焦耳-汤姆逊效应的原理及应用

大多数实际液化系统都是利用膨胀阀，或称为焦耳-汤姆逊阀来获得低温。气体通过膨胀阀时，由于局部阻力，压力显著下降，这种现象叫做节流。因气体流经阀门时流速大，时间短，来不及与外界进行换热，可以近似看作绝热过程。若忽略动能和势能变化，根据能量守恒原则得到，h₁=h₂，即通过膨胀阀时焓不变。但在该阀中存在摩擦阻力损耗，所以它是个不可逆过程，节流后熵必定增加。

理想气体的焓仅是温度的函数，所以气体节流时，温度保持不变，而实际气体的焓是温度和压力的函数，节流后温度一般会发生变化，这一现象称为焦耳-汤姆逊效应。图30-6给出了实际气体的等焓膨胀T-p图。从图上可以看出，通过节流可以产生温升、温降及零效应。零效应的连线称为转化曲线，如图上虚线所示。焦耳-汤姆逊系数μ_JT反映的就是等焓下温度随压力改变的效应

焦耳-汤姆逊系数就是图30-6上等焓线的斜率。在转化曲线上，μ_JT=0；节流后温度升高，μ_JT＜0；节流后温度降低，μ_JT＞0。

图30-6 实际气体的等焓膨胀T-p图

应用热力学基本关系式，可推出

实际气体μ_JT表达式也可通过实验来建立，例如对于空气和氧，在p＜15×10³kPa时

式中 a₀、b₀——实验常数，空气的a₀=2.73×10^-3，b₀=0.085×10^-6；氧的a₀=3.19×10^-3，b₀=0.884×10^-6。

由式（30-3）可知：(www.xing528.com)

当时，μ_JT＞0，节流时温度降低；

当时，μ_JT=0，节流时温度不变；

当时，μ_JT＜0，节流时温度升高。若真实气体符合范德瓦尔状态方程，则

转化温度为

式（30-6）表示转化温度与压力之间的关系。它在T-p图上为一连续曲线，称为转化曲线。适合范德瓦尔气体的最高转化温度T_i，max为

表30-7列出了一部分气体的最高转化温度。原则上可以分成两类：第一类是最高转化温度高于环境温度；第二类是最高转化温度低于环境温度，例如氦、氢、氖。第一类气体是可以单独用焦耳-汤姆逊效应来液化。第二类气体不能单独用焦耳-汤姆逊效应来液化，必须另外使用膨胀机或预冷来降低节流前的温度，这样才能得到液体产品。

表30-7 气体的最高转化温度