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制冷与低温原理 之 低温原理部分( 18 学时)

制冷与低温原理 之 低温原理部分( 18 学时). 厉彦忠 二 ОО 七年四月. 授课大纲. 绪论 第一章、低温工质的性质 第二章、获得低温的方法 第三章、气体液化循环 第四章、溶液热力学基础 第五章、气体精馏原理及设备. 热能与人工制冷. 能量的存在形式 能量守恒定律—第一定律 热能的品质与价值 能量转换的方向性—第二定律 热能与冷能 热量的逆向传递—有能量附加投入 热  电, 投入? 热 冷, 投入?. 高温区. 高温区. 动力机. 输出功. 制冷机. 输入功. 低温区. 低温区. 热能与人工制冷.

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制冷与低温原理 之 低温原理部分( 18 学时)

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  1. 制冷与低温原理之低温原理部分(18学时) 厉彦忠 二ОО七年四月

  2. 授课大纲 • 绪论 • 第一章、低温工质的性质 • 第二章、获得低温的方法 • 第三章、气体液化循环 • 第四章、溶液热力学基础 • 第五章、气体精馏原理及设备

  3. 热能与人工制冷 • 能量的存在形式 • 能量守恒定律—第一定律 • 热能的品质与价值 • 能量转换的方向性—第二定律 • 热能与冷能 • 热量的逆向传递—有能量附加投入 • 热电, 投入? • 热冷, 投入?

  4. 高温区 高温区 动力机 输出功 制冷机 输入功 低温区 低温区 热能与人工制冷 • 非自发过程进行需要投入能量

  5. 温度与能量等级 有效能—火用的概念

  6. 20C 0C -30C 室温 普通制冷 空调、 气调保鲜 -80C 冷冻、冷藏 低温储藏 生物培养 120K -160C 天然气液化 烷、烯、炔等分离 深度制冷(即低温) -200C 空气液化 氧、氮、氩分离 高温超导 -250C 氢气液化 氦气液化 低温超导 -270C 温度与能量等级 因为获得同样能量所耗费的代价更大 温度越低能量价值越高

  7. 低温制冷技术的进步 • 低温的定义--温区的划分: • T>120K 普通制冷 • T<120K 深度制冷 • T <20K 超低温制冷 • T < 1K 极低温制冷

  8. 低温制冷技术的进步 • 低温技术应用--应用领域: • 普冷(以对象划分): • 空调(>0C)、冷藏(0-30C)、冷冻(-30-80C) • 深冷(以工质划分): • 石油气天然气(~120K)、空气(~80K) • 超低温(以工质划分): • 氖气氢气(~20K)、氦气(~4K) • 极低温(以温度级划分): • 1K、1mK、1µK

  9. 低温技术涉及内容 • 工作特点 • 获得低温液态产品----液化技术 • 获得纯净的低温介质—分离技术 • 提供低温环境--------低温制冷技术 • 借助低温获得高真空—低温泵技术 • 相关技术 • 低温工质的储藏与运输 • 低温绝热技术

  10. 低温制冷技术的进步 • 低温的获得—低温及获得时间: • 1877年法国Cailletet获得雾状液滴的氧气—低温历史的开始 • 1883年波兰Wroblewski获得了液氧,之后又获得了液氮 • 1892年英国Dewar发明了杜瓦,1898年液化了氢气 • 1908年荷兰Onnes液化了最后的“永久性”气体氦,之后又获得了超流氦

  11. 低温制冷技术的进步 • 低温的获得—低温及获得时间: • 1911年荷兰Onnes发现了超导现象 • 1933年美国Giauque对顺磁盐绝热去磁获得0.27K的低温 • 1963年美国Kurti用绝热退磁法获得1.210-6K的低温 • 1966年Hall采用He3-He4稀释制冷获得0.1K连续制冷,接着Ford以同样的方法获得0.025K的连续制冷

  12. 低温制冷技术的进步 • 低温的获得—低温及获得时间: • 中国的低温研究起步于50年代 • 1951年开始自行设计和试制空分设备 • 1953年成立中科院低温研究室 • 1956年成立中国制冷低温专业 • 1956年建立氢液化装置 • 1959年建立氦液化设备

  13. 低温制冷技术的进步 • 科技发展的需求推动低温技术进步 • 气体行业—炼钢、焊接、制造、航天推进 • 低温产品—液态气体(纯净气体、低温冷源) • 特种环境—航天、航空、军事、试验 • 交叉学科—物理、化学、材料

  14. 低温制冷技术的进步 • 相关技术的发展推动低温技术进步 • 新材料—净化、蓄冷、保温、 • 新工艺—工艺流程、新工质 • 新方法—低温制冷、超低温制冷 • 新技术—绝热技术、储运技术

  15. 授课大纲 • 绪论 • 第一章、低温工质的性质 • 第二章、获得低温的方法 • 第三章、气体液化循环 • 第四章、溶液热力学基础 • 第五章、气体精馏原理及设备

  16. 低温工质的性质 • 120K以下低温工质 • 既作为制冷工质,又作为原料和产品 • 可以是相变制冷,也可以是单相制冷 • 单靠增加压力不能被液化 • 低温工质构成的循环 • 可以是闭式循环,也可能是开式循环 • 高、低温热源温差很大,必须采用回热方式

  17. 低温工质的性质 • 120K温度区: • 烃类:烷、烯、炔等 • 如:石油气(主要为戊、己烷)、天然气(主要为甲烷) • 80K温度区: • 空气成分:氧、氩、氮等 • 超低温区: • 20K温区:氢 • 4K温区:氦

  18. 低温工质的性质 低温工质的种类及应用 • 120K级的低温:天然气的液化与分离 • 广义天然气含:石油气、煤层气、 • 合成氨尾气、高炉尾气 • 用途:石化行业 • 80K级的低温:空气的液化与分离 • 提取纯度较高的氧、氩、氮成分 • 用途:制氧行业多用于冶金 • 20K以下级的低温:氢气的液化、氦气的液化 • 用途:液氢作为冷剂、燃料,液氦作为制冷剂

  19. 低温工质的性质 主要低温工质的种类分析 • 甲烷:CH4, Ts=111.7K, M=16 • 天然气的主要成分 • 用作为燃料(民用、汽车等) • 原作为化工原料生产H2等

  20. 低温工质的性质 主要低温工质的种类分析 • 氧:O2, Ts=90.K, M=32 • 助燃剂,炼钢 • 氮:N2, Ts=77.K, M=28 • 合成氨原料气,保鲜保护气 • 氩:Ar, Ts=87.K, M=40 • 焊接保护气 • 以上均来自空气

  21. 低温工质的性质 主要低温工质的种类分析 • 氖:Ne, Ts=27.K, M=20 • 来自空气,灯泡气,制冷剂 • 氢:H2, Ts=20.K, M=2 • 来自煤(水煤气)、天然气、水电解等 • 用作燃料 • 氦:He, Ts=4.2K, M=4 • 来自合成氨尾气、天然气, • 用作制冷剂

  22. 低温工质的性质空气及其组成气体的性质 空气=干空气+水蒸气+杂质 • 干空气:N2, O2, Ar, CO2,…, • 二元组分:N2:79%,O2:21% • 三元组分:N2:78%,O2:21%,Ar:1% • 可作为理想气体:M=28.97,Ts=78.9/81.7(泡点/露点) • 在气液相平衡情况下:液相中N2:59%,O2:40%,Ar:1%

  23. 低温工质的性质空气及其组成气体的性质 氮气: • 沸点77.36K,凝固点63.2K • 安全,无毒无味,无色 • 保护气体, 隔离氧气 • 液氮(LN2)为极好的冷源 • 保存生命组织, • 低温外科治疗 • 预冷剂(LH2,LHe), • 低温粉碎

  24. 低温工质的性质空气及其组成气体的性质 氧气: • 沸点90.188K,凝固点54.4K • 助燃,炼钢、火箭发动机、焊接、切割 • 促进动植物生命新陈代谢 • 易于爆炸,空分装置、输氧管道 • LOx呈兰色,

  25. 低温工质的性质空气及其组成气体的性质 氩气: • 沸点87.29K,凝固点83.85K • 惰性气体,不氧化 • 作为焊接保护气体,灯泡气体 • O2、N2、Ar均来自空气 • 其含量大、来源稳定,随时随地获得 • 原料空气无成本、生产成本小

  26. 低温工质的性质空气及其组成气体的性质 空分:即空气分离 • 从空气中提取有用的气体 • O2、N2、Ar 以及 Ne、He、Kr、Xe • 有常温分离、低温分离 • 低温分离:将空气液化后利用不同组分的沸点差进行分离 • 常温分离:分子筛吸附分离、膜分离

  27. 低温工质的性质空气及其组成气体的性质 • 低温分离 • 同时可以得到多种产品 • 连续生产 • 产品纯度高 • 设备庞大,初投资大 • 常温分离--分子筛吸附分离、膜分离 • 切换为了再生 • 只能得到单一产品,如制氧或制氮 • 设备小,启动快

  28. 低温工质的性质—氢的性质 • 最轻的工质 • H2的密度最小、粘度最小 • 比热和导热系数很大, • 扩散能力很强,可以渗透金属 • 性质最为复杂的低温工质 • 三个同位素 H、D、T,氕氘氚 • T在自然界不存在 • 质子数为1,中子数分别为:0、1、2 • 通常指的氢是:H2和HD的混合物 • 还有 D2,T2,DT,HT,

  29. 低温工质的性质—氢的性质 • 正氢与仲氢 • 正氢Ortha- 双原子同向旋转 • 仲氢Para-双原子逆向旋转 • 正、仲比例因温度而不同,温度低仲氢多 • 正仲转化,放热反应 • 导致LH2储存困难 • 转化速度很慢

  30. 低温工质的性质—氢的性质 • 多种氢形式 • 平衡氢(e-):一定温度条件下正仲组合 • 正常氢(标准氢 n-):标准状态下的平衡氢 • 75% o-H2 + 25% p-H2 • 沸点状态平衡氢 • 0.21% o-H2 + 99.79% p-H2 • 同位素D2 • 也存在正常氘(n-)、平衡氘(e-)

  31. 低温工质的性质—氢的性质 • 多种氢形式 • 平衡氢(e-):一定温度条件下正仲组合

  32. 低温工质的性质—氦的性质 • 最难液化的工质 • 沸点低,长期被认为永久性气体 • 单靠降温得不到固体 • 两种同位素 • 4He Ts=4.2K, M=4 • 3He Ts=3.19K, M=3 量很少 • 通常指 4He

  33. 低温工质的性质—氦的性质 • 性质特殊 • 两个三相点 • 2.5MPa 以下得不到固体 • 存在一个液--液相变 LHeI->LHeII,高阶相变 • 常流体液氦--超流液氦,转变2.17K • T<T时,液氦是 HeI 和 HeII的混合物 • 温度越低 HeII 含量越多 • 转变点(线)上, • Cp比热值不连续, • 无相变热

  34. 低温工质的性质—氦的性质 • 性质特殊

  35. 低温工质的性质—氦的性质 • HeII 的性质 • 超流动性 >0 • 喷泉效应 • 爬膜现象 •  的测定,两流体模型 • 超导热性 >

  36. 低温工质的性质—氦的性质 • 超流体现象(Super fluid)--喷泉相应

  37. 低温工质的性质—氦的性质 • 超流体现象(Super fluid)--爬膜现象

  38. 低温工质的性质—氦的性质 • HeII 的性质 •  的测定,两流体模型

  39. 低温工质的性质—氦的性质 • HeII 的性质 • 超流体 • 超流动性 >0 • 超导热性 > • 超导体 • 超电流特性RI>0 • 抗磁特性 R>  • 超导与超流均为量子特性

  40. 授课大纲 • 绪论 • 第一章、低温工质的性质 • 第二章、获得低温的方法 • 第三章、气体液化循环 • 第四章、溶液热力学基础 • 第五章、气体精馏原理及设备

  41. 获得低温的方法 • 获得低温方法(物理法) • 相变制冷 • 液体气化,固体融化、固体升华 • 压缩气体绝热节流 • 压缩气体等熵膨胀 • 辐射制冷、 • 涡流制冷、 • 热电制冷、 • 吸收及吸附制冷。

  42. 获得低温的方法--绝热节流 • 绝热节流 • 何谓节流过程: • 实际气体 • 理想气体 • 焦一汤效应: • 实际气体在节流前后的温度变化效应 • 理想气体的效应如何?

  43. 获得低温的方法--绝热节流 • 微分节流效应 • 温度随压力的变化率 • 取决于节流前的气体状态 • 理想气体

  44. 获得低温的方法--绝热节流 • 微分节流效应 • 三种情况的内在机理 • 节流后v 增加,,但d(pv)不定 • 因此,也不确定

  45. 获得低温的方法--绝热节流 • 积分节流效应:压力变化一定时,温度变化的量

  46. 获得低温的方法--绝热节流 • 等温节流效应: • 节流后等压升温到节流前的温度所需的热量 • 也即节流的制冷量,但并非是节流装置制冷 • 谁提供了制冷能力?为何会制冷?

  47. 获得低温的方法--绝热节流 • 转化温度与转化曲线 • 对应的温度为转化温度 Tinv • 根据微分节流效应 关系,可以求出 时的状态 • 此时 ,即转化温度 • 上转化温度、下转化温度的意义 • 只有低于上转化温度后,节流才降温

  48. 获得低温的方法--绝热节流 • 转化温度与转化曲线 • 实践证明,当 时出现一条转化温度的曲线。 • 如节流前气体状态在 区间内,则节流后产生制冷效果。

  49. 获得低温的方法--绝热节流 思考题: • 微分节流效应、积分节流效应、等温节流效应各代表什么?如何表示? • 什么是转化温度?上、下转化温度各代表什么?

  50. 获得低温的方法—等熵膨胀 • 通过膨胀机实现,对外做功; • 微分等熵效应 • 已知 • 则 • 故等熵膨胀总是具有冷效应的

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