制冷与技术课件

低溫原理與技術第一節氣體液化與分離第二節低溫製冷機第三節低溫絕熱1.基本概念

(3.1)系統的性能參數單位品質氣體的壓縮功單位品質氣體液化功液化率三者之間的關係是:迴圈效率FOM(熱力完善度):通常以理想迴圈所需的最小功與實際迴圈液化功比值作為評定的標準。

壓縮機和膨脹機的絕熱效率壓縮機和膨脹機的機械效率換熱器的效率換熱器和管道的壓降系統與環境的熱交換(3.2)實際性能參數2.熱力學理想系統圖3.1熱力學理想液化系統.(a)T-S圖，(b)系統圖。穩定物流的熱力學第一定律:通常動能和勢能的變化相對於焓變而言小得多:理想系統時:

等熵過程:液化氣體的理論最小功:(3.3)(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)表3.1液化氣體的理論最小功(初始點P=101.3kPa，T=300K)氣體名稱沸點(K)理論最小功(kJ/kg)氦－33.198178氦－44.216819氫20.2712019氖27.091335氮77.36768.1空氣78.8738.9一氧化碳81.6768.6氬87.28478.6氧90.18635.6甲烷111.71091乙烷184.5353.1丙烷231.1140.4氨239.8359.13.簡單林德－漢普遜系統圖3.2林德－漢普遜系統.圖3.3林德－漢普遜迴圈的T－S圖

氣體的液化率依賴於：大氣條件下(點1)的壓力和溫度,從而決定了和；等溫壓縮後的壓力，由決定。我們無法改變環境狀態,因此系統的性能取決於壓力要使液化率最大，則必須使最小：熱力學第一定律應用於除壓縮機外的所有設備，得到:(3.8)(3.10)圖3.4用氦或氫作工作流體簡單林德－漢普遜系統的啟動過程

簡單的林德－漢普遜迴圈不能用於液化氖、氫和氦:

1.由於這些氣體的轉化溫度低於環境溫度，所以無法降溫啟動。

2.用林德－漢普遜系統能夠獲得降溫，通過低溫下節流後完全都是蒸汽，沒有氣體被液化。

圖3.5即使氫或氦的簡單林德－漢普遜系統能按正確方向啟動，它仍不能傳遞足夠的能量以獲得液體林德－漢普遜系統的耗功:單位品質耗功:單位品質的液化功:(3.11)(3.12)(3.13)4.帶預冷林德－漢普遜系統

預冷林德－漢普遜系統:

對簡單林德－漢普遜系統，當熱交換器入口溫度低於環境溫度時，可以改善簡單林德－漢普遜系統的性能指標。圖3.6液化率隨熱交換器入口溫度變化關係.圖3.7預冷林德－漢普遜系統

圖3.8預冷林德－漢普遜迴圈的T-S圖應用熱力學第一定律定義製冷劑的品質流率比:液化率:帶預冷系統的最大液化率:(3.14)(3.15)(3.16)(3.17)假定主壓縮機是可逆等溫的,附加壓縮機是可逆絕熱的.單位品質加工氣體壓縮耗功:(3.18)圖3.9液化率與極限液化率隨製冷劑流率的變化。圖3.10帶預冷林德－漢普遜系統單位品質氮氣液化功5.林德雙壓系統圖3.11林德雙壓系統圖3.12林德雙壓系統T－S圖

取熱交換器，兩個氣液分離器，二個節流閥，作為熱力分析系統，針對穩定流動，根據能量守恆原則，可得液化率為:

中間壓力蒸汽流率比：熱力學第一定律應用於兩個壓縮機，單位品質氣體的壓縮耗功為:(3.19)(3.20)(3.21)圖3.13林德雙壓系統液化功6.複迭式系統複迭式系統是預冷系統的展開，由其他製冷系統來預冷。優點第一個用於生產液空的液化裝置系統的性能好所需壓力降低缺點系統的每一級迴圈都必須完全不漏，以防止流體滲漏圖3.14複迭式系統7.克勞特系統圖3.15克勞特系統圖3.16理論克勞特系統T－S圖

取熱交換器、節流閥、氣液分離器作為能量分析系統，該系統沒有外部熱功交換，對該系統應用熱力學第一定律:膨脹機的流量比率:

進膨脹機品質流量占總流量比例:液化率:淨耗功:(3.22)(3.23)(3.24)(3.26)(3.25)圖3.17克勞特迴圈單位品質液化功8.卡皮查系統卡皮查迴圈：帶有高效率透平膨脹機的低壓液化迴圈。它採用低壓力，等溫節流效應及膨脹機焓降均較小。圖3.18卡皮查系統.海蘭特迴圈：帶高壓膨脹機的氣體液化迴圈。實際上它也是克勞特迴圈的一種特殊情況。圖3.19海蘭特系統9.海蘭特系統10.採用膨脹機的其他液化系統

雙壓克勞特:原理與林德雙壓系統相似。

通過節流閥的氣體被壓縮至高壓經過膨脹機迴圈氣體僅壓縮至中壓

圖3.20雙壓克勞特系統自動製冷複迭系統:工作時重組分先冷凝，輕組分後冷凝的特性，將它們依次冷凝、節流、蒸發得到不同溫度級的冷量，使天然氣對應組分冷凝並全部液化。11.液化系統

圖3.21混合製冷劑液化天然氣系統12.各種液化系統的性能比較表3.3以空氣為工質，＝300K，P＝101.3kPa液化系統的比較續上表：13.用於氖和氫的預冷林德－漢普遜系統

圖3.22適用於液化氖和氫的液氮預冷林德－漢普遜系統單位品質壓縮氫或氖所對應的氮的蒸發率:取三個換熱器、液氮槽、液氫或氖的儲罐和節流閥作為分析系統，針對沒有熱漏的穩定流動:單位品質液化氫或氖下氮的蒸發率:(3.28)(3.29)(3.30)(3.31)圖3.23在液氮預冷林德－漢普遜系統中每液化單位品質氫所需氮的蒸發率與液氮槽溫度的關係.14.用於氖或氫的克勞特系統

圖3.24生產液氫或氖的液氮預冷克勞特系統15.氦製冷的氫液化系統

採用氦製冷系統與高壓系統相比:優點:相應地降低了使用壓力縮小了壓縮機的尺寸減小了系統材料的壁厚不足:需用兩臺壓縮機

氦製冷機採用改進的克勞特系統，在迴圈中氦氣並不被液化，但達到的溫度比液氫或氖更低。壓縮氦氣經液氮槽預冷，進入膨脹機膨脹產冷降溫，冷氦氣返回以冷卻高壓的氫或氖，以使其液化。圖3.25氦氣製冷的氫液化系統氫液化器中正－仲氦轉換

氫可能存在兩種不同的狀態:正氫和仲氫在平衡氫中正氫的濃度主要取決於氫的溫度:

在常溫下，平衡氫是75%正氫和25%仲氫的混合物在液氫的標準沸點時，氫的平衡組成幾乎全部為仲氫，占99.8%。當氫氣經過液化系統時，氣體不可能在熱交換器內保持足夠長的時間以建立起一定溫度下的平衡氫組成，結果是液氫由接近環境溫度下的正仲氫組成。圖3.26正仲氫轉化佈置16.考林斯氦液化系統

早期氦液化器採用液氫作為預冷劑,如帶預冷林德－漢普遜系統可以用來液化氦氣。考林斯氦液化器是克勞特系統的進一步發展具有低溫工程里程碑。取除氦壓縮機及膨脹機外的所有部件作為分析系統，對該穩定流動系統應用熱力學第一定律:(3.32)圖3.27考林斯氦液化系統圖3.28西蒙液化系統17.西蒙氦液化系統圖3.29西蒙液化系統的T－S圖假定厚壁容器傳入熱量可逆，同時容器材料的比熱符合德拜運算式:容器的熵變為:存在漏熱:液化率:滿液體部分的容積比:(3.33)(3.35)(3.37)(3.39)(3.42)3.1.2氣體分離和純化系統

1.熱力學理想分離系統半滲透膜：該膜僅允許一種氣體自由完全地通過，而其他氣體無法通過。使用這種裝置，氣體混合時就可以獲得輸出功，輸入同樣的功就可以把他們分開，因此，該過程是個可逆過程。

如圖3.30左邊的活塞只允許氣體A通過，右邊的活塞只允許氣體B通過，通過把兩個活塞移動到一起，由氣體A和B組成的混合物就可逆地被分離成純淨的氣體A和氣體B。圖3.30熱力學理想分離系統模型.理想氣體混合物分離的理論功:分壓比=品質比:種組分理想氣體混合物耗功:分離系統的分離效率為:(3.45)(3.46)(3.48)(3.49)2混合物的性質(1)相律

單組份物質以兩相出現時(例如液氮和氣氮)，並非所有熱靜力學參數都是獨立的。對於一組相態，在物性之間存在一個蒸氣壓力方程的關係式。

對於多於一相和超過一個組分物質，我們必須應用Gibbs相規律(1878年發現)來描述狀態所需要獨立變數的數目。T=C-P+2

T:描述體系狀態所需要獨立變數的數目

C:存在組分數

P:存在的相數圖3.31典型雙組分溫度－成份圖(a)壓力低於兩種組分的臨界壓力(b)壓力在兩種組分的臨界壓力之間(c)共沸混合物(2)溫度-濃度圖

圖3.32兩組分混合物的冷凝圖3.33氧－氮混合物的溫度－濃度圖

相平衡曲線具體形式取決構成混合物分子之間的內作用力。

對於分子內作用比較弱的液體混合物，如稀溶液一樣，可用著名的Raoult定律表式：

:第j組分在液相上部氣相中的分壓

:在混合物溫度下第j組分的蒸汽壓

:在液相中第j組分的摩爾百分數(3.51)

所有濃度下都服從Raoult定律的混合物稱為理想的溶液。若在液體混合物上部蒸汽相也可以看作理想氣體，則蒸汽相的分壓與總壓力之間關係由定律Gibbs-Dalton決定:蒸汽相中第j組分的摩爾分量:理想氣體混合物的分壓之和等於總壓:對於兩組分混合物，，因此，服從Raoult定律雙組分混合物式:(3.52)(3.53)(3.54)(3.55)圖3.35氮－氬混合物的溫度－濃度圖圖3.35氮－氬混合物的溫度－濃度圖(3)平衡常數氣相和液相中摩爾百分比之間的關係可以用平衡常數表達:理想氣體和液體的平衡常數:雙組分混合物的液相和氣相組成由每個組分的平衡常數來確定：可求得液和氣相中組分的摩爾百分比：(3.56)(3.57)(3.58)(3.59)

在典型氮－氧混合物系統的焓－濃度圖中可以看出露點線(飽和蒸汽)和泡點線(飽和液體)。(4)焓－濃度圖圖3.36101.3kPa下氮－氧混合物的焓－濃度圖3.1.3氣體的分離原理

1.簡單冷凝或蒸發過程3.閃蒸計算2.精餾原理4.精餾塔的理論塔板數計算5.最小理論塔板數6.精餾塔的類型和結構1.簡單冷凝或蒸發過程

通過部分冷凝能實現混合物的分離過程的效率主要取決於溫度－濃度圖上相分離曲線的形狀。對沸點相差較大的物質所組成混合物通過部分冷凝能達到有效的分離，而對沸點相近物質所組成的混合物該法將失去分離作用。

事實上通過簡單的冷凝並不能把空氣分離成純組分，僅能達到部分分離，不能滿足許多實際的應用。而氮－氦混合物，氨－氫混合物等由於沸點相差很大，完全可以通過部分冷凝法實現滿意有效的分離。

二元組分相變過程的主要特性:對於某一成分的二元混合物，在一定壓力下，開始冷凝或開始蒸發到冷凝結束或蒸發結束時溫度是不斷變化的，這一點與純組分不同。在冷凝或蒸發過程中，液相和氣相的濃度是連續變化的。通過部分冷凝或蒸發可以有效地分離沸點相差很大的二元混合物，但對沸點相差較小的二元混合物達不到有效的分離。2.精餾原理精餾就是以部分蒸發和部分冷凝用逆流方式進行複迭分離的過程。圖3.38精餾塔的原理圖3.39精餾過程中溫度－濃度圖圖3.40氣泡通過塔板時熱質交換情況塔板效率:塔板上的濃度變化與平衡時應達到的濃度變化之比圖3.41板效率的定義1946年Geddes分析了氣泡與液體之間質傳遞的情況，得到了塔板效率式:提高塔板效率的因素:小氣泡(小)長接觸時間(大)大的總質交換係數(3.61)3.閃蒸計算閃蒸計算的步驟如下:第j組分品質平衡:能量守恆:離開系統液體物流的百分比:蒸汽相的摩爾百分比之和等於1:(3.62)(3.63)(3.64)(3.65)(3.66)混合壓力已知，則僅含一個未知量即混合物溫度。計算步驟如下:

假定一個在露點和泡點之間的一個溫度露點和泡點的溫度由混合壓力及供料摩爾百分比決定計算液體百分比用蒸汽相的摩爾百分比之和等於1驗證若等於1，則求解結束，開始假定的混合物溫度正確若不等於1，重新假定混合物溫度，重複上述步驟4.精餾塔的理論塔板數計算方法之一是1921年Ponchon和1922年Savarit建立的，它是一適用於所有情況的精確方法，但應用該法需要詳細的焓值數據。另一方法是1925年McCable和Thiele建立的，它在應用時僅需要平衡濃度數據。有兩種基本方法用來計算精餾塔內所需的理論塔板數:我們在討論時使用McCable-Thiele方法,因為它最適合於低溫場合。圖3.42理想塔板計算公式推導中所用的系統

Vn定義為離開第n塊塔板的蒸汽流率

Ln定義為離開第n塊塔板的液體流率取第n塊板上方塔的部分作為分析系統，應用品質守衡定律可以得到:對低沸點組分應用品質守衡定律得:應用熱力學第一定律得:產品流率與蒸汽相流率的比值:精餾段的操作線方程:提餾段的操作線方程:(3.67)(3.68)(3.69)(3.71)(3.73)(3.74)求McCabe－Thiele解的理論塔板數平衡線:蒸汽相的摩爾百分比對與蒸汽相熱平衡液相中氮的摩爾百分比圖.

圖3.43McCabe－Thiele法的解

當頂部和底部產品純度相當高時,在整個濃度範圍內單個McCabe－Thiele圖由於在x=0和x=1附近變得相當小而該法不實用。對產品純度要求很高的情況下，為操作線進口段發展一個簡單分析運算式來計算理論塔板數。

當底部產品為氣相，當底部產品為液體時，M等於理想塔板數加1(因數1代表沸騰器的表面)。M是理論塔板數為:

精餾段理論塔板數的簡單分析運算式:(3.75)(3.76)5.最小理論塔板數

當操作線的斜率接近1時，給定分離過程的理論塔板數達到最小，因為這時在塔底到塔頂之間取的步數最少。

理論塔板最小數可以利用45度對角線作為操作線在McCabe-Thiele圖上求得，或使用Fenske-Underwood式求得:(3.77)

最小回流比發生在兩條操作線和供料線與平衡線相交於同一點的狀態下。雖然該條件下回流比最小，但所需的理論塔板數是無窮大。

在實際系統中，應在最小理論塔板數(固定產品流率下無窮大製冷量)和最小製冷量的塔板數(無窮大理論塔板數)之間取一折中值。圖3.44所需理論塔板數的說明6.精餾塔的類型和結構(1)篩板塔

篩板塔是由塔板組成。塔板由篩孔板、溢流裝置組成。圖3.45篩板塔的結構原理圖圖3.46圓形泡罩的結構

在塔板上按等邊三角形排列許多泡罩。泡罩邊沿有齒縫，浸沒在液體中。塔板上液層高度由溢流堰保證．上升蒸汽通過泡罩齒縫形成噴射穿過液層時，一部分蒸汽穿過液層鼓泡，形成泡沫，並使液體分散成液滴和霧沫；另一部分蒸汽則夾帶著泡沫，液滴和霧沫上升到塔板上的空間。在這個空間裏進行兩相的接觸，這是熱質交換的主要區域。(2)泡罩塔泡罩塔板在目前空分裝置中主要用在以下兩種情況:

下塔最下麵一塊塔板，不易被二氧化碳顆粒堵塞。負荷變化大，這時採用篩孔塔板和泡罩塔板相間的混合結構方案。

操作十分穩定，即使氣體負荷發生較大變動，對操作也影響不大泡罩塔攔液量大，特別適用於從塔板上抽出或加入液體泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固體顆粒堵塞對塔板水準度要求一不象篩板塔那麼嚴格。泡罩塔的優點泡罩塔板的缺點是:結構複雜，耗材大，造價高，流阻大，在設計工況下塔板效率不如篩板塔。(3)浮閥塔浮閥:在浮閥塔內每層板上除有溢流鬥外，尚在板上開有許多大孔，每個孔中裝一個可活動的閥。

浮閥的特點:可以在一定範圍內自由升降可以自動調節蒸汽通路的面積，以適應蒸汽量的變化沒有蒸汽通過時，浮閥下落蓋住閥孔最大優點是變產量時塔板效率不會有很大降低

圖3.47浮閥結構示意圖a)型結構簡單製造方便省材料；b)型閥孔為文丘裏型，阻力小，適用於減壓系統；c)型操作彈性範圍大，適用於中型實驗裝置。(4)填料塔填料塔由塔體、填料、噴淋裝置、支撐柵板、再分配器、氣液進口管等組成。填料可使氣液兩相高度分散，擴大相間接觸面積。噴淋裝置可使液體均勻地噴灑在填料層上。支撐柵板支撐填料層，使蒸汽均勻地通過填料層。再分配器使液體能夠均勻地潤濕所有填料，可避免液體沿筒殼流動而使中間填料得不到潤濕。填料塔填料中金屬絲網鞍形和金屬波紋填料已得到了廣泛使用。它們具有比表面積大、傳質效果好、阻力小、密度小、金屬耗量少等優點。3.2.4變壓吸附一些具有代表性的工業過程中的絕大多數都採用了變壓吸附(PSA)迴圈。一個典型的PSA系統是由三到四個相互連接的吸附器組成，它可使原料進料和產物出料連續流動。對吸附質有大的吸附能力有高度的選擇性能再生和多次使有足夠的機械強度化學性質穩定供應量大價格低工業吸附劑性質

目前主要有以下幾種吸附劑:活性炭、矽膠、活性氧化鋁和沸石分子篩。

作為吸附劑的沸石分子篩有下列特點：(1)有極強的吸附選擇性。(2)在氣體組分濃度低(分壓低)的情況下，具有較大的吸附能力.圖3.48微孔徑分佈圖3A型沸石b)4Ac)5Ad)10Xe)13Xf)分子篩炭g)活性炭在一定溫度和壓力下，當脫附速度和吸附速度相等時，便達到吸附平衡。在平衡條件下吸附物質的多少用吸附量表示。吸附平衡數據表示方式主要有三種:吸附等溫線，吸附等壓線和吸附等量線，最常用的是吸附等溫線。圖3.49五種類型的吸附等溫線Skarstrom迴圈：最早的無熱吸附，它是兩床設備。迴圈過程為：在吸附階段後，第一床被泄壓到大氣壓，同時，受壓縮的原料混合氣被送到第二床以充壓，然後在進料壓力下開始吸附階段。一部分由第二床出來的純化氣以逆流方式通過第一床，在低壓(大氣壓)下吹掃床層，使吸附劑活化，以準備下一次迴圈。Skarstrom迴圈的兩個有用點:

為“保存吸附熱”應保持短的迴圈和低產量。用於低壓吹掃氣的體積至少不少於高壓原料氣的體積。

圖3.50Skarstrom變壓吸附迴圈Guerin－Domine迴圈可以根據待分離混合氣體的性質，改變吸附床的數目、相互連接方式和操作方案。在這個迴圈中每個床包含三個階段:圖3.51Guerin－Domine迴圈用空氣使A床加壓，(而B床正被抽空)通過B床使A床泄壓(兩床氣都往下流動)收集氧氣A床抽氣在下半個迴圈中A和B的作用相反而完成一個吸附分離迴圈。

這三個參數不能同時兼顧，要獲得高純度的產品，產量就要降低，勢必引起另外兩個參數的降低。

由於在於吸附床中有死空間，死空間中的產品是無法回收的，在降壓過程中白白放空，從而使產品回收率下降，產品氣壓越高，損失就越大。

變壓吸附迴圈經過許多專家完善，發展了許多成熟的構想，在降低能耗及克服死空間方面作出很大的改進。變壓吸附分離的性能指標通過三個參數來衡量:

產品純度產品回收率吸附劑的生產能力

快速變壓吸附

從PSA開發初期就已認識到，由於吸附熱和脫附熱引起床內溫度波動的方向都不利於分離過程。當床幾乎在等溫下操作才能實現最好的分離。在工業上成功地用單沸石床小規模生產氧氣，迴圈週期小於30秒，所以吸附與脫附在等溫條件下實現。圖3.52快速變壓吸附分離氧3.1.4膜分離技術

用膜分離技術進行氣體分離的優點：

分離過程中沒有相變,過程簡單,可在常溫下進行操作,減少能源的消耗。與傳統的空分裝置相比，能耗低。要下降(30～60)％。特別是分離共沸物質,有獨特的優越性.

重量輕，占地面積小，純度高，工作壓力的範圍寬。氮氣純度可達99.9%,生產的氮氣非常乾燥，露點溫度可達-100℃。

效率高，每kg膜纖維連續的生產能力比變壓吸附要大。沒有運動部件，幾乎用不著維護，因此維護費用少,高效率和高可靠性降低了操作運行費用。

設備簡單、機動性好，只要有一個壓縮空氣的氣源，就可以連續地工作，而且可以省去貯運氣體或液體的設備。膜分離設備中的關鍵是膜組件:

從氣體分離的機理分:多孔型膜和非多孔型膜。從材料性質分:有機膜（高分子膜）和無機膜。從膜組件的結構型式分:中空纖維型和平板型兩種。用於空氣分離裝置的膜組件主要是中空纖維型。圖3.53膜組件的結構中空纖維型的膜組件是由上百萬根空心纖維組成的纖維束。膜的特性:對某些氣體有優先滲透或溶解的能力。圖3.54氣體分離模型

氣體膜分離裝置是通過膜壁對氣體滲透來實現的。用於氣體分離的膜有兩種類型:多孔型膜和非多孔型膜。膜的性能要求:

具有很高的氣體滲透通量和高的選擇性，能在高壓下工作，抗雜質的能力要強，而且要長期保持高的效率。

從膜滲透出來的氣流中,可應用在很多方面:

制藥工業養殖業，能促進魚的生長助燃富氧空氣在燃燒中可以減少散射和增加效率家庭富氧療法對呼吸困難的病人的護理是有利的廢料的處理,在發酵過程和環境廢料的處理過程中，富氧空氣可以增加細菌的活性空間技術燃料系統的惰化食品工業水果和蔬菜的保鮮3.1.5空氣分離系統

1.林德單塔系統

圖3.55林德單塔氣體分離系統圖3.56為單塔系統精餾工作過程圖。林德單塔分離系統是最簡單的空氣分離系統之一，採用的是基本的林德－漢普遜液化系統，用精餾塔代替了儲液器，當然也可以用其他液化系統來為塔內提供液體.林德的單塔系統有兩大缺點:1)僅能得到純氧產品2)汙氮放空浪費了大量的氧

2林德雙塔系統

採用兩個精餾塔，下塔氮氣液化作為下塔回流液通過上塔氧的沸騰來實現，上塔沸騰氧蒸汽作為上塔的上升蒸汽。下塔產生多餘的液氮節流到上塔頂部作回流液。圖3.57林德雙塔空氣分離系統圖3.58林德－弗蘭克空氣分離系統3林德－弗蘭克系統

林德－弗蘭克系統採用蓄冷器和氨預冷及膨脹機，分離系統的液化部分是氨預冷的雙壓克勞特液化系統.4海蘭特系統

海蘭特系統可以得到液氮和液氧產品。圖3.59海蘭特空氣分離系統成份體積百分比重量百分比氮78.08475.521氧20.94623.139氬0.93412.288二氧化碳0.0330.050稀有氣體0.0030.002稀有氣體容積ppm重量ppm氖18.1812.67氦5.240.724氪1.140.295氫0.500.035氙0.0860.3905氬分離系統

大氣中不僅僅是氧和氮的混合物，而是9種氣體所組成的混合物。稀有氣體主要是體積比為0.93％的氬。

氬氣的沸點介於氧和氮之間，空氣進入塔後，經過精餾，將在上塔中間某些部位形成氬的富集區。表3.5乾燥空氣的組成

氬氣分離系統通常由兩部分組成:（1）粗氬子系統（2）純化子系統圖3.59粗氬子系統在工業上用於氬純化的子系統有兩種:

粗氬經化學除氧和低溫精餾除氮後成為純氬低溫精餾除氮和低溫吸附除氧而得到純氬圖3.60氬純化子系統1圖3.61氬純化子系統2(1)粗氖子系統:

獲得粗氖的氣體混合物，其組成為:46%氖、19%氦、33%氮和2%的氫。

6氖分離系統

惰性氣體氖的沸點僅高於氦和氫，蒸發潛熱大，適合在低溫實驗室內作製冷劑；電導高，在真空下通電發紅光，因此長期以來用來充填信號裝置。

氖分離系統由兩個子系統所組成圖3.62粗氖子系統

(2)純化子系統把粗氖－氦混合氣送入純化子系統，然後加氧在觸媒爐內氫氣與氧氣燃燒形成水蒸汽。接下來粗氖－氦氣進入冷卻器，水蒸汽被冷凝，在乾燥器內被吸附掉。圖3.63氖純化子系統

7氫分離系統

從混合氣中分離氫的低溫系統，主要用來從焦爐煤氣或富氫的副產品氣中分離氫。

工業氫原料氣之一是焦爐煤氣，一種由氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷和其他一些碳氫化合物所組成，因為氫的沸點與其它組份相差非常大，所以從混合物中分離氫用不著精餾塔，採用簡單的冷凝－蒸發過程就可以滿足分離的要求。組成物大氣下沸點（K）體積百分比（%）H220.346.5N277.413.1CO81.66.3O290.21.0CO2194.73.2CH4111.726.2C2H6184.51.0碳氫化合物──2.6其他──0.1表3.6典型的焦爐煤氣組成及組成物的沸點圖3.64林德－布盧爾氫分離系統

對於氫分離系統加以改進，該系統有別於林德－布盧爾系統。其不需要附加液氮，而採用膨脹機來製冷。圖3.65氫分離系統8氦分離系統目前工業上從天然氣中提取氦的主要方法有三種

冷凝法:將天然氣逐級冷卻，使各種烴類分凝，得到濃縮氦。用冷凝法可獲得濃度為50～90％的粗氦。

膜分離法:利用各種氣體對有機薄膜透氣性能上的差異，使氦從天然氣中分離出來。

擴散法:利用氦所具有的高熱擴散性使天然氣中的氦濃縮，所用的擴散元件為石英玻璃毛細管。天然氣分離氦系統，和從焦爐煤氣中分離氫一樣，天然氣中的主要成份與氦氣的沸點相差非常大，不需要精餾塔，只需採用簡單的冷凝—蒸發器來分離就足夠了。圖3.66天然氣分離氦系統9.氣體純化方法

在各種低溫氣體分離系統中，去除少量雜質的方法主要有兩種:（1）冷凝純化，如從空氣中去除水，二氧化碳；（2）物理吸附，如從空氣中分離氬。

（1）冷凝純化

氣體純化最簡單的方法是通過冷卻將混合氣中雜質氣體冷凝或凍結。這種方法的分離效率取決於製冷溫度下的雜質氣體的分壓。若氣體間的蒸汽壓非常接近（例：氧和氮），則冷凝純化法無效。若氣體間蒸汽壓相差很大（例：水蒸汽和空氣），那麼這種方法對去除雜質氣體非常有效。

(2)物理吸附

吸附(固體對氣體)：當氣體與固體接觸時，在固體表面或內部發生容納氣體的現象。解吸或脫附：已被吸附的原子或分子返回氣相或液相中去。吸附可分為物理吸附和化學吸附兩類:

物理吸附是氣體分子靠範德瓦爾力吸附在固體吸附劑上，它類似蒸氣的凝聚和液化。化學吸附:其作用力與化合物中原子之間的作用力相似，吸附後氣體分子與固體表面原子之間形成吸附化學鍵。

氣體分離系統中遇到的主要是物理吸附。矽膠、活性炭、活性氧化鋁這些吸附劑具有多孔性結構，它們都具有很大的有效表面積，在低溫下對氣體具有很好的吸附性能。

在許多系統裏，冷凝純化和物理吸附純化組裝在一個單元內。待純化的氣體首先通入換熱器內冷卻，在該換熱器中，把來自於壓縮後純化氣體中的水和油被冷凝或凍結下來。經過換熱器的乾燥氣體通入低溫下的等溫吸附器內吸附掉雜質氣體。圖3.67組合式純化器第二節低溫製冷機3.2.2膨脹機制冷系統3.2.1焦耳-湯姆遜製冷系統3.2.3斯特林製冷機3.2.4維爾米勒製冷機3.2.7脈衝管制冷機3.2.6吉福特-麥克馬洪製冷機3.2.8熱聲製冷機3.2.9吸附式製冷機3.2.10磁製冷3.2.11稀釋製冷機3.2.5索爾凡製冷機3.2.1焦耳-湯姆遜製冷系統焦耳-湯姆遜(Joule-Thomson,簡寫為J-T)製冷機:不使用膨脹機的液化系統，依賴於焦耳-湯姆遜效應來產生低溫。圖3-68林德-漢普森製冷機運用熱力學第一定律:換熱器效率定義為:製冷量可由工質物性與熱交換器效率來表示：系統所需功為:林德-漢普森製冷機的COP為:(3.78)(3.79)(3.80)(3.81)(3.82)圖3-69林德-漢普森製冷的熱力迴圈圖圖3-70預冷型林德-漢普森製冷機。預冷的重要作用:對於比液氮所能得的溫度更低的場合，合適可行的工質只能為氖、氫和氦。由於常溫下節流會產生熱效應，為了系統能夠起動降溫，必須將氣體溫度降低到轉化溫度以下以保證節流製冷。圖3-71預冷型林德-漢普森製冷機的熱力迴圈圖。運用熱力學第一定律，可得到:定義預冷製冷劑品質流量比為:由低溫換熱器和蒸發器得:製冷量可表示為:引入低溫換熱器的效率:(3.83)(3.85,3.86)(3.87)(3.88)(3.89)(3.90)更低的溫度可用三級複迭製冷機得到，以氮（或氬），氫（或氖）和氦為工質。圖3-72三級J-T液氦製冷機。3.2.2膨脹機制冷系統

克勞德液化系統或考林斯液化系統作製冷系統。對三個換熱器，膨脹閥和蒸發器應用熱力學第一定律，忽略環境漏熱和動能，勢能變化，可得製冷劑的吸熱量:製冷量的運算式可由膨脹機絕熱效率表示:若假設膨脹功用來壓縮氣體，則所需淨功為:(3.91)(3.92)(3.93)圖3-74克勞特製冷機的熱力迴圈圖3-76圖3-75所示系統的熱力迴圈3.2.3斯特林製冷機

斯特林製冷機:由帶活塞的汽缸，位移器和回熱器組成。在回熱器中實現的是等容過程的熱交換。圖3-77斯特林製冷機

圖3-78理想斯特林製冷機的熱力迴圈

由熱力學第一定律，對迴圈來說Wnet=Qr+Qa,因而理想的斯特林製冷機的性能係數為:工質為理想氣體:理想斯特林製冷機的性能係數為:(3.94)(3.95)

斯特林製冷機的成功，絕大部分是依靠系統中所使用的回熱器的效能。若回熱器效率低於100％，這就意味著，氣體製冷機在冷源的製冷量將有一部分消耗在將製冷機氣體冷卻到冷源溫度的過程中。低溫源吸收的實際的熱量為:換熱器效率定義為:假定工質為理想氣體，在理想情況下從冷負荷中取走的熱量為:

換熱器效率的不完善性而致理想製冷量損耗所占的比重:(3.96)(3.97)(3.98)3.2.4維爾米勒製冷機

圖3-79維爾米勒製冷機示意圖圖3-80理想維爾米勒製冷機的熱力迴圈T-s圖

高溫熱源加熱為:

低溫熱源吸熱為:

中間溫度熱源的放熱量為:

因為系統的淨傳熱量為零:COP:(3.99)(3.100)(3.101)(3.102)3.2.5索爾凡製冷機

索爾凡(Solvay)製冷機:是計畫採用膨脹機實現空氣液化的第一個系統。圖3-81索爾凡製冷機圖3-82索爾凡製冷機中單位品質氣體在T-s圖上的流程假設膨脹過程輸出的功用於壓縮過程，則系統所需淨功為:

從低溫源取走的熱量為:(3.103)(3.104)壓縮機耗功膨脹過程的輸出功3.2.6吉福特-麥克馬洪製冷機系統包括壓縮機、兩端密封的氣缸、氣缸中的位移器，和回熱器。

圖3-84G-M製冷機中單位品質氣體在T-S圖上的流程

圖3-83G-M製冷機示意圖

系統所需淨功為:

從低溫源帶走的熱量為:因為膨脹過程中膨脹腔的體積保持不變，me/m可表示為密度比:回熱器效率沿著位移器的導熱和殼體漏熱氣體與回熱器往復換熱回熱器中存在的一定容積(3.105)(3.106)(3.107)影響G-M製冷機性能的因素在Solvay和G-M製冷機中，回熱器是關鍵部件。一臺較好的製冷機，其回熱器效率需高達98%以上。圖3-85回熱器示意圖Solvay和G-M製冷機有共同的優點閥門和位移器活塞密封可在室溫下實現，因此不存在低溫密封問題。通過使用回熱器代替通常的換熱器，可得到很高的換熱效率，系統可使用稍稍不純的氣體為工質。由於氣體在回熱器中來回流動，回熱器中的雜質可在吸入過程中積存下來，在排氣過程中清除出去。相同表面積下，回熱器的造價比換熱器低。

Solvay系統與G-M系統相比有兩大優點:

Solvay系統COP總是比G-M系統高，因為工質在對外作功過程中，可帶走更多能量；

G-M系統中，需要一個小馬達來移動位移器，而在Solvay系統中，由膨脹氣體來移動活塞。G-M系統與Solvay系統相比也有優點:

位移器兩端壓差小，所以在G-M系統中經位移器的洩漏很少；在G-M系統中位移器和曲柄不用承受很大的力，因此驅動機構可以十分簡單，很少有振動的問題。G-M系統的突出優點之一是它可實現多級化。多級系統中的所有閥門都在室溫下工作，三個位移器由一個驅動機構操縱。圖3-86三級G-M製冷機三個位移器由同一個驅動機構驅動，在此製冷機中可同時制取三種不同的溫度。3.2.7脈衝管制冷機

脈衝管制冷機省去了常規氣體製冷機中的冷腔膨脹活塞，採用一根低熱導的管子來代替，具有結構簡單、運轉可靠、冷頭振動小、壽命長、成本低等優勢。圖3-87脈衝管制冷機的演變與發展1.基本型脈衝管制冷機2.小孔型脈衝管制冷機3.雙向進氣脈衝管制冷機4.多路旁通脈衝管制冷機5.雙活塞脈衝管制冷機6.四閥式脈衝管制冷機7．多級脈管制冷機本節內容:

基本型脈衝管制冷機

最初的基本型脈衝管制冷機的製冷流程由壓縮機、切換閥、回熱器、冷端換熱器、導流器、脈衝管本體以及脈衝管封閉端的水冷卻器所組成。圖3-88基本型脈衝管制冷機原理圖1—切換閥；2—回熱器；3—冷端換熱器；

4—脈衝管；5—水冷卻器；6—導流器。

基本原理是利用高低壓氣體對脈衝管腔的充放氣而獲得製冷效果的。

基本型脈衝管制冷機利用充放氣獲得低溫的方法實質上是西蒙膨脹製冷的一種型式。基本型脈衝管制冷機與西蒙膨脹過程的不同點:

脈衝管制冷機運行時，脈衝管氣體軸向存在一溫度梯度，入口端溫度低，封閉端溫度高；而西蒙膨脹的容器內氣體溫度均勻；充氣完畢後，脈衝管取走熱量的方式是靠封閉端的水冷換熱器；而西蒙膨脹的熱量是靠整個容器表面與外部環境的對流換熱。

基本型脈衝管制冷機除了壓縮氣源和切換閥是室溫運動部件外，在低溫處無任何運動部件，因此其結構簡單、運行可靠，但是其製冷效率低。帶有切換閥的基本型脈衝管制冷機:由於氣體在通過閥門時有節流損失而降低了製冷效率。可逆基本型脈衝管制冷機:直接利用活塞在氣缸內往復運動，使製冷系統內產生壓力波動而導致脈衝管內氣體的壓縮和膨脹過程。

圖3-89可逆基本型脈衝管制冷機原理圖1—活塞2—水冷卻器3—脈衝管4—負荷換熱器5—回熱器圖3-90相同壓比下帶切換閥式脈衝管與可逆基本型脈衝管內部壓力波圖。a-基本型脈衝管b-可逆基本型脈衝管.常規氣體製冷機的冷腔膨脹活塞與壓力之間有一定的運動相位差，冷端可獲得製冷的膨脹功。其中的能量平衡有:脈衝管冷端的焓流表示一週期內脈衝管冷端向熱端傳輸的能量，可稱之為脈衝管的毛製冷量。

脈衝管傳遞熱量的能力（即製冷能力）取決於P和u1在相位上能否接近，以及兩者振幅的大小。

可逆基本型脈衝管制冷機的最主要特點是:將上一個迴圈的能量存儲起來，在下一個迴圈，其所需的能量一部分來自馬達，另一部分則由儲存的能量提供，這樣就能大大減少外部所需的能量而提高熱效率。(3.108)(3.109)圖3-91基本型脈衝管的能量傳遞及壓力與流速的相位關係2.小孔型脈衝管制冷機

小孔型脈衝管制冷機中由於小孔和氣庫的加入，製冷機理髮生了變化，運轉頻率也大幅度提高。

考察脈衝管熱端的焓流變化，因為氣庫的容積大，其壓力基本穩定為系統的平均壓力，熱端的氣體流向取決於脈衝管與氣庫的壓差。

小孔對P和u的振幅有調節作用，小孔開度增大，壓力振幅減小，流速振幅增大。這樣小孔型脈衝管中冷端氣團可以向斯特林製冷機中的膨脹活塞一般獲得一定的相位需求，利用膨脹功製冷。

脈衝管由冷端向熱端的泵熱能力大大增強。(3.110)3.雙向進氣脈衝管制冷機無功氣體:在小孔型脈管制冷機中，通過回熱器的氣體中有一部分氣體並不產生製冷效應，降低了回熱器效率。這部分不作功的氣體在脈管中來回震盪，既不通過小孔進入氣庫，也不從冷端換熱器進入回熱器。這些氣體柱塞隨時間膨脹和收縮，但並不產生製冷。圖3-92雙向進氣型脈管制冷機.a)無閥壓縮機驅動b)有閥壓縮機驅動4.多路旁通脈衝管制冷機

多路旁通方案對製冷過程的影響主要在於它在旁通點處形成了一次膨脹製冷過程。在多路旁通處一股焓流由回熱器流入脈衝管中，旁通點成為製冷部位。其在低溫區性能優越的主要原因是脈衝管旁通部位加一換熱器以利於製冷，出現兩次膨脹製冷過程。圖3-93多路旁通脈衝管制冷機中的能量傳遞5.雙活塞脈衝管制冷機雙活塞脈衝管制冷機能克服小孔調節作用對於P和u的相位匹配並不是完美的缺陷，採用一配氣活塞來調節脈衝管中P和u的相位。配氣活塞與產生壓力波的主活塞之間存在一定相位差，兩者的運動規律如下:(3.111)(3.112)6.四閥式脈衝管制冷機圖3-94四閥式脈衝管制冷機的當量P—V圖

四閥式脈衝管制冷機理可以由脈衝管中P和u的變化來說明。根據四個閥門的開關變化，脈衝管壓力和脈衝管熱端閥門兩端的壓力變化可定性表示，圖中壓差的正負對應氣體的流向。圖3-95四閥式脈衝管中壓力與小孔兩端壓差的關係7．多級脈管制冷機

為獲得更低的製冷溫度，可以採用多級脈管制冷方案。脈管制冷機冷端無運動部件，不存在機械運動的耦合，易於進行多級佈置。圖3-96三級脈衝管制冷機結構示意圖。1壓縮機，2旋轉閥，3氣庫，4小孔閥，5雙向進氣閥，6第一級蓄冷器，7第二級蓄冷器，8第三級蓄冷器，9第一級脈衝管，10第二級脈衝管，11第三級脈衝管，12第一級冷頭，13第二級冷頭，14第三級冷頭，15回熱管，16輻射屏，17真空罩。圖3-97兩級脈管制冷機結構示意圖。1壓縮機，2旋轉閥，3氣庫，4小孔閥，5雙向進氣閥，6第一級蓄冷器，7第二級蓄冷器，8第一級脈管，9第二級脈管，10第一級冷頭，11第二級冷頭，12輻射屏，13真空罩。圖3-98雙小孔型二級脈管制冷機示意圖。1第一級蓄冷器，2第一級脈管，3第二級蓄冷器，4第二級脈管，5、6氣庫，7、9雙向進氣閥，8、10小孔閥，11第二小孔。3.2.8熱聲製冷機

熱聲製冷機的基本工作原理:諧振管內的氣體受到聲壓作用產生絕熱壓縮和膨脹。處於熱聲板疊左端的氣團受到駐波的壓縮，溫度升高，向板疊放熱；在熱聲板疊的右端，由於駐波低壓相的絕熱膨脹,氣團的溫度低於當地板疊溫度，氣團從板疊吸熱.熱聲製冷機與熱聲驅動器的不同之處，是熱聲板疊上的溫度梯度不同且具有較小的溫度梯度。圖3-99熱聲製冷機原理圖

諧振管的底部帶有一個球體，模擬管端是開口的。驅動器為一動圈式揚聲器，裝於熱端換熱器的頂端。驅動器活塞處正是駐波壓力的波谷，以便向諧振管傳輸最強的聲功，同時驅動器產生的熱量可直接被換熱器排除。壓力波的波節在諧振管與球體連接的擴口處。圖3-100熱聲製冷機實驗裝置圖1.磁聲線圈2.冷卻水夾套3.活塞4.冷端換熱器5.塑膠棒6.熱聲板疊7.熱端換熱器

熱聲驅動器是一種沒有機械運動部件的新型壓力波發生器。脈管制冷機則是除了室溫下的機械壓縮機之外，在低溫區沒有運動部件。因此若採用熱聲驅動器取代脈管制冷機常規的機械壓縮機就能構成從室溫至低溫均沒有運動部件的新型製冷機。圖3-101熱聲驅動的脈管制冷裝置

駐波型熱聲機的運行是基於內部不可逆性的熱力學迴圈，其氣體和板疊之間的不可逆換熱導致的熵產限制了駐波熱聲機的效率，其熱力學效率往往不可能很高。行波熱聲機其過程是可逆的,因此行波熱聲機的效率在理論上高於具有本征不可逆性的駐波熱聲機。駐波和行波的區別:相同:

由於速度是位移對時間的導數，故速度振盪與位移振盪都是相差90度相位。不同:不同之處在於駐波的壓力振盪與位移振盪同相，而行波的壓力振盪與速度振盪同相。行波聲場中的聲速波形和聲壓波形一致，相位差為零；而駐波聲場中的聲速波形和聲壓波形相位差90度。圖3-102聲波的位移、速度、壓力振盪的相位關係圖(a)駐波(b)行波3.2.9吸附式製冷機

用於低溫溫區的吸附製冷工質對只能採用低溫氣體工質，吸附劑也主要採用活性炭、分子篩或一些化學吸附物質。

由於採用J-T節流製冷方式，解吸出的氣體必須先經預冷至轉化溫度以下，否則不可能實現低溫氣體工質的液化。圖3-103常用吸附式製冷工作對及其工作溫區本節內容:1．吸附式低溫製冷機的相平衡及吸附率方程2．吸附製冷迴圈及其熱力計算3．低溫吸附式製冷機的設計原則4．典型的吸附式製冷機1．吸附式低溫製冷機的相平衡及吸附率方程

對低溫氣體的吸附可以由Polanyi吸附勢理論表述:對於活性炭吸附氖氣和氮氣吸附勢方程為:飽和壓力ps(Pa)和溫度T(K)的關係可以表示為:採用經驗擬合所得到的吸附率方程經驗關係式為:(3.113)(3.114)(3.115)(3.116)表3-7示出了各種低溫氣體對應於活性炭(椰殼炭)的吸附率方程常數。式中下標T表示整個吸附劑所占體積內的吸附，下標E則表示吸附劑有效吸附體積內的吸附。氣體

M/b

H2xExT4.4

10-25.6510-20.5630.7310.0600.063NeXExT0.640.460.5390.3880.1520.128N2XExT0.550.560.7580.7720.1180.108表3-7活性炭對幾種低溫氣體吸附率方程常數圖3-104活性炭和沸石吸氮的等溫吸附線。a)13x-N2,b)C-N2圖3-105LaNi5-H2的等溫吸附線圖3-106LaNi4.8Sn0.2Hx、ZrNiHx和VHx的等吸附率圖(Van’tHoff圖)2．吸附製冷迴圈及其熱力計算

溫度降低和壓力升高可以使得吸附率增大。吸附床可以用作為壓縮機，也可以用作為抽氣泵。圖3-107分子篩對氮氣的吸附等溫線及其吸附式製冷迴圈過程的表示吸附式製冷機的製冷量:(3.117)圖3-108採用2組吸附器的J-T節流圖3-109J-T節流吸附式製冷機的T-S圖1吸附劑品質m的確定

氣體品質流量，該值與吸附床溫升過程及吸附床中吸附劑品質m有關:

一般來說，m是吸附劑溫度T和吸附床壓力p的函數。溫升速率是與吸附床結構設計緊密相關的參量，如果設計中通過加強吸附床導熱(傳熱強化)，可以顯著地增大溫升速率，從而減小吸附劑品質需求。同樣，如果所選擇的吸附劑對氣體工質的吸附等壓線很陡(即吸附率隨溫度變化很敏感)，則也可以有效地減小對吸附劑品質的需求。

(3.118)2．吸附器容器品質的確定

可以根據筒體最大內壓P和金屬材料胡克應力

來關聯吸附器品質ms與吸附劑品質m之比:(3.119)3.加熱功率設計

壓縮過程中，與加熱面相對的百葉窗開啟，而與冷源相對的百葉窗關閉，這樣，熱量就傳遞給了吸附床熱壓縮機；

在減壓降溫過程中，與加熱面相對的百葉窗關閉，而與冷源相對的百葉窗開啟，這樣熱量就從壓縮機傳遞給了外部。如果忽略加熱氣體本身所消耗的熱量吸附熱可以根據Clausius-Clapeyron方程來計算(3.120)

如果吸附床加熱解吸通過一恒溫源T*向吸附床熱輻射來實現，設吸附床熱壓縮機溫度為Th，輻射傳熱面是黑體，面積為Ah,輻射角係數為1，則:

吸附熱壓縮機冷卻時，吸附單位品質氣體所需排放的熱量。假設吸附床向絕對零度的環境中進行熱輻射，得:(3.121)(3.122)(3.123)圖3-110氣體吸附式壓縮機的百葉窗設計圖3-111吸附床壓力和溫度對熱量需求的關係圖3-112吸附壓縮機溫度對換熱面積的影響4．溫度迴圈設計

製冷工質確定後，吸附壓力(低壓)就受制冷溫度限制，可以認為是一個設計常數。因此只有解吸壓力可調。解吸壓力越高，系統氣體流量需求就越小，當然T4溫度也越高。

如果T2固定(冷卻溫度)，則有一溫度迴圈，,這是吸附劑為了獲得氣體吸附濃度差，所必需的；對應的在解吸過程中為了解吸出氣體，造成對應的吸附濃度差，過程3-4也經歷了一個溫度迴圈。迴圈溫差加大或T2降低均會促使迴圈吸附量的提高。從質流量角度看，T2越低越好，但從傳熱角度看T2高可以有效地減小傳熱面積。吸附式製冷機迴圈最大溫差為。5.迴圈時間

吸附劑吸附氣體，實現吸附率差所需的時間為:

根據具體吸附式製冷機的構成方式可確定其相應的迴圈週期計算方法。低溫吸附式製冷機往往採用了2臺、4臺、8臺吸附器，以充分地回收熱量，提高吸附式製冷的效率。相應的迴圈時間表示方式也有所不同。(3.124)6.製冷係數吸附式製冷迴圈的製冷係數:

早期的空間用低溫吸附式製冷機中，較多地考慮採用餘熱對吸附器加熱、採用對外層絕對零度空間的熱輻射對吸附器進行冷卻，很少用回熱迴圈。然而近年來，在低溫吸附式製冷機研究開發中已經較多的受吸附式空調製冷的影響，高效回熱迴圈方面已經有成功實例。圖3-113吸附式製冷機與機械式製冷機的比功耗比較(3.125)7．回熱回路設計回熱措施即使高溫吸附床降溫的顯熱和吸附過程中產生的吸附熱傳遞給低溫吸附床，提供低溫吸附床部分熱量（回熱量）。

回熱迴圈的製冷係數COP與基本迴圈製冷係數COP的關係為:

吸附式製冷系統中還採用回質迴圈方式，即在高壓解吸吸附床與低壓吸附吸附床之間串接了一連接管道和閥門，使二臺吸附器平衡在一接近於平均壓力的中間壓力下，這樣會造成高壓解吸床解吸更充分(受抽吸)，而低壓吸附床則產生了附加吸附，因而迴圈吸附率變化可以增大，製冷量可以提高。(3.126)

具有傳熱流體的吸附筒結構，在不銹鋼筒內它充填了泡沫銅活性炭，吸附筒外釺焊了盤管換熱器，管內流體為氦氣。為了強化傳熱，泡沫銅吸附床也與吸附筒內壁通過釺焊連接成一體。利用這種方式的吸附筒可以方便地構築回熱型吸附式製冷機，以提高吸附式製冷機的製冷係數。圖3-114回熱型吸附式製冷機所採用的吸附筒結構

採用回熱型吸附式系統需要構建加熱/冷卻流體回路，以實現對多個吸附床之間的熱量傳遞。圖3-115多吸附床回熱型吸附式製冷機的換熱流體回路構成

回熱型吸附式製冷機換熱流體回路的工作充分利用了換熱流體的熱量，使得外部輸入熱量或向外界耗散的熱量有較大幅度的減小，因而這種回熱型多床系統製冷係數可以有較顯著的提高。圖3-116加熱/冷卻流體回路設計(8臺吸附器)3．低溫吸附式製冷機的設計原則如果可能，儘量採用化學吸附代替物理吸附，化學吸附往往在高溫熱源下工作，其效率較高，這樣的話排熱系統可以做得較輕。如果採用物理吸附，盡可能採用沸點高的氣體作為工質，這樣其與吸附劑間的範德瓦爾斯吸附力會大些，因而不需要過高的操作壓比。吸附劑應具有吸附率大、吸附空隙容積小的特性，這樣可以減小對總耗能的需求，並使得製冷效率得到提高。儘量在較高溫度水準對吸附式壓縮機進行冷卻，吸附式壓縮機散熱應通過熱輻射或對流方式進行，儘量避免採用其他形式製冷源來冷卻。對製冷氣流應盡可能降低溫度，甚至在其到達J-T節流閥前使其液化，這樣可以有效地提高J-T節流冷卻裝置的節流效果。JPL的LaNi5-H2吸附式製冷機用節流系統，節流閥的開啟度由節流閥上、下流的壓差和彈簧的預緊力所決定，其原理和開啟壓力可調節的自動旁通閥(或自動壓力調節閥)一樣，這種調節閥的優點是比小孔節流閥的抗堵性能好。圖3-117JPL氫製冷系統節流閥。1-金屬-聚四氟乙烯圈，2-可動閥芯，3-彈簧力調節螺母，4-溫度計，5-液氫罐，6-加熱器(模擬熱負荷)，7-解凍加熱器。

氫吸附式製冷機節流閥結構，它採用了側向出氣形式，節流閥的通量通過彈簧預置，顯然它也需要一定的壓差驅動。圖3-118AESC氫製冷系統節流閥。1-調節螺母，2-鎖緊螺母，3-後蓋，4-彈簧，5-球體(6.35mm)。

熱開關型吸附器，加熱器在吸附筒中心，筒外為低溫熱沉，吸附筒和熱沉之間為氣體間隙型熱開關。氣隙式熱開關與各種熱開關相比，非常適用於吸附式壓縮機。圖3-119熱開關型吸附筒結構示意圖。1-氣體間隙式熱開關(0.25~2.5mm),2-加熱器，3-吸附劑，4-輻射屏，5-熱沉，6-進氣閥，7-排氣閥4．典型的吸附式製冷機(1)活性炭-甲烷物理吸附製冷機(110K-150K)在110K-150K溫區內，從長壽命、無振動角度考慮，採用活性炭-甲烷物理吸附製冷機是比較有效的。圖3-120活性炭-甲烷物理吸附製冷機

提高吸附式製冷機的熱效率，可以通過回熱設計來實現回熱型製冷迴圈，對於C/CH4吸附式製冷機，採用回熱設計比功率獲得了較大提高。

製冷機採用了四臺吸附式壓縮機，吸附壓縮機的加熱解吸和冷卻吸附由特定設計的流體回路實現，並採用回熱。圖3-121：2W，137K回熱型吸附式製冷機(2)鐠鈰氧化物(Pr1-nCenOx,PCO)化學吸附製冷機採用活性炭/甲烷作為第一級吸附式製冷，PCO-O2是一種非常穩定的化學吸附工作對，其迴圈工作次數在上萬次時，吸附性能也不會有明顯衰減圖3-122PCO-O2化學吸附式製冷機

採用活性炭-氪氣(C/Kr)物理吸附壓縮機作為第一級、PCO-O2是作為第二級的低溫吸附製冷系統，製冷機以PCO為吸附劑，以氧氣為製冷劑，其吸附方式為化學吸附，吸附/解吸完全可逆。圖3-123：二級80K/140K吸附式低溫製冷機系統(3)金屬吸氫材料吸氫的化學吸附式製冷機(14K-30K)

金屬吸氫材料-氫吸附式低溫製冷機他們採用了LaNi5作為吸附劑吸附氫氣，獲得了20K的低溫。圖3-124金屬吸氫材料吸氫吸附式製冷機圖3-125：25K吸附式製冷機系統。1-吸附床；2-斯特林製冷機；3-電控箱；4-傳輸杆；5-高電子遷移電晶體接收放大器，6-冷頭，7-J-T節流閥，8-熱交換器，9-波導管，10-高壓容器，11-低壓床。25K吸附式製冷機系統以四個吸附床構成吸附壓縮機，採用作為吸氫材料，並構造了附加吸附壓縮機以通過冷卻和加熱來控制吸附壓縮機中氣相空間熱開關以免去閥門的操作。(4)SH2金屬吸氫材料吸氫化學吸附低溫製冷機(7K-10K)

為了獲得7K-10K的低溫，可以通過對LH2的減壓來實現，通過低壓吸氫材料(如鈀)吸氫可以將氫氣飽和蒸汽壓降得很低。

如採用兩只液氫杜瓦，通過採用熱開關進行切換，就可以使得低溫器件連續保持在10K溫度下。圖3-126SH2金屬吸氫材料吸氫10K間斷式氫氣吸附式低溫製冷系統，採用了60K左右的冷源預冷，以為吸附劑使氫氣在24-30K的J-T中間製冷級迴圈，並採用ZrNi吸氫材料達到真空低壓（壓力小於2毫米汞柱)，通過對液氫的吸附使液氫降溫並固化，最後通過固態氫的昇華達到10K的低溫。圖3-127：10K間斷式氫氣吸附式低溫製冷系統。LPSB-低壓ZrNi吸附床,HPSB-高壓吸附床(5)其他低溫吸附製冷機

採用低壓吸氫材料吸附氫氣，使得液氫固化，固態氫氣昇華製冷的特殊辦法，就必須採用氦製冷工質，讓高壓氦氣通過20K或更低溫度預冷。磁製冷，採用順磁鹽材料絕熱去磁。採用氦機械壓縮機讓氦在室溫下排熱，系統採用多重複疊製冷可以滿足氦製冷要求。要獲得4K-5K的低溫，有2種可能的辦法:3.2.10磁製冷

順磁物質可代替氣體或液體，磁場可代替流體的膨脹來得到低溫。圖3-128實現絕熱去磁過程的裝置

熱去磁過程只能在極低溫下實現，若要實現顯著的溫降，晶格熱必須遠小於順磁鹽的磁極熵。在極低溫下，晶格熵為:最大偶極子熵為:為確保絕熱去磁過程成功的溫度條件為:溫度上限T0為:(3.127)(3.128)(3.129)要維持溫度低於1.0K所採用的絕熱去磁製冷機如圖，製冷迴圈為卡諾迴圈但由於環境漏熱及磁場變化需一定時間的不可逆性,引入了絕熱過程的熵增和理想等溫過程的溫升。圖3-129磁製冷機圖3-130磁製冷機的熱力迴圈圖3-131磁製冷機的實際和理想性能理想狀況下，從儲存鹽中吸熱量為:理想情況下，工質鹽對外放熱為:對整個迴圈應用第一定律，迴圈淨功為:理想磁製冷機的COP同卡諾製冷機的相同。磁製冷機可以在失重狀態下運行。(3.130)(3.131)(3.132)3.2.11稀釋製冷機

稀釋製冷機用超流氦-4稀釋氦-3的辦法來製冷。圖3-132氦-3/氦-4稀釋製冷機

氣體（純氦-3）由真空泵壓縮，後在換熱器和4.2K的液氦浴中冷卻。壓縮氣體然後通過1.2K的氦浴冷卻而冷凝。液氦-3經一毛細管膨脹，進一步在冷卻。液體進入混合室（氦-3在0.005K和0.050K間與氦-4混合）之前在另一換熱器中冷卻。圖3-132氦-3/氦-4稀釋製冷機圖3-133氦-3/氦-4混合物的相圖

在混合室中，液體分離成兩相—氦-3的稀釋相和氦-3的濃相。氦-3分子從濃縮相膨脹到稀釋相（向稀釋相擴散），混合物的溫度下降，而混合室從低溫區吸熱以維持定溫。製冷原理與技術

第一節集中式空調系統第二節半集中式空調系統第四章空氣調節的原理和技術第四章

空氣調節原理與技術

依據對空氣處理設備設置情況的分類方法，本章在將空調系統分成集中式、半集中式和分散式三種系統的基礎上，對空氣調節的原理與技術給予介紹。

第一節集中式空調系統

本節主要介紹空氣調節的基礎知識、空調系統負荷的確定、新風量與總風量的確定、空氣處理及其設備、空調系統、空調房間氣流組織的主要內容。

一、空氣調節的基礎知識為什麼首先要全面瞭解空氣的性質

空氣調節的主要任務，就是在所處自然環境下，使被調節空間的空氣保持一定的溫度、濕度、流動速度以及潔淨度、新鮮度。濕空氣的概念濕空氣的基本狀態參數濕空氣的焓濕圖濕球溫度焓濕圖的應用本節主要介紹以下內容1.濕空氣的概念大氣由一定量的幹空氣和一定量的水蒸氣混合而成，我們稱其為濕空氣。

注意

空氣環境內的空氣成分和人們平時說的“空氣”，實際是幹空氣加水蒸氣，即濕空氣。2.濕空氣的基本狀態參數壓力密度含濕量相對濕度焓露點溫度

由於空氣和水蒸汽所組成的濕空氣也應遵循理想氣體的變化規律，所以適用以下公式本小節將以以上公式為基本介紹或壓力由道爾頓定律分壓定律

濕空氣的總壓力為p

或水蒸汽分壓力大小直接反映了水蒸汽含量的多少

從氣體分子運動論的觀點來看

密度濕空氣的密度＝幹空氣密度+水蒸氣密度單位容積的濕空氣所具有的品質，稱為密度

含濕量在濕空氣中與lkg幹空氣同時並存的水蒸汽量稱為含濕量

由Vg=Vq=VTg=Tq=T

，以及Rg=287J／(kg·K)Rq＝46lJ／(kg·K)

當大氣壓力B一定時，水汽分壓力只取決於含濕量d相對濕度濕空氣的水蒸汽壓力與同溫度下飽和濕空氣的水蒸氣壓力之比

濕空氣的相對濕度與含濕量之間的關係可導出

焓幹空氣的焓

+水蒸汽的焓

tCtCigpgpq..2500+==（1+d）千克濕空氣的焓為

或露點溫度

溫度下降到使得空氣的d值等於表中某一飽和含濕量值時，這個所對應的溫度稱為該未飽和空氣的露點溫度。

換言之，露點溫度就是當濕空氣下降到一定溫度，有凝結水出現時的溫度

出現結露現象無結露現象3.濕空氣的焓濕圖

濕空氣的焓濕圖是在不同的大氣壓力B下，縱坐標是其焓值，橫坐標是含濕量值。焓濕圖組成等焓線等濕線1.d2.等溫線等相對濕度線3.5.4.水蒸汽分壓力線熱濕比線0102030500030002000100006000-2000dAdBABiAiB空氣狀態變化在i-d圖上的表示ABB`用線確定空氣終狀態4.濕球溫度濕球溫度的概念在空氣調節中至關重要

濕球溫度是在定壓絕熱條件下，空氣與水直線接觸達到穩定熱濕平衡時的絕熱飽和溫度，也稱熱力學濕球溫度。理論上絕熱加濕小室

穩定流動能量方程式

twPPt1,d1i1t2,d2i2等濕球溫度線

AdAdStBtSBSiSiS

已知幹濕球溫度確定空氣狀態

5.焓濕圖的應用濕空氣的焓濕圖不僅能表示其狀態和各狀態參數，同時還能表示濕空氣狀態的變化過程，並能方便地求得兩種或多種濕空氣的混合狀態。濕空氣的加熱過程

濕空氣狀態變化過程等焓減濕過程等焓加濕過程濕空氣的冷卻過程變化過程的特徵表濕空氣的加熱過程濕空氣的冷卻過程等焓減濕過程等焓加濕過程ABA

BA

CCEA

EA

DD等溫加濕過程A

F冷卻乾燥過程AG多變過程

FGⅠⅡⅢ

Ⅳ

象限熱濕比狀態參數變化趨勢過程特徵idtⅠε>0＋＋±增焓增濕，噴蒸汽可近似實現等濕過程Ⅱε<0＋－＋增焓，減濕，升溫Ⅲε>0－－±減焓，減濕Ⅳε<0－＋－減焓，增濕，降溫i-d圖中不同象限內濕空氣狀態變化過程的特徵過程圖不同狀態空氣的混合態在i-d圖上的確定兩種狀態的空氣混合規律

dAiAdBiBiCdCBCAACB過飽和區空氣狀態變化過程圖

ADCBictDid100%二、空調系統負荷的確定

室內外空氣計算