點的工質等溫節流效應小，不過可以獲得較低的制冷溫度，而且只有在低溫狀態下，低沸點工質才有較大的等溫節流效應。為克服以上工質的優缺點，一般采用混合工質改善等溫節流效應在整個溫區的布局，增大等溫節流效應隨溫度分布中的最小值，來改善節流制冷的循環制冷能力[7]。

4.2 預冷技術

降低高壓氣體進換熱器的溫度也是提高J-T節流制冷能力的方法之一，其原理是通過預冷高壓側工質溫度來增加蒸發過程焓差[8]。

4.3 二次節流循環

二次節流循環也叫林德雙壓循環（Dual-Pressure Process），它是在循環中，將高壓氣體節流到某一中間壓力后，分成兩部分，一部分回收其冷量后再回到高壓壓縮機（這部分氣體稱為循環氣體），以提高高壓壓縮機的進氣壓力，減少功耗；另一部分氣體從中壓再次節流到低壓并獲得液體。該循環可以減少液化需用功，因為在簡單林德循環中，只有壓縮氣體的很小部分被液化，節流后末被液化的大部分低壓氣體返回到壓縮機。雙壓循環中，部分壓縮氣體節流膨脹到中壓就返回壓縮機。雖然雙壓循環的液化率會有些降低，但其單位液體產品的功耗比簡單林德循環低。然而，雙壓循環環增大了系統的復雜性，因而也降低了過程的可靠性。

5 結語

開發低溫壓縮機，發揮J-T節流制冷技術優勢，縮短節流制冷循環溫區，增加等溫節流效應，串聯不同工質的J-T節流制冷循環，利用不同氣體在氣液兩相區相變制冷的巨大優勢，從而發揮J-T節流制冷技術的特長。