馬曉明 唐雪霄

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引言

冷熱的研究始于17世紀(jì)，直到1845年，J.P.焦耳為了研究氣體溫度與體積的關(guān)系進(jìn)行了氣體自由膨脹實(shí)驗實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)了氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù)，與體積無關(guān)，稱之為焦耳定律。1852年，J.P.焦耳和W.湯姆孫為了進(jìn)一步研究氣體的內(nèi)能，對焦耳氣體自由膨脹實(shí)驗作了改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)氣體通過針形閥或孔板節(jié)流前后溫度會發(fā)生變化，這一現(xiàn)象被稱為焦耳-湯姆遜效應(yīng)，簡稱J-T效應(yīng)。由于某些氣體節(jié)流后溫度會降低，所以節(jié)流制冷技術(shù)廣泛應(yīng)用于制冷行業(yè)，是發(fā)展最早的制冷技術(shù)之一。

1 等焓節(jié)流

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

式中：Cp為定壓比熱容；為定壓熱膨脹系數(shù)[1]。

若Tβ>1,則μ>0，節(jié)流后溫度降低，稱焦耳-湯姆遜正效應(yīng)；若Tβ<1,則μ<0，節(jié)流后溫度升高，稱焦耳-湯姆遜負(fù)效應(yīng)；若Tβ=1，則μ=0，節(jié)流前后溫度不變，△T=0，稱為焦耳-湯姆遜零效應(yīng)。實(shí)際氣體節(jié)流后溫度發(fā)生變化，可知?dú)怏w的內(nèi)能不僅是溫度的函數(shù)，還是體積(或壓強(qiáng))的函數(shù)。當(dāng)氣體非常稀薄時，△T→0，可推知理想氣體節(jié)流前后溫度不變，因此一定量某種理想氣體的內(nèi)能僅僅是溫度的函數(shù)。

2 常用的制冷方法

低溫制冷經(jīng)常用到的方法有膨脹機(jī)制冷、等焓節(jié)流制冷、斯特林制冷、GM制冷、半導(dǎo)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(jī)制冷

膨脹機(jī)是利用逆布雷頓循環(huán)來實(shí)現(xiàn)制冷，基本循環(huán)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(yīng)用于諸多工業(yè)過程，如空氣分離、低烴回收等深冷領(lǐng)域，特點(diǎn)是制冷溫區(qū)廣，功率大，效率較高。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)速高，振動和噪音大，在小制冷量區(qū)域效果不理想[2]。

2.2 斯特林機(jī)制冷

斯特林制冷機(jī)是利用氣缸內(nèi)氣體周期性膨脹和壓縮來制取冷量的一種氣體機(jī)械制冷機(jī)，基本循環(huán)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(qū)廣，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。缺點(diǎn)是振動較大，由于氣缸與活塞密封問題，導(dǎo)致壽命較短和油污染。近年來發(fā)展出自由活塞和間隙密封技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了壽命長，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，為斯特林機(jī)制冷技術(shù)帶來了新的希望[3]。

2.3 GM制冷機(jī)制冷

Gifford-McMahon制冷機(jī)（GM制冷機(jī)）是一種采用蓄冷器的回?zé)崾降男⌒偷蜏刂评錂C(jī)，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(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、性能穩(wěn)定、振動小、壽命長制冷溫區(qū)廣等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是制冷量小，冷端有運(yùn)動部件，有電磁干擾等，GM廣泛應(yīng)用于MRI，紅外探測器等深冷領(lǐng)域[4]。

2.4 脈管制冷機(jī)制冷

脈管制冷機(jī)是利用管內(nèi)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(shí)現(xiàn)制冷目的。該制冷機(jī)有制冷溫度廣，沒有低溫端運(yùn)動部件，可靠性高，壽命長，振動小，制冷溫度低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是制冷效率不高，尤其在高溫區(qū)效率很低，制冷功率小等[5]。

2.5 半導(dǎo)體制冷制冷

半導(dǎo)體制冷（TE）是根據(jù)帕爾帖效應(yīng)研究而成的輕便型制冷器，結(jié)構(gòu)簡單、使用時間久、無噪音，缺點(diǎn)是制冷溫度高，低溫區(qū)域不理想，制冷量小，效率不高等[6]。

2.6 等焓節(jié)流制冷

等焓效應(yīng)制冷是應(yīng)用和發(fā)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(dú)立提出了一次節(jié)流循環(huán)，包含等溫壓縮、等壓冷卻、等焓節(jié)流、等壓加熱4個過程，這也是最早在工業(yè)上使用的氣體液化循環(huán)。盡管林德-漢普遜循環(huán)有很大的不可逆性，但是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、價格低、冷端無運(yùn)動部件、無磁場干擾等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。尤其在液氦溫區(qū)，利用氦氣在的非理想性質(zhì)而實(shí)現(xiàn)了較高的效率，這是目前其他制冷技術(shù)難以達(dá)到的。并且其在低溫下無運(yùn)動部件因而具有高的可靠性等特點(diǎn)，是當(dāng)前空間液氦溫區(qū)主動式制冷技術(shù)的主流。

3 等焓節(jié)流影響因素

從純理論角度出發(fā)，假設(shè)換熱器的效率為100%、除了節(jié)流閥外沒有不可逆壓力降、不考慮漏熱、壓縮機(jī)效率和軸向傳熱等因素，影響J-T節(jié)流制冷的重要因素是積分節(jié)流效應(yīng)和等溫節(jié)流效應(yīng)。積分節(jié)流效應(yīng)和循環(huán)的冷卻時間有很大關(guān)系，而等溫節(jié)流效應(yīng)和制冷量有很大關(guān)系。等溫節(jié)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(shí)際上即為在相同溫度下，工質(zhì)因壓力不同而造成的焓差。當(dāng)換熱是理想狀態(tài)時，節(jié)流制冷循環(huán)的最大制冷量等于入口高壓氣體的等溫節(jié)流效應(yīng)的焓差。

4 提高等焓節(jié)流制冷的方法

根據(jù)以上積分節(jié)流效應(yīng)和等溫節(jié)流效應(yīng)對J-T節(jié)流制冷循環(huán)影響的特點(diǎn)，有以下幾種提高等焓節(jié)流制冷的方法：

4.1 混合工質(zhì)

在環(huán)境溫度附近，一般高沸點(diǎn)的工質(zhì)等溫節(jié)流效應(yīng)大，積分節(jié)流效應(yīng)大，所以制冷能力大，降溫快，但是制冷溫度較高。低沸點(diǎn)的工質(zhì)等溫節(jié)流效應(yīng)小，不過可以獲得較低的制冷溫度，而且只有在低溫狀態(tài)下，低沸點(diǎn)工質(zhì)才有較大的等溫節(jié)流效應(yīng)。為克服以上工質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)，一般采用混合工質(zhì)改善等溫節(jié)流效應(yīng)在整個溫區(qū)的布局，增大等溫節(jié)流效應(yīng)隨溫度分布中的最小值，來改善節(jié)流制冷的循環(huán)制冷能力[7]。

4.2 預(yù)冷技術(shù)

降低高壓氣體進(jìn)換熱器的溫度也是提高J-T節(jié)流制冷能力的方法之一，其原理是通過預(yù)冷高壓側(cè)工質(zhì)溫度來增加蒸發(fā)過程焓差[8]。

4.3 二次節(jié)流循環(huán)

二次節(jié)流循環(huán)也叫林德雙壓循環(huán)（Dual-Pressure Process），它是在循環(huán)中，將高壓氣體節(jié)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(jī)（這部分氣體稱為循環(huán)氣體），以提高高壓壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力，減少功耗；另一部分氣體從中壓再次節(jié)流到低壓并獲得液體。該循環(huán)可以減少液化需用功，因為在簡單林德循環(huán)中，只有壓縮氣體的很小部分被液化，節(jié)流后末被液化的大部分低壓氣體返回到壓縮機(jī)。雙壓循環(huán)中，部分壓縮氣體節(jié)流膨脹到中壓就返回壓縮機(jī)。雖然雙壓循環(huán)的液化率會有些降低，但其單位液體產(chǎn)品的功耗比簡單林德循環(huán)低。然而，雙壓循環(huán)環(huán)增大了系統(tǒng)的復(fù)雜性，因而也降低了過程的可靠性。

5 結(jié)語

開發(fā)低溫壓縮機(jī)，發(fā)揮J-T節(jié)流制冷技術(shù)優(yōu)勢，縮短節(jié)流制冷循環(huán)溫區(qū)，增加等溫節(jié)流效應(yīng)，串聯(lián)不同工質(zhì)的J-T節(jié)流制冷循環(huán)，利用不同氣體在氣液兩相區(qū)相變制冷的巨大優(yōu)勢，從而發(fā)揮J-T節(jié)流制冷技術(shù)的特長。