低温制冷技术最新进展期末大作业

1、低温制冷技术最新进展作业姓名：李科学号：3115014002班级：硕5015院系：制冷与低温工程系第1章 低温制冷技术概述1.低温制冷技术所涉及的温度范围是那些？主要的工程应用价值何在？制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，保持并利用这个温度。按照所获得的温度，通常将制冷的温度范围划分为以下几个领域：120K 以上，普冷；（ 1200.3） K，深冷（又称低温）；0.3K 以下，极低温。制冷和低温技术的温度范围细分的话会有很多个小范围，每一个范围的工程应用列举如下：300-273K，用于热泵、冷却装置、空调装置。273-263K，苛性钾结晶、冷藏运输

2、、运动场的滑冰装置。263-240K，冷冻运输、食品长期保鲜、燃气（丙烷等）液化装置。240-223K，滚筒装置的光滑冻结、矿井工作面冻结。223-200K，低温环境实验室、制取固体二氧化碳（干冰）。200-150K，乙烷、乙烯液化、低温医学和低温生物学。150-100K，天然气液化100-50K，空气液化、分离，稀有气体分离，合成气分离、氢气极其氩气还原，液氧、夜氨、空间低温环境模拟（热沉）。50-15K，氖气和氢气的液化，宇航员出舱空间真空环境模拟（氦低温泵）。15-4K，超导，氦气液化。4-10-6 3He的液化、4He超流性，Josephson效应、测量技术、物理研究。3.低温制冷技术

3、的主要内容包括哪些方面（如：液化、分离、环境、真空等）？举出两个例子说明之。研究内容可以概括为以下四个方面：（1）研究获得低于环境温度的方法、机理以及与此对应的循环，并对循环进行热力学的分析和计算。（2）研究循环中使用的工质的性质，从而为制冷机和低温装置提供合适的工作介质。因工质在循环中发生状态变化，所以工质的热物理性质是进行循环分析和计算的基础数据。此外，为了使这些工质能实际应用，还必须掌握它们的一般物理化学基础。（3）研究气体的液化和分离技术。例如液化氧、氮、氢、氦等气体，将空气或天然气液化、分离，均涉及一系列的制冷和低温技术。（4）研究所需的各种机械和设备，包括它们的工作原理、性能分析、

4、结构设计。此外还有热绝缘问题，装置的自动化问题，等等。上述前三个方面构成制冷与低温技术原理的基本研究内容，第四方面涉及具体的设备和装置。天然气、石油气、焦炉气以及合成氨驰放气都是多组分混合气。实现它们的分离往往需要在若干个分离级中分阶段进行，在每一级中组分摩尔分数将发生显著变化，如图8-2所示。多组分气体混合物当被冷却到某一温度水平时，进入一分离器，将已冷凝组分分离出去，然后再进入下一级冷凝器，继续降温并分凝。一个冷凝器和一个分离器组成一个冷凝级。从工艺的角度来考虑，冷凝级数主要是根据需回收组分的要求来确定的，但同时要保证在分凝器中不会出现高沸点组分被冻结的现象。比如采用分凝法分离合成氨驰放气

5、H2-N2-Ar-CH4各组分的分凝如图1所示，当压力为3000Kpa左右，要求回收纯度较高的甲烷，富氩馏份及纯氢时，可分三级进行：第一级冷凝温度控制在150K左右，分离后得到纯度较高的甲烷凝液；第二级终了温度控制在120K左右，分离后得到富氩凝份，第三级终了温度控制在63K左右，可获得较高纯度的氢气。图1 分离级示意图制冷循环使用的现有工质不能满足环保要求，需要寻求替代工质。在受限制的5种cFcs制冷剂中,首当其冲的是R12。R12自1931年问世以来,除了近来发现它对大气臭氧层的破坏作用外,一直是一种很理想的制冷剂。它具有不燃、无毒、化学性能稳定、热力学性质优良,与润滑油互溶、对金属不腐蚀

6、等优点,被广泛应用于各种家用冰箱、食品冷藏冷冻设备,中小型冷库、冷藏运输设备及空调设备中。并且由于长期的应用和发展,已使R12系统中各种部件,发展到了十分完善的程度。限制R12的使用到最终停止使用,无疑将对制冷空调产品的生产及使用产生巨大影响。因此积极开展R12替代工质的研究,是当前制冷空调行业中十分紧迫的任务.。第2章 低温制冷技术发展回顾2.杜瓦技术有何作用？它的发明意义何在？杜瓦瓶是一个双层玻璃容器，两层玻璃胆壁都涂满银，然后把两层壁间的空气抽掉，形成真空。两层胆壁上的银可以防止辐射散热，真空能防止对流和传导散热，因此盛在瓶里的液体，温度不易发生变化。后来，伯格用镍制造外壳，保护易碎的玻

7、璃瓶胆。杜瓦瓶的绝热保温性能良好，解决了低温液体的储藏问题。4.查找具有标志性的国际、国内发展历史见证点（如机构的成立、重大研究进展、新技术突破）现代的制冷技术，是18世纪后期发展起来的。在此之前，人们很早已懂得冷的利用。我国古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降温。马可·波罗在他的著作马可·波罗游记中，对中国制冷和造冰窖的方法有详细的记述。 1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰。他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。 在普冷方面，1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机

8、，并正式申请了英国第6662号专利。这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型，但使用的工质是乙醚，容易燃烧。到1875年卡利和林德用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位。 在此期间，空气绝热膨胀会显著降低空气温度的现象开始用于制冷。1844年，医生高里用封闭循环的空气制冷机为患者建立了一座空调站，空气制冷机使他一举成名。威廉·西门斯在空气制冷机中引入了回热器，提高了制冷机的性能。1859年，卡列发明了氨水吸收式制冷系统，申请了原理专利。 1910年左右，马利斯·莱兰克发明了蒸气喷射式制冷系统。 到20世纪，制冷技术有了更大发展。全封闭制冷压缩机的研制成功（美国通用电器

9、公司）；米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环以及混合制冷剂的应用；伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发展。 在低温方面，1877年卡里捷液化了氧气；1895年林德液化了空气，建立了空气分离设备；1898年杜瓦用液态空气预冷氢气，然后用绝热节流使氢气成为液体，温度降至20.4K；1908年卡末林·昂纳斯用液态空气和液态氢预冷氦气，再用绝热节流将氦液化，获得4.2K的低温。杜瓦于1892年发明的杜瓦瓶，用于贮存低温液体，为低温领域的研究提供了重要条件。 1934年，卡皮查发明了先用膨胀机将氦气降温，再用绝热节流使其液化的氦液化器；1947年柯林斯采用双

10、膨胀机于氦的预冷。大部分的氦液化器现已采用膨胀机，在制冷技术的开发和实际使用中获得广泛的应用。 新的降低温度方法的发明，扩大了低温的范围，并进入了超低温领域。德拜和焦克分别在1926年和1927年提出了用顺磁盐绝热退磁的方法获取低温，应用此方法获得的低温现已达到（1×1035×103）K；由库提和西蒙等提出的核子绝热去磁的方法可将温度降至更低，库提用此法于1956年获得了20×103K。1951年伦敦提出并于1965年研制出的3He-4He混合液稀释制冷法，可达到4×103K；1950年泡墨朗切克提出的方法，利用压缩液态3He的绝热固化，达到1×

11、;103K。第三章 低温制冷技术与相关学科的关系-交叉学科的产生与发展2.以材料学科为例，说明低温制冷技术对其影响和促进作用。在哪些方面产生了比较大的变化和进步？陶瓷及陶瓷复合物（如熔融石英、稳定氧化锆、硼化钛、氧化硅等）具有一系列优良性质：比钢轻、强度和韧性好、耐磨、导热系数小、表面光洁度高。将陶瓷用烧结法渗入溶胶体制成零件或用作零件的表面涂釉，可改善零件的性能。 聚合材料（工程塑料、合成橡胶和复合材料）用于制冷产品中作为电绝缘材料、减振件和软管材料；利用聚合材料的热塑性，以新工艺通过热定型的方法制造压缩机中的复杂零件（转子、阀片等）。这些新材料的应用，带来产品性能、寿命的提高和成本的降低。

12、3.查找与低温制冷技术相关的交叉学科和新兴学科低温制冷技术与其他学科交叉融合，相辅相成。（1）微电子和计算机技术的应用 “机电一体化”浪潮给制冷技术以巨大推动。 基础研究方面：计算机仿真制冷循环始于1960年。如今，普冷和低温领域中的各种循环，如：焦汤节流制冷循环（JT循环）、斯特林制冷循环、维勒米尔循环（VM循环）、吉福特麦克马洪循环（GM循环）、索尔文循环（SV循环）、逆向布雷顿循环、脉管式循环、吸收式制冷循环、热电制冷循环；利用声制冷、光制冷、化学方法制冷的各种循环；以及各种新型的混合型循环，如：热声斯特林发动机驱动小型脉管制冷机的循环均广泛应用计算机仿真技术于循环研究。研究制冷系统的热

13、物理过程、系统及部件的稳态和瞬态特性以及单一工质和混合工质的性质等等，也离不开微电子和计算机技术的应用。 在制冷产品的设计制造上：计算机现已广泛用于产品的辅助设计和制造（CAD，CAM）。例如：结构零件设计的有限元法和有限差分法以及用计算机控制精密机械加工。 计算机和微处理器对制冷技术的最大影响在于高级自动控制系统的开发。这是一项综合技术，涉及到先进的控制方法、可靠的集成块芯片及专门的控制模块、精良的传感器。当前制冷系统采用电脑控制已极为普遍，控制模式正在发生变化，由简单的机械式控制发展到综合控制，为提高产品性能作出贡献。（2）机器、设备的发展 为满足各种用冷的需要，新产品不断推出，商品化程度

14、不断提高。 压缩机以高效、可靠、低振动、低噪声、结构简单、成本低为追求目标，由往复式向回转式发展。如新型螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、摆线式压缩机等，都具有优良特性和竞争力。在压缩机的驱动装置上，将变频器用于空调、热泵及集中式制冷系统的变速驱动，带来了节能效果。 在低温机器和设备方面，前述各种低温循环虽早已提出，但近年来生产开发的产品在温度，制冷量、启动速度、可靠性、能耗、体积等方面均有长足的进步。现在，氦液化器多数为膨胀型，中型的为双膨胀机组成的柯林斯机器，大型的采用透平膨胀机。辐射制冷、固态制冷已经实际应用。利用3He-4He混合稀释制冷原理的低温制冷机已经商品化，可作为磁制冷机的预冷设备。

15、各种气体分离设备，热交换器，低温恒温器也在高效、紧凑、可靠等方面取得很大的进展。（3）工质 继氟里昂和共沸混合工质之后，由于1970年石油危机，节能意识提到重要地位，在开发新工质上引人注目地研究出一系列非共沸工质，收到了节能的效果和满足一些特定需要。 由于臭氧耗损和温室效应引起了严峻的环境保护问题，导致了80年代末开始全球禁止CFCs物质，进而波及到HCFC类物质，这既是一次历史性的冲击，同时又提供了新的发展机遇。近年来在替代工质开发及其热物理性质研究方面取得的成就即是证明。 当工质处于很低温度时，其量子特性变得十分重要，必须考虑其量子效应，此时循环的性能系数和制冷量不同于经典表达式，而需要通

16、过对量子热力循环的研究得出。 制冷和低温技术是充满勃勃生机的学科和工业领域。巨大的市场增长潜力和新技术的交叉渗透为它开辟了广阔的发展天地。第四章 低温制冷技术在现代科技中的作用3.超导技术与低温制冷技术有何关系？低温超导和高温超导分别工作在那个温区？两种超导体目前的主要用途是什么？低温制冷技术可以提供超导技术所需要的温区。低温超导一般是在Tc<30K的温区下，在强电磁场中 ，NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等；Nb3Sn超导材料除用于制作大量小型高磁场（710T）磁体外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体 ；用N

17、b及NbN薄膜制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号 。低温超导材料由于Tc低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制。具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。高温超导材料不但超导转变温度高，而且成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质。氧化物中的金属元素（如铜）可能存在多种化合价，化合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性。除此之外，高温超导材料具有明显的层状二维结构，超导性能具有很强的各向异形性。5.试举出低温制冷技术在航空

18、、航天中的应用实例，并分别说明其工作原理。（1）可以用于高雷诺数低温风洞。风洞是从事飞行器研制和空气动力学研究最基本的实验设备,然而随着飞行器日益大型化,常规风洞实验面临一些严峻挑战,其中最重要的是常规风洞无法在全尺寸雷诺数范围内进行模拟实验。图2是常规风洞雷诺数模拟能力与实机飞行雷诺数差异的“雷诺数沟”示意图。而实机飞行性能表明,飞行器在跨音速飞行时,激波与附面层相互影响与雷诺数有很大关系,如模拟不到应有的高雷诺数,会给出错误的气动力布局预测。美国运输机c一1们事件就是雷诺数模拟能力不够而造成预测错误的一个典型事例。为此美国在修改设计中付出了很大的代价,延期试飞达九个月之久。根据雷诺数定义凡

19、二声l/产,在给定马赫数时提高肠数可通过如下方法:采用比重高的风洞气体介质,增大风洞模型尺寸和运行压力,降低工作温度。至今尚无一种理想的比空气重的气体介质可用于风洞试验,增大风洞模型尺寸又会引起功率消耗的巨大增加(特别是在跨音速区),而一般模型所允许的动压值又有一定限制,而且即使同时采用加压和增大尺寸也难以在经济允许范围内满足全尺寸雷诺数的模拟要求;降低工作温度,是提高雷诺数的另一种重要方法,如图3a()所示。气体密度随温度降低而升高,而粘性随温度降低而降低,这样从两个方面提高了雷诺数。根据风洞雷诺数、动压和驱动功率定义,可得到它们随温度的变化关系,如图3(b)所示。从图中可以看出,若风洞压力

20、保持不变,对于解=l来说,若温度从322K下降到78K,雷诺数可以增加7倍多,风洞动压保持不变,驱动功率反而下降一半左右。图2 常规风洞雷诺数模拟能力的“雷诺数沟”在雷诺数模拟能力相同的情况下,低温风洞显著降低了风洞尺寸及对洞体结构的强度要求,这样即使考虑采用低温方案需一些特殊结构材料及需绝热这两个因素,风洞造价也大为降低。由于显著降低了驱动功率,使得即使在跨音速区低温风洞也可采用连续式回路,充分发挥连续式回路驱动效率高、运转时间长、生产率高、总能耗低等优点。分析研究表明低温风洞既降低了峰值功率,又降低了总能消耗。图3 气体物性、风洞特性与滞止温度关系可以利用低温制冷技术来制取火箭发动机的火箭

21、推进剂。火箭发动机最重要的性能参数之一是比冲,它相当于火箭发动机消耗kIg推进剂(包括燃料和氧化剂)所发出的推力冲量。液氢/液氧火箭发动机具有许多优点,最主要的是比冲特别高,其真空比冲可达3840ms/,而一般常规液体推进剂比冲(如液氧/煤油)还不到2950m/s，至于固体推进剂则更低,一般在21002600m/s之间。要提高比冲,主要依赖于提高推进剂燃烧终了时温度和降低燃气平均分子量。氢燃料分子量最低,而氢和氧燃烧热值高,高达1.21只1s0kJ/kg左右(液氧和煤油才0.42义1s0kJ/ks左右),燃气温度可达3600K左右,因而以液氢/液氧为推进剂的火箭发动机用于火箭的最上面级是很理想

22、的。液氢比热值高达2.4kJ/kg·K(沸点时),是优良的冷却剂,而临界压强又低,仅为1.29M,a,在燃烧室通道里不会产生沸腾传热。液氢温度虽低,但由于其密度也低,所以涡流泵的气蚀问题较易解决。液氢/液氧燃烧产物是水,千净无毒,对环境无污染,这可满足日见严格的世界环保要求。另外,液氢/液氧发动机排气速度高,与采用其他推进剂的火箭相比,在外形尺寸、有效载荷重量等其他条件相同情况下,液氢/液氧火箭飞行速度大大高于前者,这对发射未来长距离飞行的恒星探测器也具有重要意义。正是由于液氢/液氧火箭发动机的上述优点,所以随着低温技术应用水平的提高,各具备火箭发射能力的大国都极为重视并广为采用。如

23、美国“宇宙神”(SLv一3c)+“人马座D,(采用两台氢氧发动机RL一IOA一3一3)的有效载荷就比“宇宙神”(SLv一3A)+“阿金纳B”(推进剂为偏二甲腆/红发烟硝酸)提高两倍;苏联超大型运载火箭“能源”号采用液氢/液氧作为推进剂,用于发射100150吨的空间实验舱及“暴风雪”号航天飞机;欧空局的阿里安火箭,其助推级及上面级均采用液氢/液氧推进剂;日本H一2火箭主发动机LE一7和LE一5也采用液氢/液氧,用于发射卫星及其他航夭器.中国长征3号火箭第3级采用液氢/液氧发动机,可实现两次起动,工作可靠,已连续成功用于发射地球同步通讯卫星,为提高有效载荷,对三子级氢/氧发动机重新设计的长征3A型

24、可使有效载荷提高两倍,达2200kg,1990年7月首次发射成功的长征ZE型采用第一级火箭捆绑液体助推器方案,再加上新研制的液氢/液氧第三级,是一种大型运载火箭,其轨道转移运载能力超过4000ks,用于发射大型航天器。但由于液氢密度小、易蒸发、温度低、需采取高效绝热措施,使得飞行器结构尺寸较大,这就可能发展新一代低温液体燃料火箭发动机,即采用液氧/轻烃推进剂,液态轻烃(如甲烷、丙烷)密度比氢大,这可显著减小飞行器尺寸。液氧/轻烃推进剂还有一些优点,如推进性能好(比冲在295卜3040m/s之间)、价廉、污染小、无腐蚀性、便于重复利用等,因此特别适用于需重复使用的火箭助推发动机。6.列举出3个以

25、上的实例，说明利用低温制冷技术创建非自然环境的实际意义。制冷和低温技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的。在长期的生产实践和日常生活中，人们发现许多现象与温度有密切关系。人体对温度相当敏感。炎热条件下希望降温以提供适宜的工作和生活环境。所有生物过程都受温度影响，低温抑制食品发酵、霉菌的增殖，对食品保鲜起重要作用。材料的某些重要特性与温度有关：如机械材料具有冷脆性，塑料、橡胶也有同样的性质；又如金属的导电性随温度下降而提高，有些纯金属或合金当温度降到某一数值时出现超导性，人为地利用这些特性，需要人工创造低温环境。通过降温产生物态变化，可以使混合气体分离、气体液化。扩散和化学反应与温度

26、也有直接关系，许多生产工艺过程中温度对产品性能和质量有很大影响。空间和遥感遥控技术更是与制冷技术紧密联系，等等。第5章 大型低温系统的技术发展5.通常大型科学装置中都含有低温系统，它的主要作用是什么？科学研究往往需要人工的低温环境。例如：为了研究高寒条件下使用的发动机、汽车、坦克、大炮的性能，需要先在相应的环境条件下作模拟试验；航天仪表、火箭、导弹中的控制仪，也需要在地面作模拟高空环境下的性能试验，低温低压环境实验装置为这类试验提供了条件。气象科学中，云雾室需要（ -4530）的温度条件。云雾室用于人工气候实验，研究雨滴、冰雹的增长过程、各种催化方法及扰动对云雾的宏观、微观影响，模拟云的物理现

27、象，等等。6.查找文献，近几年我国建设的带有低温系统的大型科学装置的有关资料和建设情况。9月23日，由开封空分集团有限公司与西安交通大学合作研制的PLPK-1611.7/6.545-1.05型液体膨胀机在河南龙宇煤化工6万Nm3/h空分装置上试车成功。这是首套投入工业运行的国产液体膨胀机，大大提高了我国大型空分装置的自成套能力。试车过程中，膨胀机进、出口液空参数达到设计要求，发电机在膨胀机转速达到14829r/min时并网进入发电工况，机组运行平稳，可以投入长期工业运行。随着煤化工行业的快速发展，大型内压缩流程空分设备的需求越来越多，而带有液体膨胀机的新空分工艺流程与高压液空节流流程相比，具有

28、突出的节能降耗优势，但其关键设备液体膨胀机一直以来都依赖进口，价格昂贵，为该技术的推广应用造成较大困难。从2011年开始，开封空分集团与西安交通大学合作着手针对配套河南龙宇煤化工6万m3/h空分设备的液体膨胀机的研发工作，期间进行了多次工厂及现场试验，最终于9月23日开车成功。7.查找文献，目前国际上最大的氦制冷工程项目LHC和核聚变低温超导氦制冷系统的有关技术资料和建设运行情况。LHC低温系统。欧洲核子中心的大型强子对撞机作为目前世界最高能量的强子对撞机，配备了性能强大的低温系统。在周长为26.7千米的LE隧道环上分布着约1800个各种超导磁体，总共需要约7000千米的NbTi超导电缆。为了

29、获得8.3T的磁场，需要将超导磁体冷却到1.9K。为此建造了世界上最大的低温系统，包括最大的1.8K制冷和分配系统，总的氦制冷量达到144kW/4.5K加上20kW/1.9K。1.9K的超导磁体的总质量为47000吨。氦气贮存量约120吨，其中以液态填充在超导磁体中，尚需10000吨液氮。LHC环分成8个扇区，每个扇区长3.3km，分别由一台18kW4.5K的氦制冷机以及一台2.4kW/1.8K的氦制冷单元提供冷量。图4和图5分别是法液空和林德为LHC制造的18kW/4.5K氦制冷机流程简图图4具有8台透平膨胀机的法液空18kW/4.5K氦制冷机流程简图图5 具有10台透平膨胀机的林德18kW

30、/4.5K氦制冷机流程简图EAST低温系统：先进实验超导托卡马克（EAST）是全超导的可控核聚变实验装置，由中国科学院等离子研究所建造。EAST低温系统主要为1套2kW4.5K的低温系统，系统包括有1个冷箱、1个制冷机阀箱和1个分配阀箱，主要目的是提供足够的制冷量和液氦，用于保证超导磁铁处于低温超导状态，以及冷却超导传输线、电流引线以及冷屏。EAST低温系统需要提供3个不同的温度用于冷却不同的部件。超导磁体的工作温度为3.8K，使用超临界氦冷却，为了保证这个冷却过程都处于超临界状态，要求出口压力必须为3×105Pa以上。支撑和电流引线的冷端工作温度为4.5K，杜瓦及其它设备的冷屏工作

31、温度为80K，使用经膨胀机T4膨胀后的80K的冷氦气冷却，工作压力为5×105Pa左右。EAST低温系统的设计制冷量为1050W/3.5K+200W/4.5K+13g/sLHe+（13-25）kW/80K,当量制冷量为2kW/4K，这些冷量主要由4台氦气透平膨胀机提供，其中3台透平的产冷主要用于生产液氦和获得4.5K冷量，另外一台透平的产冷主要用于冷却冷屏. 图6为EAST低温系统简图，高压氦气从压缩机出来后，在经过EX1，到达EX2前被液氮预冷至80K，再经过EX2后部份气体进入透平膨胀机T1，再经过EX4冷却后继续经过膨胀机T2膨胀至低压，作为返流气体冷却EX5、EX4、EX3、

32、EX2和EX1。另一路氦气再经过EX6后，经过膨胀机T3胀后通过，最后节流为液氦。EAST低温系统从第一轮运行开始到2008年的第5轮实验，总体运行情况良好，不过4台俄制氦透平都陆续出现过故障，主要是因为透平启动时，进口温度高，氦气比焓值高，没有达到透平设计的额定值。图6 EAST低温系统简图第6章 低温气体液化与分离技术2.对低温气体进行液化的目的有哪些？液氢、液氦有哪些用途？气体液化的好处是可以使气体的体积大大缩小，便于储存和运输。气体被液化以后可以使得单位质量工质中储存更多的冷量。液氧可以用作液体燃料推进剂的助燃剂；冶炼中的氧化剂（炼钢除碳）；又由于液氧具有强的顺磁性，可用于氧磁性分析仪

33、。液氦可以用作制冷剂、超导冷却剂。4.查找文献，说明当前国内外大型空分设备的规模，产品特点和主要应用场所。石化行业对氧、氮产品的压力要求一般在4.0MPa(G,下同)到10.0MPa之间,其所需的空分设备规模也多数在30000m3/h等级以上,对空分设备的各种产品的要求繁多,往往会同时要求生产不同流量、多种压力等级的氧气和氮气。因此对于石行行业的用户来说,采用内压缩流程空分设备是较好的选择。冶金行业一般对氧、氮产品的压力要求在3.0MPa左右。由于杭氧成功应用了自行设计制造的氧气透平压缩机,所以常规的外压缩流程空分设备仍然是冶金行业用户的主要选择。当然,如果冶金行业的用户同时要销售液体产品,内

34、压缩流程也是可供选择的方案。5.明国内外大型天然气液化设备的技术水平和发展方向。纵观世界LNG技术与装备的发展，经历了装置规模由小到大、工艺技术不断进步、设备性能逐步提高、控制水平突飞猛进、成套能力日益增强的过程。从1976年，由原机械工业部投资组建四川深冷设备研究所开始，我国天然气液化工艺技术不断发展，尤其到2008年，以中海油大型LNG技术装备国产化项目为依托，国内关键设备制造优秀企业密切合作，于2010完成了大型天然气液化工艺及关键设备技术包括液化工艺包、冷箱、冷剂压缩机、驱动电机、变频器、仪控系统、部分低温阀等的研发，走出了一条LNG装备国产化之天然气液化设备技术发展现状及趋势四川空分

35、设备（集团）有限责任公司副总经理谢波路。从2010年至今，包括华气安塞200万方/天，张家口国储100万方/天，山东泰安260万方/天，内蒙古兴圣200万方/天、湖北黄冈新捷500万方/天等多套国产化的百万方级天然气液化装置已经调试投产。目前，受限于当前国际油价的波动和国内经济结构调整的影响，国内管道天然气液化需求呈下降趋势，但是作为海上油气资源开发的新型应用设备海上浮式液化装置近年来受到重视并相继进行了大量研制工作；为节能减排，对于化工尾气、焦炉尾气的回收处理也是天然气液化领域的一个分支；此外随着页岩气开采技术的成熟，都将对我国天然气的气源结构产生深远影响。新形式下，应该积极实施我国天然气“

36、利用海外”发展战略，走出国门，开发利用海外资源，液化世界天然气，确保我国LNG进口战略通道建设和运行安全，为我国能源的安全和清洁作出更大贡献。天然气液化行业至今已历经半个多世纪的发展，液化装置的规模和所采用的工艺流程均发生了显著变化。液化工艺技术日渐成熟，且工艺多样、百家争鸣，除Liquefin流程尚未得到应用外，C3MR、AP-XTM、MR、MFC 等混合冷剂流程及优化级联流程均在大型液化装置上得到成功应用。装置规模不断扩大，单线生产能力不断提高，从建设初期不足0.5Mt/a，发展到今天的单线产能最大7.8Mt/a。然而，装置规模的发展并不是一味追求规模最大化，而是在朝着根据实际情况兼顾操作

37、灵活性、负荷调节能力及设备检维修停产等方面问题，追求项目全生产周期的技术经济效益最大。目前在建和拟建的大型液化装置规模在 3.06.5Mt/a 较宽泛的范围内。此外，现今海洋天然气资源的开发和极地地区天然气资源的开发是天然气资源开发利用的新动向，随之刺激了液化工艺技术和装置建设的进一步。第七章低温液体的储藏与运输技术3.低温容器的结构有何特点？低温传输管道有哪些主要技术？对于低温压力容器首先要选用合适的材料，这些材料在使用温度下应具有良好的韧性。经细化晶粒处理的低合金钢可用到-45，2.5镍钢可用到-60，3.5镍钢可用到-104,9镍钢可用到-196。低于-196时可选用奥氏体不锈钢和铝合金

38、等。为了避免在低温压力容器上产生过高的局部应力，在设计容器时应避免有过高的应力集中和附加应力；在制造容器时应严格检验，以防止容器中存在危险的缺陷。对于因焊接而引起的过大残余应力，应在焊后进行消除焊接残余应力处理。绝热保温贮槽分为真空粉末绝热型和常压粉末绝热型，粉末绝热，利用低热导率的粉末、纤维或泡沫材料来减少热量传入。分两种形式：一种是在大气压下应用普通粉末绝热（堆积绝热），绝热层较厚，并充入干燥氮气维持正压，以防止水分进入和冷凝，最低可时适用于液氮温度以上；另一种真空粉末绝热，即对填装粉末的空间抽真空，减少了气体传热，同时粉末颗粒也削弱辐射传热，使绝热效果更好。真空粉末贮槽为双层圆筒结构、内

39、筒及其配管均用奥氏不锈钢制造，外壳用炭钢制造，夹层充满膨胀珍珠岩（又称珠光砂）同时设置了经过特殊处理的吸附剂，并抽成高真空度（0.56Pa），容量为200m3以下。工作压力较高（四车间钢包底吹氩两个储槽工作压力为2.0 Mpa），槽外有气化器，既可使槽内升压便于充车，又可直接送出压力气。按用途可分为固定式和运输式两种，固定式主要用于低温液体的贮存，它安装在低温液体的生产地、使用点或供应站；运输式将低温液体从生产地或供应站运往使用点，常有陆运、水运等形式，他们分别称为槽车、拖车及槽船。低温液体在管内流动时，如果整个输送过程完全维持为单相的液体状态，那么这种流动称为“平相流动”。也就是说单相流动，

40、要求低温液体输送到用户时刚好处于饱和状态。考虑到输液管道的外热影响，因此液体在进入输液管时应当是处在过冷状态，否则满足不了这一要求。为实现较长距离的单相流动,一般采用液体经加压预冷后再送入管道进行输送,其原理流程见图1。先将压力为PR温度为TR的饱和液体从点R加压至PS压力的点H(TH），然后采用部分未经加压的液体（PR，TR）进行冷却,使温度从TH降至TG，此时液体已被过冷，然后送入输液管道。在输送过程中由于外热及阻力降力的关系，液体的压力从PS降至PL，温度由TG升高至TL并达到饱和状态。线段GL即为液体在输送过程的状态变化线，最后液体从饱和状态点L等烙节流至O点进入贮液槽。为减少低温液体

41、在输送过程中的冷量损失，目前在工程上采用下列几种绝热方式：（1）包扎多孔绝热材料；（2）粉末真空；（3）高真空或高真空多层绝热。虽然采取了这些绝热措施，低温输液管仍存在着；金属元件引起的热传导、真空夹层中残留气休分子运动引起的热传递和内外管温差产的热辐射，这三部分热流造成的冷损失。第八章低温制冷机与热力循环4.举例说明低温气体循环和液化循环的原理区别、技术特点、应用场合。低温气体循环最典型就是逆布雷顿制冷循环。逆布雷顿循环空气制冷机是以无环境公害的空气为循环工质利用空气状态在制冷机内的循环变化实现把热量从低温物体不断转移到高温物体的机器。基本循环包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀和等压吸热4个过

42、程。实际的空气制冷循环主要可分为开式制冷循环和闭式制冷循环，具体采用的循环可根据实际情况选择不同的流程形式。主要组成部件包括:压缩机、换热器、膨胀机、低温室以及连接管道等。图7为逆布雷顿循环空气制冷机热力过程原理图。在极限回热过程中，空气的温度经过冷凝器和回热器后可以到达4，是由于回热效率的存在空气只能经回热器被冷却到4，空气经过理想绝热膨胀过程后可以到达状态点5，但是实际过程并不能完全达到可逆，因此膨胀后只能到达状态点5，点5的计算需要考虑到膨胀机的等熵效率。空气从膨胀机中出来后进入用冷装置，被用冷装置加热到状态点6,6点所对应的温度就是制冷温度，然后空气进入回热器中被加热至状态点1后进入压

43、缩机，压缩过程不是完全的可逆过程，所以空气被压缩至状态点2而不是2，然后空气进入冷凝器被定压冷却至状态点3，再进入回热器被定压冷却至4，从而完成了一个完整的循环过程。图7 逆布雷顿循环空气制冷机热力过程示意图逆布雷顿循环空气制冷机采用空气作为工质,通过压缩机等熵压缩,经后冷却器冷却,回热器降温,在透平膨胀机内等熵绝热膨胀并对外作功,获得低温气流来制取冷量。由于工质空气的多变指数较大,在相同工况下压比较大,传热温差增加,不可逆损失增大;在相同压比下消耗功多,使得逆布雷顿循环空气制冷机在常温区的效率略低。随着高速透平膨胀机特别是气体轴承透平膨胀机和高效紧凑换热器的发展,透平逆布雷顿循环空气制冷机的

44、效率得到显著提高,可获得很低的制冷温度和很宽制冷量范围,具有高的可靠性。因此近几十年来,逆布雷顿空气制冷机得到了很大的发展,主要应用于飞机空调系统、列车空调、环境试验室、石油化工加工、食物保鲜及快速冷冻等领域。气体的液化循环有很多种，包括节流液化循环、带膨胀机的液化循环。而节流液化循环又可以分为一次节流液化循环和有预冷的一次节流液化循环。带膨胀机的液化循环又可以分为克劳特循环、柯林斯循环和卡皮查循环。这里主要介绍一下克劳特循环。1902年克劳德首先将活塞式膨胀机应用于制冷循环，开创了液化气体的新方法。在这循环中由于大部分高压气体经过膨胀机的绝热膨胀，使气体的内能以功的形式排出而大大提高了制冷循

45、环的效率。从流程图8中可见，先用压缩机将气体压缩成高压气体，经过冷却水，取走压缩热，形成等温压缩过程，然后进入热交换器E1，冷却后的气体分成两部分，其中mv部分进入膨胀机中绝热膨胀，另外(1-M)部分进入热交换器E2中。进入膨胀机的气体从高压P3膨胀到低压Pe，温度由T3变成Te。膨胀后的低温气体返回到热交换器E2的低压侧，与E2中高压侧的高压气体进行热交换，然后通过E1返回压缩机的吸气口。在E2中被冷却的(1-M)部分高压气进入热交换器E3高压侧，与节流后的低压气体再进行热交换，进一步降低温度，这部分气体离开E3后，经过节流阀节流，节流后的气体进入容器V，然后返回E3、E2、E1的低压侧，最

46、后到压缩机的吸入口，这样几次循环以后在E3的末端积蓄起冷量，使高压气再经过时将冷却到临界温度以下，再节流时就有部分气体被液化。图8 克劳特循环流程图图9 克劳特循环T-s图气体液化循环由一系列热力过程组成，其作用在于使气态工质冷却到所需的低温，并补偿系统的冷损，以获得液化气体（或称低温液体）。这不同于以制取冷量为目的的制冷循环。在制冷循环中制冷工质进行的是封闭循环过程；而对液化循环来说，气态低温工质在循环过程中既起制冷剂的作用，本身又被液化，部分或全部地作为液态产品从低温装置中输出，应用于需要保持低温的过程（如在低温试验中作为冷却刘）或用来进行气体分离过程（如液态空气分离为氧、氮等）。液化气体

47、可用于低温试验、低温环境的模拟、器官移植等等。5.脉冲管制冷机的工作原理和主要特点。分析说明其主要优势和发展前景。脉管制冷是周期性地对一端封闭的管子充气压缩放气膨胀而获得低温的一种方法。基本脉管制冷机如图10所示。图10 基本脉管制冷机脉管通常是内一根低导热率材料制成的薄壁管子(参看图10)，端与称为层流化的冷器剁他近，并形成气体的封闭端。层流化冷却2B峦许多尺寸相同的通道织收，每一通道流阻大体相同，休证从冷却器出来的气流为层流。它也可以用 个目流化正件加上一个普通换热器纪成。管子的另一瑞与层流化元件及热交换器相连，热交换器又与回热器及进、排气阀相连。层汰化正件是一种多孔物，其作用是使气流通过

48、后消除紊乱度而成层梳。层流化元件厚度约smm，它hf以是由金属屑制成的烧结金属，也可以由粉版状非金J6物加工版。脉管的工作过程如下：打开进气阀，在稳定工况下由压缩机来的高压气体经回热器被冷却到制冷温度T，然后通过热交换器及崖坑入件进入脉管。进入脉管的气流是一股平行于管子铀线的层流气流，它一边向右移动，一边使管内原有气体压缩；同时自己也经受不同程度的压缩，温度依次升高，形成温度梯度。温度分布如图10实线所示。进入冷却器时，气流具有温度Tm。这实质是个充气过程。接着，是静止期。气体在冷却器中被冷却，温度降到T随后打开徘气阀进行放气。离开冷却器进入脉行的气流同样也是层流，在它向左运动的同时，气体膨胀

49、，温度下降。温度分布如图10所示。当气体回到热交换器时，其温度T低于进气时的温度T0，在热交换器中向外输出冷量，然后再经回热器，冷却其填料，气体本身被加热，温度升高到接近室温，从排气阀排出。至此完成一个循环。为了减少紊乱混合和保证良好传热，要求进气和徘气期的时间尽可能短，静止期足够长。以上牙述为单级脉管。为了获得更低温度，还可做成多级。脉管的最大优点是结构十分简单，没有运动部件。因而振动很小，寿命长，可靠性好。而且制造、维护部比较方便。它的缺点是每级的温降小。如单级脉管只能达到170 K左右，为了达到80K，需用三级脉管串联。要达到20x的低温就需要6级。因此，对于20K以下的低温，一般不推荐

50、使用脉管。但是脉管制冷机比常规回热式空气制冷机（如G-M机，斯特林机）突出的优越之处在于简单，无低温运动部件，特别适宜在高空应用（对可靠性、寿命、振动要求高），它用以作为红外器件、低温电子器件冷源的前景日益明朗。第九章低温制冷技术展望1.科技进步使得学科之间交叉融合，那么低温制冷技术还可能形成哪些交叉和边缘学科？低温技术是一门发展迅速的现代科学。它为许多技术部门和基础科学服务，形成了许多独特的边缘学科，正在改变一些古典学科的面貌。如超导技术、低温电子学、低温生物学、低温医学等都形成了新的边缘学科，又如低温的技术处理，低温粉碎等形成了一个新的工艺方法。参考文献1杨小灿,邱昌明. R12替代工质的

51、研究及实现步骤J. 制冷学报,1991,01:21-25.2薄达. 低温液体输送管的技术探讨J. 深冷技术,1993,06:6-9.3郭耀君,谢晶,朱世新,王金锋,汤元睿. 超低温制冷装置的研究现状和进展J. 食品与机械,2015,01:238-243.4叶斌,马斌,侯予. 大型氦低温制冷系统研究进展J. 低温工程,2010,04:18-23.5毛绍融,朱朔元,周智勇,卢杰. 大型空分设备技术现状及进展J. 深冷技术,2009,S1:26-31.6禹林涛. 法液空工程制造业务的重大成功J. 气体分离,2005,02:1.7顾福民. 国外大型空分设备发展历程回顾与展望J. 冶金动力,2003,0

52、5:31-38+41.8毛绍融,周智勇. 杭氧特大型空分设备的技术现状及进展J. 深冷技术,2005,03:1-6.9谢波. 天然气液化设备技术发展现状及趋势J. 气体分离,2015,03:18.10王际强,陈杰. 大型低温液体贮槽绝热系统设计J. 深冷技术,2011,02:37-41.11吴廷琚. 林德公司小型空分设备简况J. 深冷技术,1981,06:21-32.12孙郁,侯予,赵红利,陈纯正. 逆布雷顿循环空气制冷机的性能分析J. 低温工程,2006,01:27-30+39.13白红宇. HT-7U超导托卡马克氦制冷系统热力学分析及设计研究D.中国科学院研究生院（等离子体物理研究所）,2

53、002.14G. Petitpas,S.M. Aceves. Modeling of sudden hydrogen expansion from cryogenic pressure vessel failureJ. International Journal of Hydrogen Energy,2013,3819:.15G. Manimaran,M. Pradeep kumar,R. Venkatasamy. Influence of cryogenic cooling on surface grinding of stainless steel 316J. Cryogenics,2013,:.16Hui Dong,Liang Zhao,Songyuan Zhang,Aihua Wang,Jiuju Cai. Using cryogenic exergy of liquefied natural gas for electricity production with the Stirling cycleJ. Energy,2013,63:.17Y. Hou,H.L. Zhao,C.Z. Chen,L.Y. Xiong. Developments in reverse Brayton cyc