流体在管道中流动(节流阀工作原理)

Posted 2023-05-31

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流体在管道中流动(节流阀工作原理)

节流机构是制冷装置中的重要部件之一，它可将冷凝器或贮液器中冷凝压力下的饱和液体（或过冷液体）节流降至蒸发压力的蒸发温度；同时根据负荷的变化，调节进入蒸发器制冷剂的流量。

很多人知道制冷循环中，高温高压的制冷剂液体通过节流机构之后会变成低温低压的制冷剂液体。但其中的原理和作用方式可能很多人都不甚了解。下面就来讲一下，节流机构的节流原理。（本篇文章的核心是焦耳-汤姆孙效应的冷效应，感兴趣的朋友可以仔细查阅下相关内容）

绝热节流：流体在管道内流动，遇到突然变窄的断面，由于存在阻力使流体压力降低的现象称为节流。稳态稳流的流体快速流过狭窄断面，来不及与外界换热也没有功量的传递，可理想化成为绝热节流。绝热节流前后焓相等，即能量数量相等。理想气体在绝热节流前后的温度是不变的。实验发现，实际气体节流前后的温度一般将发生变化。气体在节流过程中的温度变化叫做焦耳－汤姆逊效应（简称焦－汤效应）。造成这种现象的原因是因为实际气体的焓值不仅是温度的函数，而且也是压力的函数。大多数实际气体在室温下的节流过程中都有冷却效应，即通过节流元件后温度降低，这种温度变化叫做正焦耳－汤姆逊效应。

焓：

体系经历等压的变化过程，即p始=p终=p环=常数，吸收的热量为Qp，如果体系只做体积功（实验室和生成的大多数过程都是不做非体积功的）。

根据热力学第一定律可得：

所以，

由于U、p、V都是状态函数，通过不同的状态函数的线性组合构成一个新的状态函数，所以U+pV也是状态函数。热力学中定义一个新的状态函数——焓(enthalpy)，用符号H表示。

定义式为：H=U+PV（数值上等于系统的内能U加上压强p和体积V的乘积）

焦耳-汤姆孙效应:

焦耳-汤姆孙效应（Joule-Thomson effect），指气体通过多孔塞膨胀后所引起的温度变化现象。1852年，英国物理学家J.P.焦耳和W.汤姆孙(即开尔文)为了进一步研究气体的内能，对焦耳气体自由膨胀实验作了改进。

C1、C2为两个可移动的绝热活塞。多孔塞一边维持一定的较高的压强p1，另一边维持在较低压强p2。缓慢地推动C1,气体从p1一边经多孔塞流向p2一边,同时亦缓慢地使C2向右移动,但保持p1,p2不变。这种过程叫节流过程。由于这过程是在绝热系统中进行，所作的净功应等于系统内能的改变。

于是在过程的前后有：U1+p1V1=U2+p2V2=恒量，即过程前后焓H相等。在这过程中，系统温度随压强改变的现象称为焦耳－汤姆孙效应，并把气体温度T随压强p的变化率定义为焦耳－汤姆孙系数

恒定总流伯努利方程：

制冷剂属于可压缩气体，和氢气、空气等气体都为实际气体。对于理想的不可压缩流体，有恒定总流能量方程可以解释节流前后流体的压强和流速的变化。此公式可近似运用在水流的计算过程中。

（恒定总流伯努利方程）

其中Z为两断面的位置水头（Z是断面对于选定基准面的高督，水力学中称为位置水头，表示受单位重力作用的流体的位置势能），α为相应断面的动能修正系数，h为两断面间的平均单位水头损失。

由于两断面之间的管道有阻力损失，当流体通过两断面时，压强和流速的平方成一定的负相关关系。