绝热放气制冷概述.doc免费

1.3 绝热放气制冷概述 本章提示：　　 　　要求掌握：气体绝热放气基础；G－M制冷机原理及工作过程；S-V制冷机原理及工作过程；脉管制冷机原理及工作过程。 　　　　＊　　　　　　　　　　　　＊　　　　　　　　　　　　　＊ 　　刚性容器绝热放气过程是一个降温过程。在P1、T1给定的情况下，放气过程终了时的压力越低，所能达到的温度也越低。绝热放气过程中容器内气体温度的变化规律同定量气体的可逆绝热膨胀过程完全一样。如果放气过程进行的很慢，活塞左侧和右侧的气体始终处于平衡状态，将按等熵过程膨胀。?????? 　　本小节对气体绝热放气制冷的原理进行了简要的叙述，并在此基础上对G－M制冷机、S－V制冷循环和脉管制冷的原理作了介绍，并对其应用情况作了介绍。 　　设一刚性容器的容积为V，放气前容器内气体处于状态1（P1、T1），气体质量为m1，放气后变为状态2（P2、T2），气体质量为m2。在这一过程中Q＝0，w＝0。在放气过程中，放出的气体的状态即是容器内气体在该瞬间的状态，故h为变值。因此过程的特性可由下述微分方程组来描述　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　求解这一方程即可得到放气量及放气后的温度。 　　若容器内的气体可当作理想气体处理Cp，Cv为定值，并代入比内能u及比焓h的表达式　　　　　　　　　　　或 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　对整个过程进行积分得　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　再将理想气体的状态方程代入上式，经化简后即得　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）而且 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2） 　　由式（1）可以看出，刚性容器绝热放气过程是一个降温过程。在P1、T1给定的情况下，放气过程终了时的压力越低，所能达到的温度也越低。式（2）还表明，绝热放气过程中容器内气体温度的变化规律同定量气体的可逆绝热膨胀过程完全一样。这一点并不奇怪，因为在上面的推导中假定容器内的气体在每一瞬间都处于平衡状态，而没有考虑流出的气体在容器外自由膨胀时的不可逆性。 　　如图1所示，设有一个容器，内充高压气体，状态参数为P1、T1。设若有一活塞将气体分成两部分，右侧部分在放气过程中全部放出，左侧部分在放气结束后将占据整个容器，且压力降低到P2，温度降低到T2。如果放气过程进行的很慢，活塞左侧和右侧的气体始终处于平衡状态，将按等熵过程膨胀，初终两态的压力和温度将符合上式所表示的关系。在这种情况下，活塞左侧气体所作的功是按其本身的压力计算，因而所作的外功最大，温降也最大。 图1 绝热放气过程 　　但是，这样的理想情况实际上是不可能达到的，它只是理论上可以设想的极限情况。现在我们再来考察另一种极限情况，我们设想在阀门打开后活塞右侧的气体立即从P1降到P2，因而当活塞左侧的气体膨胀时只针对一个恒定不变的压力P2作功，1kg气体所作的功为：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　因此气体内能的变化为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3） 　　若为理想气体， ， 及 ，将这些关系代入上式，并化简后得：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4）及 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5） 　　将 ， 代入式（3），得气体的焓降为： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（6） 　　设放气前容器内的气量为 ，放气后容器内残存的气量为 ，则可求得　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）及 　　　　　　　　　　　　　　　　 　　将式（4）代入上式，化简后得：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（8） 　　在这一极限情况下活塞左侧气体所作的功为最小值，因而按式（4）计算的温差必然是最小温差。 　　上述两种情况下温度与压力的变化关系如图2所示。实际的放气过程总是介于上述两种极限情况之间，因而它的温度比也将在图2中两条曲线之间。过程进行得越慢，越接近等熵膨胀过程。 图2 放气过程中温度与压力的变化关系 ? 1.3.2 G-M制冷机 　　　　　　　　 　　G－M循环是由吉福特（Gifford）和麦克马洪（Mcmahon）二人发明，其原理是绝热气体放气制冷。目前已研制出单级、双级和三级G－M循环的制冷机，制冷温度从液氦温度到液氮温度，制冷量（1～100）w。目前G－M型制冷机已得到广泛应用。 　　　　　　　　　　 图1 GM制冷机的系统示意图 　　　　　　　　　　　　　　　GM制冷机循环动画演示 ? 　　工作气体在压缩机d中压缩，然后经冷却器c冷却，清洁的高压气体进入高压储气罐b。开始时，控制机构使推移活塞处于气缸底部，与此