2024年3月19日发(作者：妫萍韵)

心得报告

题目：气体节流膨胀和绝热膨胀的原理

在气体分离和液化设备中，气体节流膨胀和绝热膨胀是目前获得低温的主要方

法。

一、节流过程的热力学特性

工程热力学中认为，当气体在管道中流动，在遇到缩口和节流阀门时，由于局部

阻力，使其压力显著下降，体积迅速膨胀，这种现象叫做“节流膨胀”。气体经

节流后，流速加大，气体内能和流动功将发生变化，又由于过程的时间较短，来

不及与外界进行热量交换，一般可近似的认为节流过程是一个绝热过程，且不对

外做功，气体的温度将发生一定变化。

大家知道焓(enthalpy)是某一状态下气体内能和流动功之和(H=U+PV)，可以

通过焓的这一定义，推导出气体在节流阀前的内能与流动功之和等于节流阀后的

内能与流动功之和，也就是节流前后气体的焓值不变。因为理想气体的焓值只是

温度的函数，根据这一结论将十分清楚的告诉我们，理想气流体节流前后温度是

不变的，因此对理想气体的节流研究是没有什么意义的。由于实际气体的焓值是

温度和压力的函数，那么实际气体的节流将与理想气体节流不同，实际气体节流

后温度变化会有三种情况，即降温、升温、温度不变。通常把低温液化气体节流

后温度发生变化的这一现象，称之为“焦耳一汤姆逊效应”

(

Joule-Thomson

effect

)

。

根据焓的定义和节流前后气体焓值不变的这一过程特性，可以得出气体节流

前后内能变化等于气体流动功的变化，其关系式如下:

u

1

-u

2

=P

2

v

2

-P

1

v

1

式中 u

1

：节流前气体内能

P

1

：节流前气体压力

v

1

：节流前气体比容

u

2

：节流后气体内能

P

2

：节流后气体压力

内动能

内位能

V

2

：节流后气体比容

而气体的内能又由气体的内位能和内动能组成(u=C

v

T + u

s

)，因此气体节流

后是降温、升温，还是温度不变，完全取决于节流前后的内动能、内位能和流动

功这三者的变化关系，其关系式如下:

内动能 内位能 流体功

式中 T

1

：节流前气体的温度

u

1

：节流前气体的位能

T

2

：节流后气体的温度

[鍵入文字]

u

2

：节流后气体的位能

C

v

：气体等容比热

A：热功当量

因为气体节流后，压力总是降低的，即比容增大，因此气体的内位能也将增

s

大，也就是

u

2

u

1

s

为正值。至于P

1

v

1

-P

2

v

2

值的变化，要根据实际气体所处的温度、

压力来判定。当C

v

(T

1

-T

2

) >0，降温。C

v

(T

1

-T

2

)< O，升温。C

v

(T

1

-T

2

)= O温度不变。

现针对节流后的这三种情况进行分析讨论:

s

(1)当(P

1

v

1

-P

2

v

2

)≦0，因(

u

2

u

1

s

) > 0，所以C

v

(T

1

-T

2

) >0，节流后气体温度下降。

s

(2)当(P

1

v

1

-P

2

v

2

)＞0，因(

u

2

u

1

s

) > 0，可分下列三种情况讨论

s

①(P

1

v

1

-P

2

v

2

)< (

u

2

u

1

s

)时，即C

v

(T

1

-T

2

) >0，节流后气体温度下降。

s

②(P

1

v

1

-P

2

v

2

)= (

u

2

u

1

s

)时，即C

v

(T

1

-T

2

) =0，节流后气体温度不变。

s

③(P

1

v

1

-P

2

v

2

)< (

u

2

u

1

s

)时，即C

v

(T

1

-T

2

) <0，节流后气体温度升高。

从以上分析可知，气体节流后温度如何变化，将取决于气体的性质和气体所

处的状态(压力、温度)。通常我们把节流后温度不变的这个节流前温度称之为“转

化温度”(inverse temperature)，与此相对应的压力称为“转化压力”(inverse

pressure)。

实际气体节流存在着节流转化温度，而转化温度对气体节流降温、液化过程

中的参数选取是十分重要的。一般可以通过凡德瓦尔方程(van der Waals gas

equation)或实验来求得实际气体的转化温度。

在实务上，我们常用焦耳一汤姆逊系数（Joule-Thomson coefficient)



JT

(

T

)

h

它表示经节流过程后，气体温度随压力的变化率。为了求



JT

的值，必

P

须在T-P图作出等焓线，在T-P图上找出多个等焓线，在等焓在线任意一点的切

线(dT/dP )

h

，就是该温度压力下的



JT

值。



JT

>0 ，表示经节流膨胀后，气体温

度降低。



JT

<0，表示经节流膨胀后，气体温度升高。



JT

=0表示经节流膨胀后，

气体温度不变。

T-P图上，一个压力一般对应有两个转化温度，即上转化温度(在气相)和下

转化温度(在液相)，当一个压力只对应一个转化温度时，我们称这个压力为最大

转化压力，在压力大于最大转变压力时，该压力下无转化温度。如果将各压力下

所对应的转化温度绘成曲线，这曲线就是所谓的气体节流转化曲线。节流转化曲

线十分清楚地告诉我们节流前参数应如何选定。要使气体节流后温降，节流前压

力应小于最大转变压力，节流前温度必须在上、下转化温度之间，否则气体节流

后不会产生冷效应。

各种气体的节流转化温度，可由相应的转化曲线和有关数据表上查得。图一

为氮气、氢气、氦气之温度转化曲线。在图一上



JT

>0 ，是致冷区，在这个区

[鍵入文字]

内，可以把气体降温、液化；虚线以右，



JT

< 0 ，是致热区，气体经过节流过

程温度反而升高。表一为空分中几种主要气体在一大气压下的节流转化温度。从

图一及表一可得知N

2

的转化曲线温度高，致冷区范围大（包含常温区），N

2

经节

流膨胀后，可以很容易达到降温的效果；而 H

2

和He转化曲线温度低，致冷区范

围小（均在<0℃），若要使这类气体节流后产生冷效应，必须在节流前先将其预

冷到冷效应区。

另外，我们还经常遇到积分节流效应和等温节流效应的概念，通俗说法，气

体节流前后的温差，称为“积分节流效应”气体等温压缩过程的焓差，称为“等

温节流效应”，其值可在气体T-S图和h-T图上查得。如果把节流后的气体再恢

复到起始状态，此时能吸收热量，它就具有制冷能力。气体节流后为什么会具有

制冷能力，这种说法不是与我们常说的节流不产冷相矛盾了吗？其实气体在压缩

过程中，就已将压缩功转化成热量传给环境介质，同时气体压缩后内能减少(焓

下降)，也是以热量的方式传给环境介质。所以说气体节流后的制冷能力是在等

温压缩时获得的，节流过程本身不具备这个能力，只是通过节流将这一制冷能力

表现出来（显现出来的现象就是温度下降）。

由于节流过程存在着传热和摩擦阻力损失，所以节流是一个不可逆过程，必

然会引起熵变大，是一个熵增加的过程。

二、气体的等熵膨胀

熵(enthropy)同焓一样都是状态参数，熵是气体分离过程中用于理论分析时

的一个十分重要的状态参数，并由热力学第二定律引出。一个过程仅根据温度变

化来判断该过程是吸热或放热是不正确的，如气体的绝热压缩或膨胀，过程中有

温度变化，但因为是绝热的，无热量传递，过程中熵没有发生变化;又如蒸发或

冷凝过程，过程中无温度变化，但确有热量传递，过程中熵变，这里就存在一个

方向性的问题，在热力学第二定律中已作清楚论述，“热不可能自发地、不付代

价地从一个低温物体传给另一个高温物体”。人们感兴趣的是气体分离过程中有

无热量传递，其传递的量是多少，而引进熵的观念，给热量的分析和计算带来了

方便。我们常用熵的变化来判断过程的方向，如△S=0表示绝热过程，△S>0表

示吸热过程，△S<0表示放热过程。

气体的绝热(等熵)膨胀是在膨胀机中完成的，膨胀过程中要对外作功，膨胀

后气体体积增大，位能增加，在绝热条件下要提供这部分能耗，只能靠气体降温

减少动能来实现，所以气体绝热膨胀温度总是下降的。这个物理现象可由热力学

关系式等熵膨胀系数



s

T>0，

(

(

T

P

)

s

T(

V

)

p

/C

p

来做说明，对任何气体而言，

C

p

>0，

T

V

)

P

>0，所以μ

s

永远为正，表明任何气体进行等熵膨胀时，气体的温度必

T

定是降低的。

[鍵入文字]

气体绝热膨胀后的制冷量等于等温节流效应与膨胀机对外作功之和，其产冷

量和温降大大超过节流膨胀，这可由实际的例子计算来验证，如范例一所示。事

实上气体绝热膨胀过程同样存在着机械摩擦和传热，过程也是一个熵增的过程，

只是绝热膨胀过程熵增加的幅度远小于节流膨胀的熵增。

气体绝热膨胀，膨胀后能对外作功，可提高流程的经济性，但膨胀机结构复

杂；节流膨胀，主要采用节流阀，结构简单、操作方便。节流可在气相和液相中

进行，但存在节流转化温度的问题。节流过程能量损失较大，经济性差。

总之这两种制冷方法各有优缺点，应根据气体分离与液化过程中的具有工艺

条件进行合理的选择和配置。

三、参考文献

『制氧工问题解答』薄达，深冷技术1998年第1期。

『化工热力学教程』马沛生主编，北京 高等教育出版社。

『空分技术读本』王丽丽、刘勃安等编着，北京 化学工业出版社。

『制氧技术第二版』李化治编着，北京 冶金工业出版社。

[鍵入文字]

图一：氮气、氢气、氦气之温度转化曲线

表一：空分中几种主要气体在一大气压下的节流转化温度。

名称转化温度T (K)名称转化温度T (K)

空气650氖230

氧771氢204

氮604氦46

氩765甲烷953

范例：假设空气的状态，压力为P

1

=8 atm(a)，温度为T

1

=145K(-128℃)，分别进

行节流膨胀和等熵膨胀后，膨胀压力为P=1.35 atm(a)，其膨胀后温度计

算如下。

解：利用附件空气之T-S图(参考制氧技术第二版)

对节流膨胀而言，P

1

=8 atm(a)、T

1

=145K下，可由T-S图查知H

1

≒83 Kcal/Kg、

S

1

≒0.58 Kcal/(Kg˙K)，在等焓线H

1

与P

2

等压线交点，可查得节流膨胀后

之温度为T

2h

≒138K(-135℃)。

对等熵膨胀而言，P

1

=8 atm(a)、T

1

=145K下，可由T-S图查知H

1

≒83 Kcal/Kg、

S

1

≒0.58 Kcal/(Kg˙K)，在等熵线S

1

与P

2

等压线交点，可查得等熵膨胀后

之温度为T

2S

≒92K(-181℃)。

[鍵入文字]

2024年3月19日发(作者：妫萍韵)

心得报告

题目：气体节流膨胀和绝热膨胀的原理

在气体分离和液化设备中，气体节流膨胀和绝热膨胀是目前获得低温的主要方

法。

一、节流过程的热力学特性

工程热力学中认为，当气体在管道中流动，在遇到缩口和节流阀门时，由于局部

阻力，使其压力显著下降，体积迅速膨胀，这种现象叫做“节流膨胀”。气体经

节流后，流速加大，气体内能和流动功将发生变化，又由于过程的时间较短，来

不及与外界进行热量交换，一般可近似的认为节流过程是一个绝热过程，且不对

外做功，气体的温度将发生一定变化。

大家知道焓(enthalpy)是某一状态下气体内能和流动功之和(H=U+PV)，可以

通过焓的这一定义，推导出气体在节流阀前的内能与流动功之和等于节流阀后的

内能与流动功之和，也就是节流前后气体的焓值不变。因为理想气体的焓值只是

温度的函数，根据这一结论将十分清楚的告诉我们，理想气流体节流前后温度是

不变的，因此对理想气体的节流研究是没有什么意义的。由于实际气体的焓值是

温度和压力的函数，那么实际气体的节流将与理想气体节流不同，实际气体节流

后温度变化会有三种情况，即降温、升温、温度不变。通常把低温液化气体节流

后温度发生变化的这一现象，称之为“焦耳一汤姆逊效应”

(

Joule-Thomson

effect

)

。

根据焓的定义和节流前后气体焓值不变的这一过程特性，可以得出气体节流

前后内能变化等于气体流动功的变化，其关系式如下:

u

1

-u

2

=P

2

v

2

-P

1

v

1

式中 u

1

：节流前气体内能

P

1

：节流前气体压力

v

1

：节流前气体比容

u

2

：节流后气体内能

P

2

：节流后气体压力

内动能

内位能

V

2

：节流后气体比容

而气体的内能又由气体的内位能和内动能组成(u=C

v

T + u

s

)，因此气体节流

后是降温、升温，还是温度不变，完全取决于节流前后的内动能、内位能和流动

功这三者的变化关系，其关系式如下:

内动能 内位能 流体功

式中 T

1

：节流前气体的温度

u

1

：节流前气体的位能

T

2

：节流后气体的温度

[鍵入文字]

u

2

：节流后气体的位能

C

v

：气体等容比热

A：热功当量

因为气体节流后，压力总是降低的，即比容增大，因此气体的内位能也将增

s

大，也就是

u

2

u

1

s

为正值。至于P

1

v

1

-P

2

v

2

值的变化，要根据实际气体所处的温度、

压力来判定。当C

v

(T

1

-T

2

) >0，降温。C

v

(T

1

-T

2

)< O，升温。C

v

(T

1

-T

2

)= O温度不变。

现针对节流后的这三种情况进行分析讨论:

s

(1)当(P

1

v

1

-P

2

v

2

)≦0，因(

u

2

u

1

s

) > 0，所以C

v

(T

1

-T

2

) >0，节流后气体温度下降。

s

(2)当(P

1

v

1

-P

2

v

2

)＞0，因(

u

2

u

1

s

) > 0，可分下列三种情况讨论

s

①(P

1

v

1

-P

2

v

2

)< (

u

2

u

1

s

)时，即C

v

(T

1

-T

2

) >0，节流后气体温度下降。

s

②(P

1

v

1

-P

2

v

2

)= (

u

2

u

1

s

)时，即C

v

(T

1

-T

2

) =0，节流后气体温度不变。

s

③(P

1

v

1

-P

2

v

2

)< (

u

2

u

1

s

)时，即C

v

(T

1

-T

2

) <0，节流后气体温度升高。

从以上分析可知，气体节流后温度如何变化，将取决于气体的性质和气体所

处的状态(压力、温度)。通常我们把节流后温度不变的这个节流前温度称之为“转

化温度”(inverse temperature)，与此相对应的压力称为“转化压力”(inverse

pressure)。

实际气体节流存在着节流转化温度，而转化温度对气体节流降温、液化过程

中的参数选取是十分重要的。一般可以通过凡德瓦尔方程(van der Waals gas

equation)或实验来求得实际气体的转化温度。

在实务上，我们常用焦耳一汤姆逊系数（Joule-Thomson coefficient)



JT

(

T

)

h

它表示经节流过程后，气体温度随压力的变化率。为了求



JT

的值，必

P

须在T-P图作出等焓线，在T-P图上找出多个等焓线，在等焓在线任意一点的切

线(dT/dP )

h

，就是该温度压力下的



JT

值。



JT

>0 ，表示经节流膨胀后，气体温

度降低。



JT

<0，表示经节流膨胀后，气体温度升高。



JT

=0表示经节流膨胀后，

气体温度不变。

T-P图上，一个压力一般对应有两个转化温度，即上转化温度(在气相)和下

转化温度(在液相)，当一个压力只对应一个转化温度时，我们称这个压力为最大

转化压力，在压力大于最大转变压力时，该压力下无转化温度。如果将各压力下

所对应的转化温度绘成曲线，这曲线就是所谓的气体节流转化曲线。节流转化曲

线十分清楚地告诉我们节流前参数应如何选定。要使气体节流后温降，节流前压

力应小于最大转变压力，节流前温度必须在上、下转化温度之间，否则气体节流

后不会产生冷效应。

各种气体的节流转化温度，可由相应的转化曲线和有关数据表上查得。图一

为氮气、氢气、氦气之温度转化曲线。在图一上



JT

>0 ，是致冷区，在这个区

[鍵入文字]

内，可以把气体降温、液化；虚线以右，



JT

< 0 ，是致热区，气体经过节流过

程温度反而升高。表一为空分中几种主要气体在一大气压下的节流转化温度。从

图一及表一可得知N

2

的转化曲线温度高，致冷区范围大（包含常温区），N

2

经节

流膨胀后，可以很容易达到降温的效果；而 H

2

和He转化曲线温度低，致冷区范

围小（均在<0℃），若要使这类气体节流后产生冷效应，必须在节流前先将其预

冷到冷效应区。

另外，我们还经常遇到积分节流效应和等温节流效应的概念，通俗说法，气

体节流前后的温差，称为“积分节流效应”气体等温压缩过程的焓差，称为“等

温节流效应”，其值可在气体T-S图和h-T图上查得。如果把节流后的气体再恢

复到起始状态，此时能吸收热量，它就具有制冷能力。气体节流后为什么会具有

制冷能力，这种说法不是与我们常说的节流不产冷相矛盾了吗？其实气体在压缩

过程中，就已将压缩功转化成热量传给环境介质，同时气体压缩后内能减少(焓

下降)，也是以热量的方式传给环境介质。所以说气体节流后的制冷能力是在等

温压缩时获得的，节流过程本身不具备这个能力，只是通过节流将这一制冷能力

表现出来（显现出来的现象就是温度下降）。

由于节流过程存在着传热和摩擦阻力损失，所以节流是一个不可逆过程，必

然会引起熵变大，是一个熵增加的过程。

二、气体的等熵膨胀

熵(enthropy)同焓一样都是状态参数，熵是气体分离过程中用于理论分析时

的一个十分重要的状态参数，并由热力学第二定律引出。一个过程仅根据温度变

化来判断该过程是吸热或放热是不正确的，如气体的绝热压缩或膨胀，过程中有

温度变化，但因为是绝热的，无热量传递，过程中熵没有发生变化;又如蒸发或

冷凝过程，过程中无温度变化，但确有热量传递，过程中熵变，这里就存在一个

方向性的问题，在热力学第二定律中已作清楚论述，“热不可能自发地、不付代

价地从一个低温物体传给另一个高温物体”。人们感兴趣的是气体分离过程中有

无热量传递，其传递的量是多少，而引进熵的观念，给热量的分析和计算带来了

方便。我们常用熵的变化来判断过程的方向，如△S=0表示绝热过程，△S>0表

示吸热过程，△S<0表示放热过程。

气体的绝热(等熵)膨胀是在膨胀机中完成的，膨胀过程中要对外作功，膨胀

后气体体积增大，位能增加，在绝热条件下要提供这部分能耗，只能靠气体降温

减少动能来实现，所以气体绝热膨胀温度总是下降的。这个物理现象可由热力学

关系式等熵膨胀系数



s

T>0，

(

(

T

P

)

s

T(

V

)

p

/C

p

来做说明，对任何气体而言，

C

p

>0，

T

V

)

P

>0，所以μ

s

永远为正，表明任何气体进行等熵膨胀时，气体的温度必

T

定是降低的。

[鍵入文字]

气体绝热膨胀后的制冷量等于等温节流效应与膨胀机对外作功之和，其产冷

量和温降大大超过节流膨胀，这可由实际的例子计算来验证，如范例一所示。事

实上气体绝热膨胀过程同样存在着机械摩擦和传热，过程也是一个熵增的过程，

只是绝热膨胀过程熵增加的幅度远小于节流膨胀的熵增。

气体绝热膨胀，膨胀后能对外作功，可提高流程的经济性，但膨胀机结构复

杂；节流膨胀，主要采用节流阀，结构简单、操作方便。节流可在气相和液相中

进行，但存在节流转化温度的问题。节流过程能量损失较大，经济性差。

总之这两种制冷方法各有优缺点，应根据气体分离与液化过程中的具有工艺

条件进行合理的选择和配置。

三、参考文献

『制氧工问题解答』薄达，深冷技术1998年第1期。

『化工热力学教程』马沛生主编，北京 高等教育出版社。

『空分技术读本』王丽丽、刘勃安等编着，北京 化学工业出版社。

『制氧技术第二版』李化治编着，北京 冶金工业出版社。

[鍵入文字]

图一：氮气、氢气、氦气之温度转化曲线

表一：空分中几种主要气体在一大气压下的节流转化温度。

名称转化温度T (K)名称转化温度T (K)

空气650氖230

氧771氢204

氮604氦46

氩765甲烷953

范例：假设空气的状态，压力为P

1

=8 atm(a)，温度为T

1

=145K(-128℃)，分别进

行节流膨胀和等熵膨胀后，膨胀压力为P=1.35 atm(a)，其膨胀后温度计

算如下。

解：利用附件空气之T-S图(参考制氧技术第二版)

对节流膨胀而言，P

1

=8 atm(a)、T

1

=145K下，可由T-S图查知H

1

≒83 Kcal/Kg、

S

1

≒0.58 Kcal/(Kg˙K)，在等焓线H

1

与P

2

等压线交点，可查得节流膨胀后

之温度为T

2h

≒138K(-135℃)。

对等熵膨胀而言，P

1

=8 atm(a)、T

1

=145K下，可由T-S图查知H

1

≒83 Kcal/Kg、

S

1

≒0.58 Kcal/(Kg˙K)，在等熵线S

1

与P

2

等压线交点，可查得等熵膨胀后

之温度为T

2S

≒92K(-181℃)。

[鍵入文字]