《低温技术及其应用》课程教学大纲

《低温技术及其应用》课程教学大纲学分/学时：3学分/48学时其中课堂32学时、课程设计16学时。适用专业：热能与动力工程及相关专业先修课程：工程热力学、传热学、高等数学、大学物理后续课程：无一、课程性质和教学目标 课程性质：低温技术及其应用是热能与动力工程专业的一门重要专业方向课，是能源动力和相关专业的必修主干课。是《制冷与低温原理》国家精品课程的主干部分。教学目标：低温技术及其应用涉及低温的获得、低温的保持、低温气体液化与分离、低温真空、低温测试等科学技术内容，其应用领域包含了航空航天、高能物理、电子技术、机械系统、空间模拟、红外遥感、生物医学、食品加工、材料回收、过程工业等各个方面。本课程不仅为学生学习有关专业课程提供必要的基础理论知识，也为从事相关专业技术工作、科学研究工作及管理工作提供重要的理论基础。通过本课程教学，不仅使学生在低温制冷原理、气体液化与分离原理、低温传热与绝热原理等具有完整的了解，而且能够知晓低温技术在液化天然气能源工业、气体工业、航空航天工业以及生命科学和基础物理研究等的具体应用，培养学生结合工程领域能自如应用所学到的专业基础知识。同时还培养学生的低温实验动手能力，具体来说：掌握低温制冷的三种基本原理（节流、膨胀、放气），在此基础上能采用热力学系统分析方法分析和评价各类低温制冷、气体液化与分离系统等的热力学性能。熟悉低温回热型气体制冷机和其它低温制冷机的一般原理。掌握低温热力学循环方法，能够分析其中的部件性能对系统性能的影响，从而知晓低温系统的构建方法。对低温工质以及混合气体热物性计算软件有比较好的掌握。初步掌握低温实验的一般测试方法，重点在于低温绝热的测试，直观地认识低温绝热传热过程的特点、测量传热参数的基本传感器和仪器。进行低温磁悬浮、低温超导、低温粉碎、以及低温制冷机的认识实验，获得低温技术应用的深入认识。能熟练运用低温工质物性表、p-h图等。初步具有综合分析实际低温技术应用的能力、运用理论分析抽象解决实际问题能力。例如能够结合低温原理有关知识对人类生活和工程实际展开畅想。）强化理论来源于实践，实践是检验理论的唯一标准的认识观。二、课程教学内容及学时分配（含实践、自学、作业、讨论等的内容及要求）1、低温技术导论（2学时）概述低温技术的内容、历史、特征和应用。课堂演示：液氮流体实验演示；低温粉碎演示与低温超导演示。课后作业:低温技术梦想(1500字)2、低温材料与低温流体（2学时）介绍低温流体与低温材料的热学和力学特点与要求。3、低温液体的获得方法（2学时）介绍焦耳汤姆逊效应、绝热膨胀和绝热放气等获得低温液体的方法讨论：学生了解的低温液体和制冷方法4、气体液化（5学时）热力学理想系统/简单林德-汉普逊系统/带预冷林德-汉普逊系统/林德双压系统/复叠式系统；膨胀机制冷：克劳特系统/卡皮查系统；MRC系统-LNG的液化举例，各种液化系统性能比较；用于氖和氢的液化系统(预冷林德-汉普逊系统以及克劳特系统)；氦制冷生产液氢，正仲氢转化；考林斯氦液化系统,绝热放气制冷-西蒙氦液化系统，液化系统低温换热器效率对系统性能的影响(实际举例)；气体液化总结。作业：安排课堂练习及课外作业网上观摩：大型气体液化系统（API等）5、气体分离与纯化（5学时）热力学理想分离系统，混合物的性质，气体分离的原理，简易冷凝或蒸发过程/精馏塔；精馏原理的闪蒸计算，最小理论塔板数，精馏塔结构形式，变压吸附，膜分离技术。6、空气分离系统（2学时）介绍典型空分系统流程：林德单塔，林德双塔，林德弗兰克，海兰特，氩分离系统，氖分离系统，氦分离系统；气体纯化方法。课堂讨论：要求学生通过网络查找大型空分流程7、低温制冷机（5学时）介绍常见的低温制冷机类型：焦耳-汤姆逊制冷系统，膨胀机制冷系统，斯特林制冷机，VM制冷机，Solvay制冷机，G-M制冷机，脉冲管制冷机，热声制冷机，吸附制冷机，磁制冷，稀释制冷机。教学实验：再吸附制冷原理及性能测试；低温制冷机演示实验技术参观：参观低温制冷实验室8、低温绝热、低温贮存和运输（3学时）介绍低温绝热原理，堆积绝热，高真空绝热，真空粉末绝热，高真空多层绝热，高真空多屏绝热，各类绝热方式的比较；低温绝热具体形式/结构/管道/支撑/输排液/安全装置，举例说明热设计与结构设计。实验：低温真空绝热实验，通过该实验了解影响低温绝热性能的各种因素，掌握低温绝热形式以及真空多层绝热的基本原理，熟悉真空度、绝热材料与漏热率的关系9、真空技术（2学时）低温与真空，真空系统的流导，真空系统的抽气时间，真空泵(机械泵,扩散泵,离子泵,低温泵)，真空计，真空捡漏技术。10、低温测试技术（2学时）温度测量:国际实用温标/电阻温度计/热电偶/气体温度计/蒸汽压温度计；低温液体的流量测量；低温液体的液位测量。课外兴趣探索实验：超导磁悬浮力的测量11、总结与研讨，习题课（2学时）对全课程做一个课时的总结；针对低温技术及其应用的前沿课题做分析介绍。涉及以上章节典型算例。课后作业:低温技术从梦想到实际(1500字)12.课程设计（16学时）主要题目有以下4个，分别结合低温技术及其应用的主要知识点。每个年级同时可以分2-4个题目。本课程设计目的在于让学生将课堂所学知识直接应用到实际应用环节中去，成为其踏上本专业工作岗位前的一次实战演习。课程设计过程中涉及学生文献查阅环节，充分发挥学生的主观能动性、创造性，培养学生团队合作设计开发低温系统的初步能力。在客观上也将使得学生对该课程知识点有更深入的理解，加深印象。有以下四个题目可供选择，结合各自设计要求，完成课题设计内容。低温容器（杜瓦）课程设计（绝热、真空、机械力学等知识点）以60升液氮低温容器为例，按充满率90％、日蒸发率1.8％为设计目标，以UG软件为工具完成低温容器的2D和3D结构设计（2D可在UG软件中通过3D自动投影生成）。以本课程所学知识结合热力学与传热学完成杜瓦的热设计（包括杜瓦金属材料的漏热、绝热材料的选取和设置、真空要求与获得等）；以过往所学理论力学、材料力学和机械设计知识完成杜瓦的机械强度、应力等机械力学设计。低温下固体材料热导率或比热实验装置的设计（低温材料物性及测量方法）自选测量原理（如热线法（交叉线技术、平行线技术等），瞬变平面热源法TPS，差式扫描量热法DSC，闪光法等），结合低温系统的特点，设计测量固体材料在65－300K温区热导率的实验方法、步骤、装置和报告。其中实验系统要求用UG画出三维系统图及装配图，重点突出其中低温技术特色。流程模拟软件HYSYS或ASPENPLUS的空分流体或LNG流程设计案例（气体分离）空分主体部分由空气加压系统、预冷系统、纯化系统、换热系统、精馏系统等组成。工作原理：原料气（空气）经空气过滤器被空压机吸入，压缩到0.6MPa左右，送入空冷塔预冷后，进入分子筛纯化系统进行净化，清除CO2和水分，再送入空分冷箱。进入空分冷箱的空气首先进入主热交换器与低温气体（污氮、纯氮和循环氮气）换热，被冷却至饱和状态送入精馏塔下塔，空气在此进行初步精馏。在下塔的顶部获得纯度为99.999%以上的液氮和气氮。在下塔的底部获取富氧液空。液氮经过冷器后，其中一部分作为产品送入液氮贮槽；一小部份送去精氩塔作为生产精氩产品的冷源；其它全部送入精馏塔上塔，作为生产下游产品（氧、氩）的馏份。一小股气氮作为精氩塔的热源，自身被液化后，也作为馏份送入上塔。富氧液空经过冷器后分成二股：一股直接送入精馏塔上塔；另一股去粗氩塔冷凝器，作为生产粗氩的冷源，与粗氩塔中的粗氩换热，所形成的汽相和液相一并送入上塔。产品液氧在上塔底部形成，经过冷器过冷后送入液氧贮槽。汽相氩馏份（制氩原料）从精馏塔上塔抽出。经粗氩塔精馏，粗氩在粗氩塔顶部抽出并送至精氩塔。液相贫氩馏份从粗氩塔底部流出。送回精馏塔上塔。纯度为99.999%以上的精氩产品在精氩塔底部形成送入液氩贮槽。利用所学空分知识，将以上原理以具体的流程形式在HYSYS或ASPEN上模拟计算，要求完成流程图。以UG绘制空分塔结构图。所编写HYSYS流程可运行并得到计算结果。鼓励学生在流程上有创新内容。选该题也可进行以HYSYS为平台的液化天然气LNG液化流程模拟。天然气的主要成分是甲烷，另含有一定量的乙烷、丙烷、丁烷和少量的二氧化碳、硫化氢等。小型氦液化器或液氮机的简单设计（流程设计、热设计、机械设计）（气体液化）以50L/小时产量的液氮机为设计目标，要求完成获取液氮的机械装置方法选取和设计（比如传统的压缩膨胀系统，小型低温制冷机氮液化器等），包括压缩机、换热器、过滤器、膨胀机等的