《制冷及低温原理》课程讲课教案

8 液态低温工质的制取

8.1低温工程的性质

8.1.1 低温工程的种类

120K级的低温：天然气组分，如烃类（烷、烯、炔）约120K； 80K级的低温：空气成分：如O2ArN2约80K；

20K级以下的低温：氢气的液化（H2, 20K），氦的液化（He, 4.2K）。

(1)(2)(3)氧O2氮N2氩ArM?32M?28M?40Ts:90k?——炼钢???Ts:77k?空气主要成分?——保护气

?——焊接保护气Ts?87k???（4）其他气体：如甲烷CH4、氖Ne、氢H2、氦He 通常所指的低温技术包括：

获得纯净的低温介质（分离技术）； 获得低温液态工质 （液化技术）；

利用低温工质获得所需的低温温度（低温制冷技术）； 利用低温制冷获得高真空（低温泵）； 低温工质的储藏与运输； 低温绝热技术。

8.1.2空气及其组成气体的性质

空气=干空气+水蒸气 其中干空气：N2O2ArCO2......

可写作理想气体对待，M=28.97， Ts?78.9(泡点)/81.7(露点) 在相平衡（汽/液）情况下：液体中，N2：59% O2：40% Ar：1%

所谓的空分：就是从空气中提取N2、O2、Ar以及Ne等稀有气体。主要是低温分离，此外还有常温分离方法：分子筛变压吸附（PSA）、膜分离等。 8.1.3 氢的性质

（1）性质最为复杂的低温工质有三个同位素 H D T。

H2的密度最小，易燃易炸，可用作制冷工质、洁净燃料、重氢的原料

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（2）正氢与仲氢

Ortha-Hydrogen 正氢，双原子同向旋转；Para-Hydrogen 仲氢，双原子异向旋转 平衡氢( e- ) = OH2?PH2?f(T)

（O—P）正—仲转化，放热反应，且转化热 > 汽化潜热。故生产LH2时加催化剂。促使O→p转化。 8.1.4 氦的性质

主要是天然气中提取，氦有两种同位素4He、3He，通常指的氦为4He，同位素3He含量很少。氦是最难液化的气体。

氦有两个三相点，在2.5MPa以下得不到固体He，但存在一个高阶的液态相变LHeI?LHeII：叫做超液氦，中间的线叫?线。

LHeI?LHeII ?转变点约2.17K，“?”显示了Cp的突变，无气化潜热。 HeII 特性：（1）超流性??0,“爬膜”、“喷泉”现象；（2）超导热性???。

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8.2 气体液化循环

低温气体液化，必须降温至Tcr以下，需要制冷降温；维持低温系统所需制冷以补偿冷损；如生低温液体，补偿带走的的冷量。

8.2.1 绝热节流

何谓节流过程：h1?h2；实际气体h?h(p,T) 理想气体h?f(T) 焦一汤效应：实际气体在节流前后的温度变化效应

?vv??T?? 微分节流效应 ?2?? 理想气体???p??TT??h积分节流效应 ?T???hdp

p1p2??h?0??1???v???T??h?????T???v????h?0??P?hcp????T?p?????h?0T不变T降低 T增加???v????dh?cdT??T????v?cp? 取决于节流前的气体状态。 p??????T?p????三种情况内在机理，

dh?du?d?pv??0即du??d(pv)

u?u动?u势，节流后du势?0，但d(pv)不定， du动??du势?d(pv)也不确定。

转化温度与转化曲线

??T?根据微分节流效应 ?n????p??关系，可以求出?h?0时的状态

??h此时??h?0??Tinv，即转化温度，实践证明，当p?pmax时出现一条转化温度的曲线。节流前气体状态如果是p?pmax效果。

等温节流的效应?hT：?hT?h1?h0?cp(T1?T0)，即节流的制冷量。 8.2.2 气体等熵膨胀

\'，则节流后产生制冷Tinv?T?Tinv??T?1、通过膨胀机实现，对外做功；微分等熵效应 ?s????p??

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Tds?dh?vdp已知

???v??

dh?CpdT??T???v?dp?T?p???????v?则Tds?cpdT?T??dp

??T?p??T?T??v?故?s??????p?cp??T??0；等熵膨胀总是具有冷效应的。

??p??s2、制冷量计算

q?h0?h2?(h0?h1)?(h1?h2)??hT?We；其中?hT为等温节流效应，

We为膨胀输出功。

3、提高膨胀前后温差、制冷量的方法：增加初温T1和增加膨胀比

p1 p24、膨胀机效率—绝热效率，即实际焓降与理论焓降之比，?s??hpr?hth?h1?h2' h1?h2v??5、绝热节流与等熵膨胀比较：cp?温降和制冷量均是等熵膨胀高

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