鄭光霞，黃承相，莫蔓婷，吳 霓，劉天梅，陳 漓

(百色學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000)

1 引言

焦耳-湯姆遜(JT)效應(yīng)在制冷和氣體液化過程中具有相當(dāng)重要的意義。在適當(dāng)?shù)臈l件下，流體的絕熱節(jié)流將導(dǎo)致其溫度下降。為使流體達(dá)到節(jié)流制冷的效果，流體的熱力學(xué)狀態(tài)必須位于由轉(zhuǎn)換曲線限定的區(qū)域中。JT系數(shù)為零的點(diǎn)滿足下列的熱力學(xué)關(guān)系式[2]。

(1)

如果以溫度-壓強(qiáng)關(guān)系坐標(biāo)表示，JT轉(zhuǎn)換曲線大約呈拋物線狀。從JT系數(shù)來理解轉(zhuǎn)換曲線對(duì)JT效應(yīng)冷卻過程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。然而直接測(cè)量轉(zhuǎn)換點(diǎn)既麻煩又不可靠，這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換點(diǎn)附近壓強(qiáng)的微小變化也會(huì)產(chǎn)生溫差，只有通過極其精確的測(cè)量才能檢測(cè)到。一般來說，通過熱力學(xué)關(guān)系和狀態(tài)方程來計(jì)算JT效應(yīng)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)比較方便。

(2)

JT系數(shù)對(duì)溫度和壓強(qiáng)的微小偏差很敏感。為此，利用轉(zhuǎn)換曲線來檢驗(yàn)狀態(tài)方程的適用性有重要的意義。

JT系數(shù)系數(shù)等于零的點(diǎn)是轉(zhuǎn)換點(diǎn)，由眾多的轉(zhuǎn)換點(diǎn)可構(gòu)成轉(zhuǎn)換曲線。轉(zhuǎn)換曲線劃定了JT系數(shù)為正的區(qū)間和負(fù)的區(qū)間；因此，它是輸運(yùn)和分離過程的一個(gè)重要參數(shù)。此外不少的文獻(xiàn)常常利用JT系數(shù)和轉(zhuǎn)換曲線作為對(duì)狀態(tài)方程的一種檢驗(yàn)方式，提高狀態(tài)方程對(duì)物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)的預(yù)測(cè)能力。

根據(jù)轉(zhuǎn)換曲線中JT系數(shù)等于零的原理，對(duì)于描述流體的狀態(tài)方程，可以從方程(2)中導(dǎo)出以下的式子。

2 狀態(tài)方程描述轉(zhuǎn)換曲線

Dilay GW,Heidemann RA[3](1986)，計(jì)算了Soave-Redlich-Kwong、Peng-Robinson和Lee-Kesler狀態(tài)方程的轉(zhuǎn)換曲線。本文采用SJ多參數(shù)狀態(tài)方程來預(yù)測(cè)一些流體的轉(zhuǎn)換曲線。SJ狀態(tài)方程一般有如下表示：

其參數(shù)一般按下列關(guān)系式運(yùn)算。

由SJ狀態(tài)方程中分別計(jì)算氮、二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷的JT轉(zhuǎn)換曲線如下圖1-圖5所示，并與文獻(xiàn)值以及SRK方程[3]、RK方程[4]和vdW方程[5]計(jì)算結(jié)果相比較(表1)。

圖1 氮的JT轉(zhuǎn)換曲線

圖2 CO2的JT轉(zhuǎn)換曲線。

圖3 甲烷的JT轉(zhuǎn)換曲線。

圖4 乙烷的JT轉(zhuǎn)換曲線。

圖5 丙烷的JT轉(zhuǎn)換曲線

表1 幾種流體的最大轉(zhuǎn)換壓強(qiáng)ρmax，相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換溫度T和最大轉(zhuǎn)換溫度Tmax

表1(續(xù))

文獻(xiàn)值以及每種流體偏心因子和臨界狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值取自參考文獻(xiàn)[6]

表1計(jì)算并給出了這四個(gè)方程的最大轉(zhuǎn)換壓強(qiáng)ρmax，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換溫度T和最大轉(zhuǎn)換溫度 。

3 結(jié)論

狀態(tài)方程描述氮、二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷的JT轉(zhuǎn)換曲線在低溫區(qū)與文獻(xiàn)值有較好地吻合。而在高溫區(qū)預(yù)測(cè)的能力有些差強(qiáng)人意，SRK方程預(yù)測(cè)高溫區(qū)的數(shù)值往往偏小，其他三個(gè)方程(SJ方程、RK方程、vdW方程)J預(yù)測(cè)的數(shù)值比文獻(xiàn)值要大些，其中vdW方程偏差最大。