华科大低温技术原理与设备讲义00绪论

能源与动力工程学院制冷及低温工程教研室低温技术原理与设备§0绪论

本章讨论的问题:1、何为低温科技2、低温科技的应用3、低温科技的发展（内、外）概况4、低温科技的国内外差距5、我国低温科技的近期、长期奋斗目标§0-1低温技术

低温：120k及以下--甲烷的液化温度、标准沸点111.7k,120k及以上—制冷国际会议约定超低温:0.3K

以下。低温技术是指用各种获得低温的方法使气体液化，或者使其一物体或空间达到并保持所需的低温。

世界物质的，物质是运动的，运动是规律的，规律是可以认识的，认识了可以被应用（为人类造福）。如何应用……§0-2低温技术的应用高新技术富国技术

低温技术的应用相当广泛主要有三种方式

一、分离气体：1、空气分离：生产O2，N2，Ar，H2，Ne,He，Ke，Xe2、油田气及石油裂鲜气：生产乙烯，丙烯3、天然气：生产甲烷，乙烷He4、其它

二、液化气体燃气（LNG）石油气LO2

90.2KLN2

77.4KLAr87.3KLH2

20.4KLHe

4.2KLKe78.8K 三、提供并保持低温环境空间技术红外技术超导技术生物医学生物 医疗 机械制造农业食品交通

气体的应用从空气中提取氧、氮和稀有气体是低温技术的一个重要方面。特别是为了获得氧气，所以，国内的专业厂称为制氧机(集团)公司（杭州、哈尔滨、邯郸、吴县、江西）或空分设备(集团)（四川、开封）。

一、氧：1、钢铁

氧主要用于炼钢和冶炼有色金属。在钢铁生产中，氧气用来强化冶炬过程用作转炉氧气顶吹，平炉及电炉吹氧，以及高炉的富氧鼓风，切割，焊接以及烧通出钢口和出铁口等。特别是纯氧顶吹转炉炼铁已被各国普遍采用，成为一种最佳的炼钢方法。治炬时间（包括辅助时间）只需40分钟。这种方法与其它方法相比具有速度快，产量高，品种多，质量好，投资省等优点。

（a）转炉顶吹用氧量每炼一吨钢需要高纯度的氧气（99.5%O2,99.1%O2）50-60m3/h各种转炉需要配备的制氧机容量（b）平炉吹氧炼钢的耗氧量（P=5-6，浓度95%O2

工艺氧）

500T的平炉约需氧气3000m3/h（c）高炉（21%O2以上）鼓风炼铁——提高炉生铁产量，降低焦碳消耗。若不用富氧鼓风时，一吨铁需要600公斤焦碳，而600公斤焦需用一吨煤，而在开煤矿中采煤时，平均每四吨煤中才有一吨可用来炼焦。

如用重油喷射加25%O2富气空气鼓风，可以大大降低焦铁比，每一吨铁只需350㎏的焦碳据统计，高炉中富氧纯度每提高1%，生铁产量可以提高4-6%，焦铁比可降低5-6%。 B在化学工业中的应用

在合成氨工厂，氧作重油和粉煤的气化剂

合成氨工业对空分装置能力的要求

C氧在国防及空间技术中的应用液氧是火箭燃料的助燃剂（氧化剂）—US载人登月飞船用的火箭，发射一次用了 2500TO2航空、航天中、液氧化作呼吸用。

在喷气式战斗机中，用作加速剂

D其它方面的应用煤的地下气化合成燃料的生产磁流体发电气焰开采岩石2氮

氮的主要用户是化肥工业。氮气是生产合成氨的原料气。如硝酸铵含氮36%，硫酸铵在火箭技术中用作燃料氧化剂的含氮21%，尿素含氮46.7%。

液氮压送剂

氮气用于吹除火箭的各个系统液氮用作低温冷源：H2，He恒温器）

原子能工业中用纯N2作保护气洗涤导弹冷却装置。

在医学和畜牧业方面保存和运输血浆、牲畜的精液，低温手术刀食品工业中，液N2快速冷冻食品，N2气水果保鲜。低温化学工艺：长期保存高活性，不稳定物质（如臭氧，自由荃等）的工艺

生产同质异性产品（如H2O4）的反应

以及新的化合物（如氮，氙及氟的化合物）的合成等都必须在LN2温度下进行。

超高纯氮气

制造环境保护气计算机手机电子产品电子元气件集成电路3、氢H2（氕H、氘D、氚T）

液H2用于火箭技术，主要作为火箭燃料，如US载人登月飞船用的火箭发射一次需LH290T。用泥浆式液一固H2

混合物作宇宙飞船的燃料，有便于携带、体积小和延长保存时间等优点。我国的LH2火箭居世界前列，现在可对外服务。中子源（冷冻靶）新能源（清洁燃料）LH2汽车电动汽车4、稀有气体大型空分装置还可附加一些设备提取稀有气体（全提取空分装置） A．氩Ar

它在工业上的用途很广，单晶硅的生产，稀有金属一铀，钛，锆，锗等的冶炼以及收音机制造、造船、原子能工业，机械工来都要用氩作保护气（氩弧焊）用Ar充填灯泡，日光灯和霓虹灯、电子管，可以激发光源。B、氖气（红光）Ne它的导电性高，主要用于充填电子管、钠蒸汽灯，萤光灯和水银灯，它们用作港口、机场和水陆交通的航标。在各种测量仪器上用作显示装置。（沸点27K）（氖还可用于研究基本粒子执道的火花室的充填介质）

C．氦He(4He、3He)

He在国防尖端技术中的应用最为突出。一个模拟宇宙的试验舱，操作温度为4K，压力为133.3×10-10Pa,每周要消耗1500升LHe作为冷却剂。He是目前达到最低温的一种介质（4.2K，2.2K发生相变，成为超流He）。在LHe温度下，某些金属R→0而成为超导体。利用超导材料可制造电机，计算机记忆系统。建立强磁场一磁悬浮列车一超导磁分离。一核磁成像。

在低温电子学上将He用于人造卫星期的通讯具有干扰小，精确度高，放大率特别大等独特的优点。且这些电子元件可以做得极小，一根直径与头发差不多的材料，可以做一个真空管。

氦气具有很强的扩散性因此是最好的真空检漏剂，火箭、导弹发射时，He被用作燃料（液H2，LO2）的压送剂，He还用于气冷式原子能反应堆中的载热剂，还用于等离子体工业，气体激光（气体等塞），雷达探测，高空摄影等技术，在医学方面，He与O2的混合作呼吸剂可医治潜水病。因而海军，深海打捞部门也使用He，He的举力比氢（H2）小8%且安全，可用来充填飞船。

He主要从天然气，核裂变物质中提取，价高（200元/标m3G）3He地球上稀少，价高（普通气体万倍）月球上丰富单一工质最低温度（百mK级）稀释制冷机（mK级） D．氪（Ke）Kr

用来充填高级电了管和灯泡，氪灯的透射率特别高，适用于越野战车的照射灯，在测量宇宙辐射方面，用来充填游离室，在医学上，利用氪对X射线渗透性较小的特性，可诊断人体内部的空腔。E．氙（xian）Xe

（兰光）氙气具有极高的发光强度，其放电的光强度超过太阳光，充填的长弧氙灯有小太阳之称，因而于充填闪光灯私有雾航空导航灯最为理想。医学上，氙气用作无副作用的深度醉剂，高压氙灯还用来消毒。

用氪、氙混合气充填电子管灯泡比相同功率的氩灯省电20-25%寿命长2-3倍。用气体制冷机提供低温环境主要为红外服务、红外摄影、侦察、精密制导，反道弹导弹系统（拦截系统）等，也可用于常规式器。此类制冷机主要有斯特林制冷机G-M制冷机威勒姆制冷机沙尔文制冷机单机提供多级冷源。

绝对零度（0K）问题能否实现追求10-8-10-14K§0-3低温技术发展状况低温技术的发展始于19世纪末。

年代

达到温度

介质

188790KLO2

188377KLN2

189820KLH2

19084.2KLHe

19191KLHe减压

19330.27K绝热去磁

10-8~10-14—目前最低温度

1914开始申请专利尔后建厂（天然气液化）

1931提出用驳船运LNG

1939建立了逐级式（三级）循环

1941350×106Nm3/day2%Ni

400×106Nm3/day3.5%Ni

低温贮运设备始于1898年，1905年西德制造了可置于车中的LO2容器

LNG船试航成功可供低温的9%Ni等材料的发明

美国APCI-逐级式装置占世界上80%

我国的发低温技术发展状况：

解放前，我国的低温技术是一个空白，国内只有几台进口的小型O2设备。维修也受外国人控制。低温技术的发展始于解放后。现有八厂二所，它们是杭州制氧机厂，哈尔滨、吴县、江西、邯郸、开封、四川、自贡机械一厂，杭州制O2机械研究所，四川空分设备研究所。

1953年

哈尔滨制氧机厂制成两台30m3/h制氧机，从此结束了我国不能生产制O2机的历史，创建了国自己的制氧机制造业。

1956年

杭州通用机械厂一杭州制氧机厂前身生产了50m3/n制氧机和12升LO2/h移动式制氧车。1958年杭氧厂正式建立生产了150m3/n，并成功地制造出两台采用高低流程的空分装置3350m3/n制氧机，随后又相继建立了开封、邯郸，自贡等厂。

1968年

我国自行设计制造了一台全低压空分装置3200m3/n制O2机（开封厂）和6000m3/n（杭）。

1970年

又设计制造出多种规格型号的制O2机。如

300m3/h 邯郸

600（800）m3/h 哈尔滨

1000m3/h 开封

1500m3/h，1000m3/h 杭州60年代末到70年代初又相继建立了四川、江西厂。

从而形成了我国自己的空分装置产品系列。

天然气、石油气的分离装置70年代起步，现有装置10万m3/day，50万m3/day，（四川厂）

加速发展40000Nm3/ho2成功运行

§0-4 差距大型空分装置（50000Nm3/h）

空分装置节能、自动化、机电-体化

长寿命、高可靠性

天然气（油田气）液化分离设备制冷机制冷系统制冷器件其他

§0-5 奋斗目标

近期（八·五）

立足6000-10000m3/h，开发了30000m3/h（国产化率11%~30%，争取最终达70%）

90%的大、中型空分设备达到及降80年代水平，其余达70年代中、末期水平

小型空分设备达到80年代初期水平

稀有气体提取技术达到70年代末期水平

天然气分离与液化设备达到

70年代中期水平

低温贮运设备达到

80年代水平

溶解乙炔设备达到