等焓节流技术概述

马晓明 唐雪霄

（1.华电电力科学研究院有限公司 杭州 西湖区 310030；2.光大环保（中国）有限公司 深圳 福田区 518033）

引言

冷热的研究始于17世纪，直到1845年，J.P.焦耳为了研究气体温度与体积的关系进行了气体自由膨胀实验实验，发现了气体的内能只是温度的函数，与体积无关，称之为焦耳定律。1852年，J.P.焦耳和W.汤姆孙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，发现气体通过针形阀或孔板节流前后温度会发生变化，这一现象被称为焦耳-汤姆逊效应，简称J-T效应。由于某些气体节流后温度会降低，所以节流制冷技术广泛应用于制冷行业，是发展最早的制冷技术之一。

1 等焓节流

气体通过多孔塞或节流阀膨胀的过程称为绝热节流膨胀，绝热节流过程是不可逆过程。由于过程在绝热系统中进行，外界做的功等于系统内能的改变，为了研究节流后气体温度随压强变化的情况，通常用焦耳-汤姆逊系数来描述

式中：Cp为定压比热容；为定压热膨胀系数[1]。

若Tβ>1,则μ>0，节流后温度降低，称焦耳-汤姆逊正效应；若Tβ<1,则μ<0，节流后温度升高，称焦耳-汤姆逊负效应；若Tβ=1，则μ=0，节流前后温度不变，△T=0，称为焦耳-汤姆逊零效应。实际气体节流后温度发生变化，可知气体的内能不仅是温度的函数，还是体积(或压强)的函数。当气体非常稀薄时，△T→0，可推知理想气体节流前后温度不变，因此一定量某种理想气体的内能仅仅是温度的函数。

2 常用的制冷方法

低温制冷经常用到的方法有膨胀机制冷、等焓节流制冷、斯特林制冷、GM制冷、半导体制冷、辐射制冷、脉管制冷、绝热去磁制冷和稀释制冷等。

2.1 膨胀机制冷

膨胀机是利用逆布雷顿循环来实现制冷，基本循环包括等熵压缩，等压放热，等熵膨胀和等压吸热4个过程。广泛应用于诸多工业过程，如空气分离、低烃回收等深冷领域，特点是制冷温区广，功率大，效率较高。缺点是结构复杂，转速高，振动和噪音大，在小制冷量区域效果不理想[2]。

2.2 斯特林机制冷

斯特林制冷机是利用气缸内气体周期性膨胀和压缩来制取冷量的一种气体机械制冷机，基本循环为定温压缩，定容吸热，定温膨胀和定容放热4个过程。其理论效率为卡诺效率，制冷效率高，制冷温区广，结构紧凑，体积小。缺点是振动较大，由于气缸与活塞密封问题，导致寿命较短和油污染。近年来发展出自由活塞和间隙密封技术，实现了寿命长，高可靠性等优点，为斯特林机制冷技术带来了新的希望[3]。

2.3 GM制冷机制冷

Gifford-McMahon制冷机（GM制冷机）是一种采用蓄冷器的回热式的小型低温制冷机，利用西蒙膨胀原理来提供冷量，包含等温压缩、等压冷却、等熵膨胀、等压加热4个过程。GM制冷机结构简单，运转可靠、性能稳定、振动小、寿命长制冷温区广等优点，缺点是制冷量小，冷端有运动部件，有电磁干扰等，GM广泛应用于MRI，红外探测器等深冷领域[4]。

2.4 脉管制冷机制冷

脉管制冷机是利用管内气体有交变压力波时，管子封闭端变热，另一端变冷的特性而实现制冷目的。该制冷机有制冷温度广，没有低温端运动部件，可靠性高，寿命长，振动小，制冷温度低等优点，缺点是制冷效率不高，尤其在高温区效率很低，制冷功率小等[5]。

2.5 半导体制冷制冷

半导体制冷（TE）是根据帕尔帖效应研究而成的轻便型制冷器，结构简单、使用时间久、无噪音，缺点是制冷温度高，低温区域不理想，制冷量小，效率不高等[6]。

2.6 等焓节流制冷

等焓效应制冷是应用和发展最早的制冷方法之一，1895年德国林德和英国汉普逊分别独立提出了一次节流循环，包含等温压缩、等压冷却、等焓节流、等压加热4个过程，这也是最早在工业上使用的气体液化循环。尽管林德-汉普逊循环有很大的不可逆性，但是结构简单、运行可靠、价格低、冷端无运动部件、无磁场干扰等特点得到广泛应用。尤其在液氦温区，利用氦气在的非理想性质而实现了较高的效率，这是目前其他制冷技术难以达到的。并且其在低温下无运动部件因而具有高的可靠性等特点，是当前空间液氦温区主动式制冷技术的主流。

3 等焓节流影响因素

从纯理论角度出发，假设换热器的效率为100%、除了节流阀外没有不可逆压力降、不考虑漏热、压缩机效率和轴向传热等因素，影响J-T节流制冷的重要因素是积分节流效应和等温节流效应。积分节流效应和循环的冷却时间有很大关系，而等温节流效应和制冷量有很大关系。等温节流的公式如下所示：

式中：

其物理意义为定温压缩前后气体的焓差，实际上即为在相同温度下，工质因压力不同而造成的焓差。当换热是理想状态时，节流制冷循环的最大制冷量等于入口高压气体的等温节流效应的焓差。

4 提高等焓节流制冷的方法

根据以上积分节流效应和等温节流效应对J-T节流制冷循环影响的特点，有以下几种提高等焓节流制冷的方法：

4.1 混合工质

在环境温度附近，一般高沸点的工质等温节流效应大，积分节流效应大，所以制冷能力大，降温快，但是制冷温度较高。低沸点的工质等温节流效应小，不过可以获得较低的制冷温度，而且只有在低温状态下，低沸点工质才有较大的等温节流效应。为克服以上工质的优缺点，一般采用混合工质改善等温节流效应在整个温区的布局，增大等温节流效应随温度分布中的最小值，来改善节流制冷的循环制冷能力[7]。

4.2 预冷技术

降低高压气体进换热器的温度也是提高J-T节流制冷能力的方法之一，其原理是通过预冷高压侧工质温度来增加蒸发过程焓差[8]。

4.3 二次节流循环

二次节流循环也叫林德双压循环（Dual-Pressure Process），它是在循环中，将高压气体节流到某一中间压力后，分成两部分，一部分回收其冷量后再回到高压压缩机（这部分气体称为循环气体），以提高高压压缩机的进气压力，减少功耗；另一部分气体从中压再次节流到低压并获得液体。该循环可以减少液化需用功，因为在简单林德循环中，只有压缩气体的很小部分被液化，节流后末被液化的大部分低压气体返回到压缩机。双压循环中，部分压缩气体节流膨胀到中压就返回压缩机。虽然双压循环的液化率会有些降低，但其单位液体产品的功耗比简单林德循环低。然而，双压循环环增大了系统的复杂性，因而也降低了过程的可靠性。

5 结语

开发低温压缩机，发挥J-T节流制冷技术优势，缩短节流制冷循环温区，增加等温节流效应，串联不同工质的J-T节流制冷循环，利用不同气体在气液两相区相变制冷的巨大优势，从而发挥J-T节流制冷技术的特长。