絕熱節(jié)流計算公式

因為過程中流體與外界無熱量交換，亦無凈功量的交換，如果保持流體在節(jié)流后的高度和流速不變，即無重力位能和宏觀動能的變化（或變化小到可以忽略不計），則節(jié)流后流體的焓h2與節(jié)流前的焓h1相等，即

h2 = h1

同時，因絕熱節(jié)流是不可逆的絕熱過程，節(jié)流后流體的熵必然增大，有

s2 > s1

氣態(tài)流體經(jīng)絕熱節(jié)流后，比體積隨壓力降低而增大，即v2>v1；而液態(tài)流體的比體積節(jié)流前后變化很小。

絕熱節(jié)流前后流體（流體、氣體）的溫度變化稱為節(jié)流的溫度效應(yīng)。節(jié)流后流體的溫度降低（T2<T1），稱為節(jié)流冷效應(yīng)；節(jié)流后流體的溫度升高（T2>T1），稱為節(jié)流熱效應(yīng)；節(jié)流前后流體的溫度相等（T2=T1），稱為節(jié)流零效應(yīng)。節(jié)流的溫度效應(yīng)與流體的種類、節(jié)流前所處的狀態(tài)以及節(jié)流前后壓力降落的大小有關(guān)。

絕熱節(jié)流的溫度效應(yīng)可用絕熱節(jié)流系數(shù) 表征。對于壓降很小的節(jié)流過程，mJ>0，表示節(jié)流冷效應(yīng)；mJ<0，表示節(jié)流熱效應(yīng)；mJ=0，表示節(jié)流零效應(yīng)，稱為微分節(jié)流效應(yīng)。對于有限壓降的絕熱節(jié)流過程，溫度變化可沿連接節(jié)流前、后狀態(tài)的定焓線用如下積分式計算：稱為積分節(jié)流效應(yīng)。

測定絕熱節(jié)流系數(shù)的實驗叫作焦耳－湯姆遜實驗。保持流體進(jìn)口狀態(tài)1不變，而用改變節(jié)流閥門開度或改變流體流量等方法，可以得到流體經(jīng)過節(jié)流后的不同出口狀態(tài)2a、2b、2c…。測出各狀態(tài)的壓力和溫度值，并把它們表示在T–p坐標(biāo)圖上。流體在節(jié)流前、后焓值相等，即狀態(tài)點1、2a、2b、2c…有相同的焓值，它們的連線是一條定焓線。改變進(jìn)口狀態(tài)1，重復(fù)進(jìn)行上述實驗，就可得出一系列不同數(shù)值的定焓線，并可在T–p圖上描出定焓線簇。在任意的一個狀態(tài)點上，定焓線的斜率就是實驗流體處于該處狀態(tài)時的絕熱節(jié)流系數(shù)mJ。

注意，定焓線并非絕熱節(jié)流過程線，只是液體絕熱節(jié)流前、后的狀態(tài)落在同一條定焓線上。節(jié)流過程是典型的不可逆過程，過程中流體處于極不平衡的狀態(tài)，不能在狀態(tài)參數(shù)坐標(biāo)圖上用曲線表示出來。

在一定的焓值范圍內(nèi)，每一條定焓線有一個溫度最大值點，如1–2e線上的M 點。在這個點上，這個點稱為轉(zhuǎn)變點，其溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度Ti。把所有定焓線上的轉(zhuǎn)變點連結(jié)起來，就得到一條轉(zhuǎn)變曲線。轉(zhuǎn)變曲線將T–p圖分成兩個區(qū)域：在曲線與溫度軸包圍的區(qū)域內(nèi)恒有mJ>0，發(fā)生在這個區(qū)域內(nèi)的絕熱節(jié)流過程總是呈節(jié)流冷效應(yīng)，稱為冷效應(yīng)區(qū)；在轉(zhuǎn)變曲線以外的區(qū)域內(nèi)，恒有mJ<0，發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)的絕熱節(jié)流過程總是呈節(jié)流熱效應(yīng)，稱為熱效應(yīng)區(qū)。如果流體的進(jìn)口狀態(tài)處于熱效應(yīng)區(qū)，而經(jīng)絕熱節(jié)流后的出口狀態(tài)進(jìn)入冷效應(yīng)區(qū)，那么呈現(xiàn)的溫度效應(yīng)就與壓力降落的范圍有關(guān)。例如，節(jié)流前流體處于圖中的2a狀態(tài)，當(dāng)壓降不很大，而節(jié)流后狀態(tài)落在2d點（它與2a點溫度相等）的右側(cè)時，可呈節(jié)流熱效應(yīng)；但當(dāng)壓降足夠大，使節(jié)流后的狀態(tài)落在2d點左側(cè)時，則將呈節(jié)流冷效應(yīng)。壓降愈大，流體溫度降低愈甚。

轉(zhuǎn)變曲線具有一個壓力為最大值的極點。這一點的壓力pN稱最大轉(zhuǎn)變壓力。流體在大于pN的壓力范圍內(nèi)不會發(fā)生節(jié)流冷效應(yīng)。數(shù)值小于pN的任一定壓線p與轉(zhuǎn)變曲線有兩個交點，對應(yīng)著兩個溫度值T1和T2，分別叫作對應(yīng)于壓力p的上轉(zhuǎn)變溫度和下轉(zhuǎn)變溫度。轉(zhuǎn)變曲線與溫度軸(p→0)上方的交點(K點)對應(yīng)的溫度是最大轉(zhuǎn)變溫度TK，下方的交點對應(yīng)最小轉(zhuǎn)變溫度Tmin。流體溫度高于最大轉(zhuǎn)變或低于最小轉(zhuǎn)變溫度時，不可能發(fā)生節(jié)流冷效應(yīng)。

節(jié)流致冷是獲得低溫的一種常用方法，特別是在空氣和其它氣體的液化以及低沸點制冷劑的制冷工程中。節(jié)流致冷時，流體的初始溫度應(yīng)該低于最大轉(zhuǎn)變溫度TK。一般氣體的TK遠(yuǎn)高于室溫，約為臨界溫度的4.85～6.2倍。如二氧化碳的 ?1 500K，氬氣的TK(Ar)=732K，氮氣的 ，空氣的TK(Air)=603K。對于最大轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的氣體，例如氫 和氦 ，則必須將它們預(yù)先冷卻到TK以下，方能得到節(jié)流致冷的效果。

絕熱節(jié)流節(jié)流

管道中的流體流過截面突然縮小的閥門、狹縫及孔口等部分后發(fā)生壓力降低的現(xiàn)象，稱為節(jié)流。節(jié)流過程是一種典型的不可逆過程。

工程上常利用節(jié)流過程控制流體的壓力,還可利用節(jié)流時壓力降低與流量的對應(yīng)關(guān)系制成流量計等。

右圖為氣體流經(jīng)一孔口時節(jié)流過程的示意圖 。

絕熱節(jié)流絕熱節(jié)流

節(jié)流過程中氣流與外界的熱交換可以忽略不計時，可以認(rèn)為節(jié)流過程為絕熱過程，稱為絕熱節(jié)流。

氣體絕熱節(jié)流的特征：

（1）忽略略氣體流動動能的變化，絕熱節(jié)流前后焓值相等，h₁=h₂ ，但絕熱節(jié)流過程不是定焓過程。

（2）絕熱節(jié)流過程中氣體壓力降低。

（3）由于擾動、渦流等不可逆因素的影響，絕熱節(jié)流過程中氣體的熵將增加。

（4）絕熱節(jié)流使氣體的火用值降低。

節(jié)流過程是指流體（液體、氣體）在流道中流經(jīng)閥門、孔板或多孔堵塞等設(shè)備時壓力降低的一種特殊流動過程。如果節(jié)流過程中流體與外界沒有熱量交換就稱為絕熱節(jié)流。節(jié)流過程在熱力設(shè)備中常用于壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)或測量以及獲得低溫等方面。

節(jié)流過程是典型的不可逆過程，過程中流體處于非平衡狀態(tài)。研究節(jié)流過程，是研究從節(jié)流前到節(jié)流后流體分別處于平衡態(tài)時各種參數(shù)通過過程引起的變化 。

較高壓力下的流體（氣或液）經(jīng)多孔塞（或節(jié)流閥）向較低壓力方向絕熱膨脹過程稱為節(jié)流膨脹。

1852年，焦耳和湯姆遜設(shè)計了一個節(jié)流膨脹實驗，使溫度為T₁的氣體在一個絕熱的圓筒中由給定的高壓p₁經(jīng)過多孔塞（如棉花、軟木塞等）緩慢地向低壓p₂膨脹。多孔塞兩邊的壓差維持恒定。膨脹達(dá)穩(wěn)態(tài)后，測量膨脹后氣體的溫度T₂。他們發(fā)現(xiàn)，在通常的溫度T₁下，許多氣體（氫和氦除外）經(jīng)節(jié)流膨脹后都變冷（T₂ 1）。如果使氣體反復(fù)進(jìn)行節(jié)流膨脹，溫度不斷降低，最后可使氣體液化。

節(jié)流膨脹是工業(yè)上液化氣體的一個重要方法。例如林德（Linde）法。根據(jù)熱力學(xué)原理，在焦耳-湯姆遜實驗（Joule-Thomsen’s experiment）中系統(tǒng)對環(huán)境做功-W=p ₂V ₂-p ₁V ₁，V ₁及V ₂分別為始態(tài)和終態(tài)的體積。Q=0，故ΔU=-(p ₂V ₂-p ₁V ₁）；U ₂ p ₂V ₂=U ₁ p ₁V ₁；即H ₂=H ₁。所以焦耳-湯姆孫實驗（簡稱焦湯實驗）的熱力學(xué)實質(zhì)是焓不改變，或者說它是一個等焓過程（isenthalpic process）。

鑒于1843年，焦耳的自由膨脹實驗不夠精確，1852年焦耳和湯姆遜設(shè)計了一個節(jié)流膨脹實驗來觀察實際氣體在膨脹時所發(fā)生的溫度變化。實驗如下：在一個圓形絕熱筒的中部，置有一個剛性的多孔塞，使氣體通過多孔塞緩慢地進(jìn)行節(jié)流膨脹，并且在多孔塞的兩邊能夠維持一定的壓力差，實驗時，將壓力和溫度恒定為p ₁和t ₁的某種氣體，連續(xù)地壓過多孔塞，使氣體在多孔塞右邊的壓力恒定為p ₂，且p ₁>p ₂。由于多孔塞的孔很小，氣體只能緩慢地從左側(cè)進(jìn)入右側(cè)，從p ₁到p ₂的壓力差基本上全部發(fā)生在多孔塞內(nèi)，由于多孔塞的節(jié)流作用，可保持左室p ₁部分和右室低壓p ₂的部分壓力恒定不變，即分別為p ₁與p ₂。這種維持一定壓力差的絕熱膨脹過程叫做節(jié)流膨脹。2100433B

絕熱指數(shù)是指理想氣體可逆絕熱過程的指數(shù)，用K表示，所以理想氣體比熱比等于絕熱指數(shù)。在天體物理學(xué)中絕熱指數(shù)也指天體被壓縮1%所產(chǎn)生的壓力增大的百分比。

若流體工質(zhì)在狀態(tài)變化的某一過程中不與外界發(fā)生熱交換，則該過程就稱為絕熱過程。用節(jié)流孔板測量氣體流量時，流體流過節(jié)流孔板時發(fā)生的狀態(tài)變化，可近似地認(rèn)為是一絕熱過程。為了在測量中能求出氣體膨脹系數(shù)，就需要知道表征被測氣體為絕熱過程的絕熱指數(shù)。若該氣體可認(rèn)為是理想氣體，則其絕熱指數(shù)K就是定壓比熱容與定容比熱容之比，即

K=Cp/Cv

對于實際氣體來說，絕熱指數(shù)與氣體的種類、所受壓力、溫度有關(guān)。一般地說，單原子氣體的絕熱指數(shù)K為1.66，雙原子氣體的絕熱指數(shù)K為1.41。

自噴井和氣舉井在井口安裝油嘴，分別用于節(jié)流控制產(chǎn)量和注氣量，實現(xiàn)對生產(chǎn)動態(tài)的調(diào)控。除了井口的油嘴外，油田上還有其他許多節(jié)流裝置，比如井下節(jié)流閥、氣舉閥、分層注氣的氣嘴等。流體通過這些截面突縮部件的流動被稱為嘴流。氣體嘴流流量方程與絕熱指數(shù)有關(guān)，只有當(dāng)氣體壓力較低時，可以當(dāng)作理想氣體，這時絕熱指數(shù)是定壓比熱容與定容比熱容的比值，為常數(shù)；而氣體的定壓比熱容和定容比熱容都是溫度和壓力的函數(shù)，這兩者的比值被稱為比熱比。對于氣體絕熱等熵過程，計算溫度相關(guān)量時需要使用溫度絕熱指數(shù)；計算體積相關(guān)量時需要使用體積絕熱指數(shù)，兩者不相等。氣體嘴流流量方程中的絕熱指數(shù)實際上是體積絕熱指數(shù)，是溫度和壓力的函數(shù)。油田生產(chǎn)中進(jìn)行氣體嘴流流量計算時，體積絕熱指數(shù)一般取常數(shù)1.3，在溫度和壓力較高時是不合適的。

體積絕熱指數(shù)隨溫度的升高而降低，隨壓力的增加而增加。當(dāng)壓力小于10MPa時，體積絕熱指數(shù)可視為常數(shù)1.3；當(dāng)壓力大于10MPa時，如果出口與入口壓力比大于0.9，工程上體積絕熱指數(shù)取1.3的固定值是合適的，否則，比熱比與體積絕熱指數(shù)相差較大，用其代替體積絕熱指數(shù)會帶來較大的誤差 。2100433B