超流氦输送系统Joule-Thomson效应

    近年来随着空间技术的不断发展,超流氦(HeⅡ)以其独特的热物理性质在低温物理、超导技术、航空航天等领域得到了广泛的应用[1].国内外的专家学者对HeⅡ的物性进行了全面而深入的研究,其中包括对HeⅡ的Joule-Thomson效应的分析研究.Superfluid helium(HeⅡ)的负Joule-Thom-son效应将会引起输送过程中流体的显著温升,这对其输送系统而言至关重要.

    Joule-Thomson系数LJT的计算方法有状态方程法,热力学公式法以及针对某种物质的经验方程等等.而状态方程法更加接近于Joule-Thomson系数的物理本质和物理定义.由于HeⅡ本身的状态方程复杂,目前还很少有人利用这种方法来计算其µ_JT.本文针对该方法对HeⅡ的Joule-Thomson系数进行了分析与计算,并与多种方法的计算结果进行了比较和分析.

    1 绝热节流与Joule-Thomson效应

    利用节流阀来获得低温仍然是目前大多数实际液化系统所普遍采用的方法[2].该方法充分利用了待液化的气体通过节流阀时,由于局部阻力的存在导致压力显著下降的物理现象,这种物理现象被称为绝热节流.焓不变、熵增加是绝热节流过程中最主要的两个基本特征,伴随绝热节流过程而发生的温度变化就是Joule-Thomson效应.通常用Joule-Thomson系数µ_JT来描述气体在节流过程中温度随压力变化的程度,

    气体在通过绝热节流后温度降低时,产生冷却效应,这种温度变化叫正Joule-Thomson效应.少数气体在室温下节流温度反而升高,这种温度变化叫做负Joule-Thomson效应.因此µ_JT在数值上可以大于零、小于零或者等于零.理想气体的焓值只是温度的函数,所以理想气体节流后温度保持不变,即µ_JT=0.而实际气体的Joule-Thomson效应只有在低温和高压下表现得比较显著;对于一般液体而言,Joule-Thomson效应很小,通常被忽略不计[3].

    HeⅡ是一种性质独特的低温流体,在一般的使用条件下具有负Joule-Thomson效应.因此HeⅡ长距离输送系统产生的压力损失将会引起系统温度的升高,对输送系统产生重要的影响.因此如何正确地计算HeⅡ的Joule-Thomson系数,进而准确地确定由此产生的负Joule-Thomson效应是一项重要的工作.

    2 HeⅡ的µ_JT确定方法

    实验测量方法确定µ_JT的原理方程为

    由于实验方法更适合于理论研究,并不适合于工程应用,因此人们更加关注如何借助于热力学理论将实验方法向数学方法转变.

    利用物质状态方程计算µ_JT是根据其物理定义而采取的最直接的方法,而随后出现的热动力学公式法则是在此基础上经过进一步热力学推导而得.本文使用HeⅡ的状态方程直接计算µ_JT.