低温原理讲课教案第一章 低温工程的性质通常指的工质为低温工质与制冷工质的不同：1、即可作为制冷工质，又可作为原料、产品。 2、可以是相变制冷，可能是单相制冷。 3、单靠加压不能液化。低温与普冷的区别：1、可能是闭式循环，也可能是开式循环。 2、高低温热源温差较大，须采用回热系统。以120K为界以下：（1）烃类：烷、烯、炔 约120K（）石油气（戊，已烷）， 天然气（甲烷） （2）空分成分： 约80K（3）超低温： H2, 20K, He, 4.2K1-1 低温工程的种类120K级的低温：天然气（广义）的液化分离-石化行业80K级的低温： 空气的液化分离 -制氧行业20K级以下的低温：氢气的液化，氦的液化。低温工程的性质：（1）甲烷，天然气的主要成分：（5）氖 来自空气， 灯炮气（6）氢 来自煤、天然气，燃料（7）氦 来自合成氨尾气、天然气制冷剂所指的低温技术：（1） 获得纯净的低温介质（分离技术）（2） 获得低温液态工质 （液化技术）（3） 利用低温工质获得所需的低温温度（低温制冷技术）（4） 利用低温制冷获得高真空（低温泵）（5） 低温工质的储藏与运输（6） 低温绝热技术。1-2 空气及其组成气体的性质空气=干空气+水蒸气干空气： 78% 21% 1% 二元：N2 + O2三元：N2 + O2 + Ar 可写作理想气体对待，M=28.97， 在相平衡（汽/液）情况下： 液体中，N2：59% O2：40% ：1%（1）：安全，无味无毒，保护气体，是极好的冷源介质，保存生命（生物），预冷和保护层（）（2）：助燃，促进动植物生命新陈代谢，很活泼。 易于爆炸，在空分装置，输氧管道，。是无色，炼钢助燃，火箭发动机，焊接，切割。（制氧机的名字来源）（3），隋性气体（不氧化），作为保护气体或切灯泡气，空气含量大。（4）：很好的制冷剂，安全可靠（）所谓的空分：就是从空气中提取N2、O2、Ar以及Ne 。主要是低温分离，此外还有常温分离方法：分子筛变压吸附（SPA）， 膜分离等。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。H：0个中子，1个质子；D：1个中子，1个质子氢是，而HD仅占0.0260.032%的比例。的密度最小，最大，最小、最小，扩散能力很强，可以渗透金属 。：a、制冷工质 b、洁净燃料 c、重氢的原料 不易处理，易燃易炸，易泄漏。（2）正氢与仲氢 Ortha-Hydrogen 正氢，Para-Hydrogen 仲氢，平衡氢( e- ) = 正常氢（标准氢）(n- ) = 75%（OP）正仲转化，放热反应，汽态时要催化。转化热 汽化潜热，液态时可自动转化，但很慢。的储存：由于转化热放出，易于汽化，故生产时加催化剂。促使Op转化。（ne的放热，和nP的放热）所以的性质有多种正常氢（），平衡氢（），仲氢（）同位素有正常氘（），。14 氦的性质氦有两种同位素主要是天然气中提取通常指的氦为，同为含量很少。氦是最难液化的气体，很长时间被认为是永久气体。氦有两个三相点，在25bar以下得不到固体，但存在一个高阶的液态相变：叫做超液氦，中间的线叫入线。 入转变点约2.17K，“”显示了Cp的变化关系突变，无气化潜热特性：（1）超流性“爬膜”、“喷泉” （2）超导热性。当时， 的混合物存在。， 越高。超导特性是固体导电特性（电阻为0，抗磁性=）超导与超流均为量子特性。phonon声子 photon光子 quantum量子。第二章 获得低温的方法2-1 获得低温方法有物理法（1）相变制冷（液体气化，固体融化，固体升华，液体抽气）(2)压缩气体绝热节流 （3）等熵膨胀 （4）辐射制冷 （5）涡流制冷 （6）热电制冷，（7）吸收制冷 吸附制冷。2-2 绝热节流低温制冷装置中，主要是绝热节流和等熵膨胀（主动）什么是节流过程： 理想气体 焦一汤效应，节流后的温度变化效应（实际气体）微分节流效应 理想气体积分节流效应 取决于节流前的气体状态。三种情况内在机理，节流后，但d(pv)不定， 也不确定。转化温度与转化曲线 根据微分节流效应 关系，可以求出时的状态此时为转化温度实践证明，当节流前如果是，则节流后产生制冷效果。通常必须以后节流才能制冷积分节流效应的计算（1）图上表示（2），为平均微分节流效应等温节流的效应节流后升温至节流前温度所需热量微分节流效应， 积分节流效应 等温节流效应 2-3 气体等熵膨胀通过膨胀机实现，对外做功微分等熵效应 已知 则故总是具有冷效应对外作功的内位能的增加，都是通过消耗内动能而产生的，因此理想气体膨胀前后温差 T1为初温，为膨胀比制冷量计算 等温节流效应 膨胀输出功要提高膨胀前后温差：（1）增加初温 （2）增加膨胀比膨胀机效率等熵效率，实际焓降与理论焓降之比绝热节流与等熵膨胀比较温度效应和制冷量均是等熵膨胀高第三章 气体液化循环3-1 概述1、制冷的目的：（1） 低温气体液化，必须降温至以下，需要制冷降温（2） 维持低温系统所需制冷以补偿冷损（3） 如产生低温液体，补偿带走的的冷量不同于为获取冷量的制冷目的2、 气体液化理论最小功获得低温实现热量从低高的转移，必须投入能量。理想过程：等温压缩+等熵膨胀理想最小功 按即为循环包围的面积理想最小功是全面可逆循环的过程组成循环，如果有不可逆过程则系统，与（环境温度）的乘积，即是不可逆所致3、液化循环指标有理论最小功单位能耗（获得1kg液态气体所消耗的功）W为1kg气体耗功 Z为1kg气体的液体量制冷系数，制冷量与耗功之比（单位耗功的制冷量）1kg气体产生的液化冷量 循环效率又称热力不完善度，为实际循环制冷系数与理论循环系数之比。也是理论最小功与实际耗功之比。3-2 空气 氧 氮的节流液化循环性质接近、循环相似，主要来自空气。低温液化循环：（1） 节流液化循环：利用节流装置，获得等温节流效应（2） 带膨胀机的液化循环：利用膨胀机获取大的等熵膨胀制冷量（3） 带气体制冷机的液化循环：利用其它的低沸点工质的气体制冷效应来液化。（4） 复叠式液化循环：利用不同沸点工质逐级冷却最终液化 （1）+（2）是自身制冷，最常见，特别是由于节流装置结构简单、可靠，使用方便，但不可逆，制冷量小。一、一次节流液化循环是最早的液化循环，被德国的林德所采用，故命名林德循环。1、理想循环等温压缩 等压冷却 节流膨胀 液化 等压复热起动过程：节流过程逐渐降温，直至到达稳定状态液化量：1kg空气， 单位冷量 由于一定（状态参数）要想获得较多液化量，等流节流效应要大，是压力的函数（环境温度一定时）实际上是 转化曲线上要一定，一定，则等熵压缩的最佳压力应在等温线与转化线的交点2、实际循环不可逆因素：a、 压缩机过程不可逆，用来反映b、 换热器又温差，不完全换热，c、 跑冷（装置大小、绝热条件等）实际液化量 单位（加工空气）制冷量为 适当升高，升高，高压气体T下降，对提高有利。二、有预冷的一次节流液化循环降低高压气体温度，减小换热器的温差三、二次节流液化循环提高 循环气体高压气体节流 进高压压机 中压节流 进低压压机 液体3-3等膨胀机的空气液化循环一、克劳特循环根据系统能量守恒的关系，并考虑跑冷损失，不完全热交换损失则有膨胀机的非等熵过程，定为膨胀机等熵效率则 等温节流效应 膨胀制冷量耗功为影响因素：冷量过剩？冷量过剩？过分高，冷量不能被高压气所用。换热器温度曲线（第）关系曲线高压空气比热变化大，而低压基本不变正流体，返流气任意截面，截面上流体温度流量之比，热端温差一定，规定，从而画出上述虚线，则从而确定 及二、海兰德循环高压常温膨胀，增加绝热焓降可预冷，增加适用于小型液态装置。三、卡皮查循环低压低温膨胀，液体节流流程简单，能耗小，投资低，适用于大中型空分。3-4 氦液化循环临界点低，为5.2K，也低4.6K，7K以下节流才会产生液体故必须预冷+节流，或膨胀对外输出功+节流。一、节流液化循环（1）预冷， 用二、带膨胀机液化循环（1）预冷+TE（2）预冷 + 2TE（柯林斯循环）根据最小功设计各级TE的参数保证每级的EX正常工作。三、其它型式的He液化循环1、 双压2、 双级膨胀，两级节流3、 附加制冷循环第四章 溶液热力学基础4-1 概述一、溶液：两种级以上物质组成的均匀，稳定的液体，可以蒸发和凝固。组成：（1）两种液体混合（2）固体溶解于液体（3）气体溶解于液体二、成分：各组成物质的比分（1）质量成分：，第组分在溶液中的质量分数。（2）摩尔成分：，第i组分在溶液中的摩尔分数如第i组分的摩尔数为则也为三、溶解度溶质在溶剂中可溶解的最大量，是T，的函数。但，完全溶液的溶解度为0100%不完全溶液的溶解度为0%四、溶解热，溶解通常伴着热效应吸热或放热反应。吸热为正，4-2 溶液的基本定律一、理想溶液及拉乌尔定律理想溶液与各组成的性质接近，分子作用力同纯物质，无溶解热。（1）拉乌尔定律：蒸气混合物中某一组分的分压，等于该纯净物质同一状态下的饱和蒸汽压与该组分在溶液中的摩尔成分的乘积。 适用于理想溶液实际溶液可能有出入二、康诺瓦罗夫定律理想溶液中液相中和气相中的成分是不同的由拉乌尔定律 （溶液）由道尔顿定律 则 如果饱和蒸气压则4-3 溶液相平衡条件一、相：凝聚态内部均匀的部分 通过相的界面进行物质的转移称为相变二、相平衡（溶液）在等温（T=C）、等压(p=C)的