低溫原理講課教案

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低溫原理講課教案

第一章低溫工程的性質(zhì)

尋常指Ts?120K的工質(zhì)為低溫工質(zhì)

與制冷工質(zhì)的不同：1、即可作為制冷工質(zhì)，又可作為原料、產(chǎn)品。2、可以是相變制冷，可能是單相制冷。3、單靠加壓不能液化。

低溫與普冷的區(qū)別：1、可能是閉式循環(huán)，也可能是開式循環(huán)。2、高低溫?zé)嵩礈夭钶^大，須采用回?zé)嵯到y(tǒng)。以120K為界以下：

（1）烴類：烷、烯、炔約120K（Ts）

石油氣（戊，已烷），自然氣（甲烷）

（2）空分成分：O2ArN2約80K

（3）超低溫：H2,20K,He,4.2K

§1-1低溫工程的種類

120K級的低溫：自然氣（廣義）的液化分開石化行業(yè)80K級的低溫：空氣的液化分開制氧行業(yè)20K級以下的低溫：氫氣的液化，氦的液化。

低溫工程的性質(zhì)：

??用以燃燒（1）甲烷CH4，自然氣的主要成分：??化學(xué)產(chǎn)??民用??汽車H2Ts?111.7KM?16(2)(3)(4)氧O2氮N2氬Ar

M：32M：28M：40Ts:90k??Ts:77k?空氣主要成分Ts?87k??——煉鋼???——保護(hù)氣?——焊接保護(hù)氣?

（5）氖NeM:20Ts:27k來自空氣，

燈炮氣

（6）氫H2M:2Ts:20k來自煤、自然氣，燃料（7）氦HeM:4Ts:4.20k來自合成氨尾氣、自然氣所指的低溫技術(shù)：

（1）獲得純凈的低溫介質(zhì)（分開技術(shù)）（2）獲得低溫液態(tài)工質(zhì)（液化技術(shù)）

（3）利用低溫工質(zhì)獲得所需的低溫溫度（低溫制冷技術(shù)）（4）利用低溫制冷獲得高真空（低溫泵）（5）低溫工質(zhì)的保存與運輸（6）低溫絕熱技術(shù)。

§1-2空氣及其組成氣體的性質(zhì)空氣=干空氣+水蒸氣干空氣：N2O2ArCO2

制冷劑

78%21%1%

二元：N2+O2三元：N2+O2+Ar

可寫作理想氣體對待，M=28.97，Ts?78.9(泡點)/81.7(露點)在相平衡（汽/液）狀況下：

液體中，N2：59%O2：40%Ar：1%（1）N2：安全，無味無毒，保護(hù)氣體，

LN2

是極好的冷源介質(zhì)，保存生命（生物），預(yù)冷和保護(hù)層（LN2,LHe）

（2）O2：助燃，促進(jìn)動植物生命新陳代謝，很活潑。易于爆炸，在空分裝置，輸氧管道，…。

LO2是無色，煉鋼助燃，火箭發(fā)動機，焊接，切割??。

（制氧機的名字來源）

（3）Ar，隋性氣體（不氧化），作為保護(hù)氣體或切燈泡氣，空氣含量大。（4）Ne：很好的制冷劑，安全可靠（Ts?27k）

所謂的空分：就是從空氣中提取N2、O2、Ar以及Ne??。

主要是低溫分開，此外還有常溫分開方法：分子篩變壓吸附（SPA），膜分開等。

§1-3氫的性質(zhì)

（1）性質(zhì)最為繁雜的低溫工質(zhì)有三個同位素HDT。H：0個中子，1個質(zhì)子；D：1個中子，1個質(zhì)子

氫是H2和HD的混合物，而HD僅占0.026~0.032%的比例。

H2的密度最小，Cp最大，?最小、?最小，擴散能力很強，可以滲透金屬。H2：a、制冷工質(zhì)b、清白燃料c、重氫的原料

不易處理，易燃易炸，易泄漏。

（2）正氫與仲氫

Ortha-Hydrogen正氫，雙原子同向旋轉(zhuǎn)Para-Hydrogen仲氫，雙原子異向旋轉(zhuǎn)平衡氫(e-)=OH2?PH2?f(T)

正常氫（標(biāo)準(zhǔn)氫）(n-)=75%OH2?25%PH2（O—P）正—仲轉(zhuǎn)化，放熱反應(yīng)，汽態(tài)時要催化。轉(zhuǎn)化熱>汽化潛熱，液態(tài)時可自動轉(zhuǎn)化，但很慢。

LH2的儲存：由于轉(zhuǎn)化熱放出，易于汽化，故生產(chǎn)LH2時加催化劑。促使O→p

轉(zhuǎn)化。（n→e的放熱，和n→P的放熱）

所以H2的性質(zhì)有多種

正常氫（n?H2），平衡氫（e?H2），仲氫（p?H2）同位素有D2

正常氘（n?D2），??。

§1—4氦的性質(zhì)

3He4He氦有兩種同位素

M?3Ts?3.19??4?4.2k??主要是自然氣中提取

尋常指的氦為4He，同為3He含量很少。

氦是最難液化的氣體，很長時間被認(rèn)為是永久氣體。

氦有兩個三相點，在25bar以下得不到固體He，但存在一個高階的液態(tài)相變

LHeⅠ?LHeⅡ：叫做超液氦，中間的線叫入線。

入轉(zhuǎn)變點約2.17K，“?〞顯示了Cp的變化關(guān)系—突變，無

HeⅠ?HeⅡ氣化潛熱

HeⅡ特性：（1）超流性??0,“爬膜〞、“噴泉〞

（2）超導(dǎo)熱性???。當(dāng)T?2.17時，HeⅠ/HeⅡ的混合物存在。

T?，HeⅡ越高。

[超導(dǎo)特性是固體導(dǎo)電特性（電阻為0，抗磁性=?）]超導(dǎo)與超流均為量子特性。

phonon聲子photon光子quantum量子。

其次章獲得低溫的方法

§2-1獲得低溫方法有物理法

（1）相變制冷（液體氣化，固體溶化，固體升華，液體抽氣）

(2)壓縮氣體絕熱節(jié)流（3）等熵膨脹（4）輻射制冷（5）渦流制冷（6）熱電制冷，（7）吸收制冷吸附制冷。

§2-2絕熱節(jié)流

低溫制冷裝置中，主要是絕熱節(jié)流和等熵膨脹（主動）什么是節(jié)流過程：h1?h2

h?h(p,T)理想氣體h?f(T)

焦一湯效應(yīng)，節(jié)流后的溫度變化效應(yīng)（實際氣體）

??微分節(jié)流效應(yīng)?2????理想氣體?TT?2p?h?2T??vv積分節(jié)流效應(yīng)?T??p2p1?hdp

T不變T降低T增加??h?0??1???T???v??h??????v????h?0?T???P?hcp?????T?p????0?h????v??dh?cdT??T????v?cpp??T?p??????????取決于節(jié)流前的氣體狀態(tài)。

三種狀況內(nèi)在機理，dh?du?d?pv??0，即du??d(pv)

u?u動?u勢，節(jié)流后du勢?0，但d(pv)不定，du動??du勢?d(pv)也不確定。

轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線

根據(jù)微分節(jié)流效應(yīng)?n????p??關(guān)系，可以求出?h?0時的狀態(tài)

??h此時??h?0??Tinv為轉(zhuǎn)化溫度

實踐證明，當(dāng)p?pmax時出現(xiàn)一個轉(zhuǎn)化溫度的節(jié)流前假使是p?pmaxTinv?T?Tinv\'??T?曲線

，則節(jié)流后產(chǎn)生制冷效果。

參數(shù)：產(chǎn)量越大，壓力越小，純節(jié)流時10~15MPa膨脹機1.5~2.5MPa

溫差選擇與溫度水平和換熱器類型有關(guān)，溫度越低，溫差應(yīng)越小

冷損：與規(guī)模有關(guān)，與溫度水平有關(guān)，中小規(guī)模：10~20%，大型：5~10%

第十一章低溫液體的貯運

貯存：（1）集中生產(chǎn)，分散使用

（2）短時生產(chǎn)，長期使用（3）長期生產(chǎn)，短時使用（4）運輸交接運輸：（1）低溫容器；多用

（2）低溫管道；大流量，短距離

§11-1容器：

低溫容器為：LHeLH2LN2LArLO2LNG

普通絕熱：高真空絕熱，真空粉末（纖維），真空多層，LN2保護(hù)杜瓦（玻璃、金屬）→多用于低溫液體貯運固定式，移動式（槽車，船）p=1~3.0MPa結(jié)構(gòu)：一、

LN2LArLO2容器及LNG

（1）小型：球形內(nèi)外膽，常溫下夾層真空1.33?10?1Pa(10?3mmhg)1.33?10?3Pa(10?5mmhg)（2）固定貯槽：100L→1000m3；小的立式，大的臥式，球形。真空粉末絕熱，日蒸發(fā)率10%時猛烈。

環(huán)境氣體的??，同種保溫材料?eff?2、比熱3、純膨脹系數(shù)§11-3材料的選擇：

首先是：?eff小，?小。

T3??膨脹制冷量??膨脹量??節(jié)流量??最正確高壓壓力P2?

第四節(jié)精餾系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)組織

一、精餾系統(tǒng)

組成：上塔、下塔、冷凝蒸發(fā)器（主冷）、節(jié)流閥（1）保證產(chǎn)品純度

①進(jìn)料與抽口的質(zhì)量，影響精餾工況及塔板效率②餾分抽取提高純度，如取氬③加輔塔如高純氮輔塔（2）產(chǎn)品產(chǎn)量與純度雙方面要求①單高產(chǎn)品：②雙高產(chǎn)品：

加輔塔，得到高純氮，上塔總的塔板數(shù)增加，阻力增加，（產(chǎn)量相等）但能耗增加。

外設(shè)純氮塔，上塔的塔板數(shù)不增加，但僅保證O2純度，在純氮塔中保證氮純度，但N2的產(chǎn)量小。③雙種氧產(chǎn)品（工業(yè)氧+工藝氧）：

假使工業(yè)氧量較小，也可在上塔底部多幾塊塔板，但阻力加大。外設(shè)工業(yè)氧塔，進(jìn)一步提純。

二、換熱系統(tǒng)

工藝流程的需要，改善流程工況，合理分派與傳遞冷量1、主換熱器，切換式，非切換式（分子篩流程）

多采用板翅式，多股流體換熱，使空氣冷到飽和狀態(tài)（略高1~1.5k）2、主冷（冷凝蒸發(fā)器）液氧與氣氮換熱，聯(lián)系上下塔雙側(cè)相變其性能對塔工況影響很大上下塔壓力及純度以及液體深度對主冷換熱有影響

3、過冷器，液空、液氧、液氮三種①使進(jìn)上塔的組分氣化率，降低保證上

塔的回流液量；②冷量回收③產(chǎn)品氣升溫，使主換冷端溫差減小。4、液化器：下塔的氣體受上塔氣體的冷卻而液化，污氮液化器，也有純氮

液化器或純氧液化器①啟動階段為下塔積蓄液體

②膨脹空氣進(jìn)上塔帶進(jìn)大量熱（過熱，跑冷）要求進(jìn)下塔空氣帶濕；

③冷量分派與調(diào)理，從主換→上下塔間換熱及恒溫作用。5、膨脹換熱器：控制膨脹前入口溫度，減小出口過熱度。6、氮水預(yù)冷器：污氮氣冷卻壓縮空氣。

第五節(jié)工藝流程設(shè)計

一、工藝流程擬定

工藝流程使機器、設(shè)備、管路、閥門有機的連接在一起。根據(jù)產(chǎn)品種類、純度、數(shù)量要