现代低温制冷技术(1)

低于纯质在其相转变区间的等温节流效应。
a24a25 Nhomakorabea二.混合工质的气固液相平衡特性
➢ 蒸发过程：
纯工质，取决于节流后的压力 混合工质，取决于节流后压力和混合物的相平衡特性
➢ 混合物分类：
（1）共沸混合物：
在蒸发过程进行时，随着热负荷的增加，其蒸发温度基本保持不变。 共沸混合物可减少蒸发过程的损失。 （2）非共沸混合物： 在恒定的压力下，蒸发温度随着热负荷的加入而升高。这对于制冷温 度要求恒定的场合不利，但对于非等温热负荷的场合，则另当别论。 （3）异共沸混合物 液氮温区采用的多元混合物，为一种特殊的异共沸混合物，在低温下 会出现特殊的气-液-液相平衡特性，其中一个液相为富氮液相，另一 个为贫氮液相。在蒸发过程中，富氮液相的蒸发温度接近纯氮的蒸发 温度，这一性质对于获得恒定的液氮制冷温度是非常有利的。
预冷的节流循环和双压节流循环及其它流程形式。值得特别注意的是，
由于氖、氢和氦的转化温度远低于室温，利用这些气体进行节流制冷
循环时，预冷成为循环实现的必要条件。
尽管节流制冷循环效率较低，但是由于其组成简单，无低温下的运动 部件，可靠性高，该循环仍得到了重视。尤其是开式节流制冷循环 （此时，用高压储气瓶代替压缩机作气源），便于微型化，轻量化， 在红外制导等领域得到了广泛使用。目前节流制冷循环研究的新进展 在于利用混合工质代替纯工质以便达到降低压力、提高效率的目的。
点之间的温差（T1－T2）即为要求的积分节流效应。
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（3）转化温度与转化曲线
在一定的压力下，气体具有某一温度时，微分节流效应可以等于零， 这个温度叫做转化温度。
已知气体的状态方程时，转化温度可以由方程计算得到。 通过范德瓦尔方程分析转化温度的变化关系。
对于1摩尔气体，遵守范德瓦尔方程，则有
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节流效应区别：
微分节流效应：
通过给定状态点的等焓线的斜率。节流过程是一个不可逆过程，等焓线并不 是绝热节流的实际过程线，但流体绝热节流前后的状态应落在等焓线上。
积分节流效应：
表示流体从状态1绝热节流到状态2所引起的温度变化的总量。
等温节流效应：
始 中先压的将力吸气热p体0，量从达称初到为态状等0（态温p2节0；）流再等效令温应气压（体缩气定到体压状等吸态温热1压（回缩p到1，）状绝，态热然0节，后流这绝之个热后定节，压流所过到程产初 生的制冷效应）。等温节流效应在数值上等于定温压缩前后气体的焓 差。
将上式代入αh方程中，并令αh＝0，得到
表示转化温度与压力的关系，它在T－p图上为一连续曲线。
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转化曲线：转化温度与压力的关系曲线
下图为氮的转化曲线，虚线是按公式计算的，实线是用实验方法得到 的。二者的差别是由于范德瓦尔方程在定量上不准确引起的。
转化曲线将T－p图分成了制冷区和制热区两个区域。转化曲线外，是 制热区，αh<0，节流后产生热效应，转化曲线内，是制冷区，αh>0， 节流后产生冷效应。
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氮和甲烷，R14等的二元混合物，在低温 下形成非共沸混合物。
氮和甲烷的非共沸混合物，其泡点温度不 仅与压力有关，与甲烷的含量也有关。
为获得80K以下的低温，可能需加入低沸 点组元。
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三相共存温度非常接近低沸点组分的沸点。
氮的摩尔分数为50%的混合物：
在70K，混合物分离成两个共存的液相；
如果气体的状态方程是已知的，则ah就可以算出，其正负也可完全确定。 对于理想气体,状态方程， 故αh＝0，所以理想气体的微分节流效应为零。 时(2)，αh得的到表的达经式验也公可式通如过下试（验T来，建p的立单。位例分如别对为于K空和气k和Pa氧），：当p<15×103kPa
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积分节流效应还可用T－s图或h－s图求解，其方法如图2所示。从节流前 的状态点1（p1,T1）画等焓线，与节流后压力p2等压线交于点2，则这两
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一.气体绝热节流制冷循环
1.实际气体的节流 2.绝热节流制冷循环
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1.实际气体的节流
（1）节流过程的热力学特征 当气体在管道中流动时，由于局部阻 力，如遇到缩口和调节阀门时，其压 力显著下降，这种现象叫做节流。 工程上由于气体经过阀门等流阻元件 时，流速大时间短，来不及与外界进 行热交换，可近似地作为绝热过程来 处理，称为绝热节流。
循环消耗的比功：
性能系数：
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节流制冷循环的性能系数低，经济性较差，这是因为，作为节流循环 的主要工作过程--节流过程，是典型的不可逆热力过程；此外，在热
交换器中，正、返流气体间的温差从热端向冷端不断增加，在换热器
中冷端部分甚至是很大的温差，于是不可避免的存在热交换不可逆损
失。为了减小这两个损失，提高节流循环的性能指标，人们提出了有
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对于理想循环，忽略环境传入系统的漏热损失，针对由换热器、节流阀、和蒸 发器组成的控制体，根据稳定流能量平衡方程，可得循环的制冷量Q0
循环中消耗的比功可简单地由热力学第一定律得出
在实际循环中，存在三种主要损失：（1）压缩机工作过程的不可逆损失，一般 用等温效率ηT表示 （2）换热器不完全热交换损失q1，也称复热不足损失。 （ 3）环境介质传热给低温设备引起的冷量损失，称作漏热损失q2。考虑到以上 三种损失，实际节流制冷循环的单位制冷量：
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主要特征
气体在绝热节流时，节流前后的比焓值不变。 这是节流过程的主要特征。
由于节流时气流内部存在摩擦阻力损耗，所 以它是一个典型的不可逆过程，节流后的熵 必定增大 。
实验发现，实际气体节流前后的温度一般将 发生变化。气体在节流过程中的温度变化叫 做焦耳－汤姆逊效应（简称焦－汤效应）。 造成这种现象的原因是因为实际气体的焓值 不仅是温度的函数，而且也是压力的函数。 大多数实际气体在室温下的节流过程中都有 冷却效应，即通过节流元件后温度降低，这 种温度变化叫做正焦耳－汤姆逊效应。少数 气体在室温下节流后温度升高，这种温度变 化叫做负焦耳－汤姆逊效应。
四.混合工质节流制冷循环的热力过程分析及优化
1.一次节流制冷循环 2.采用混合工质提高节流制冷性能的机理 3.混合工质一次节流制冷循环的优化 4.内复叠节流制冷循环
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1.一次节流制冷循环
组成：压缩机，冷却器，逆流换热器，节流阀和蒸发器 流程：0-1等温压缩
1-2等容换热 2-3等焓节流 3-4吸热 4-5复热
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三.混合工质逆流换热器的换热特性
螺旋勒片管式（Hampson型）：
结构紧凑，易于微型化，在微型节流制冷器中被广泛应用，是目前用得最 多的一种。
管套管式（Linde型）：
制作简单，成本较低，在小型制冷系统中广泛应用。
多孔板换热器：
有更高的比表面积，占空率高，是一种新型的低温换热器。
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表2示出十几种气体在低压下的上转化温度及其与临界温度的比值。 因大多数气体，如空气，氧，氮，一氧化碳等，转化温度较高，故从 室温节流时总是冷效应。氖、氢及氦的转化温度比室温低，必须用预 冷的方法，使其降温到上转化温度以下，节流后才会产生冷效应。
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（4）等温节流效应 如 流 压果到下将状吸气态热2体，（由则p起可2,T始以2）状恢，态 复则到0（气原p体来2,的T的1温）状度等态由温0（压T1降p缩2,到到T1T状）2。态，令1所(节吸p1流,收T后1的)，的热再气量令体即其在单节等 位质量制冷量（简称为单位制冷量）q0。应用等温节流效应来计算气 体制冷机和液化装置的制冷量是很方便的。 气体经过等温压缩和节流膨胀之后之所以具有制冷能力，是因为气体 经等温压缩后比焓值降低，所以气体的制冷能力是等温压缩时获得的， 又通过节流表现出来。等温节流效应是等温压缩和节流这两个过程的 综合。等温节流效应在数值上等于定温压缩前后气体的焓差。
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2.绝热节流制冷循环
简单绝热节流制冷循环也被称作林德( Linde )循环。 系统由压缩机、冷却器、逆流换热器、节流阀和蒸
发器组成。 对于理想循环，制冷工质在压缩机里从低压p1压缩
到p2，经冷却器等压冷却至常温（点2）。上述过程 可近似地认为压缩与冷却过程同时进行，是一个等 温压缩过程（由此引起的误差由等温效率修正，见 后），在T－s图上简单地用等温线 1'－2表示。然 后经逆流换热器器冷却至状态3，经节流阀节流后到 状态4并进入蒸发器。在蒸发器中，节流后形成的液 体工质吸收被冷却物体的热量（即冷量）蒸发为蒸 气。处于饱和状态的蒸气回流至换热器中用于冷却 高然后压被正吸流入气压体缩，机在，理完想成情整况个下循，环本。身复热到温度T1，
并存在一个最大转化压力，即对应该压力，只有一个转化温度，大于 该压力，不存在转化温度，小于该温度，存在两个转化温度，分别称 为上转化温度和下转化温度。
在利用气体节流制冷时，气体参数的选择要保证节流前的压力不得超 过最大转化压力，节流前的温度必须处于上下转化温度之间。
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理论分析和实验结果都表明，气体的临界温度越低，其转化温度也越 低。
现代低温制冷技术
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第五章 节流制冷机
第一节 混合工质节流制冷的工作原理 第二节 小型节流制冷机 第三节 微型节流制冷机（MMR）
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第一节 混合工质节流制冷的工作原理
一.气体绝热节流制冷循环 二.混合工质节流特性 三.混合工质的气液固相平衡特性 四.混合工质逆流换热器的换热特性 五.混合工质节流制冷循环热力过程分析及优化
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因为节流效应与压力、温度有关，所以等温节流效应也直接决定于压 力、温度。在一定温度下，只要压力不超过对应温度下的转化压力， －ΔhT将随压力的增加而增加。图4a给出了氮气的－ΔhT随压力的变 化情况（T＝300k）。
在 p1=一0.定1M压Pa,力p下2=，25降MPa低时温,－度Δ，h－T与Δ温h度T随T的之对增应大关。系图。4可b 表以示看了出氮，气随在着 温 度 的 降 低 ， － ΔhT 可 以 增 加 数 倍 。 气 体 混 合 物 的 －ΔhT值可以近似看为各组分的－ΔhT值之和。
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第二节 混合工质节流制冷
（目前230~80K温区，主要的制冷方式。）
➢ 发展历史：
基于林德-汉普逊循环（一次节流制冷循环），研究采用氮的多元混合工 质，替代纯氮的节流制冷机的工作原理和热力性能。 基于外部复叠制冷的思想，研究内复叠节流制冷在天然气液化和更高温区 使用的节流制冷机的工作过程和热力特性。
➢ 混合工质组元的选择原则(液氮温区)：
应具有较低的凝固温度 纯工质组元的正常沸点应介于液氮温度至环境温度之间，在每一个温度 段都应该加入组元 毒性小，对大气无污染，来源充足，价格便宜。
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一.混合工质节流特性
1.混合工质的转变曲线
混合工质的临界压力高于纯组元的临界压力，至少高于纯组元中最低 的临界压力；临界温度介于组元的临界温度之间。混合工质的最大转 变压力大于纯氮。
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（2）微分节流效应和积分节流效应
微分节流效应
根据气体节流前后比焓值相等这一特征，令
微分节流效应αh，有时也称作焦耳－汤姆逊系数，可以理解为气体在 节流时单位压降所产生的温度变化。对于正效应，αh>0；对于负效应， αh<0。
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积分节流效应
压降为一有限数值Δp＝p2－p1时，节流所产生的温度变化叫做积分节流效 应。 (1) 由热力学基本关系，可以推出
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2.混合工质的节流特性
在环境温度附近，高沸点组元的等温节流效应很大，为纯氮工质的 10～20倍；
高沸点组元的等温节流效应随压力的升高，对应着气液相转变过程， 存在转折点；
低沸点组元在低温时会对应着较大的等温节流效应。
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对于纯质组元，当低于其凝固点后，等温节流效应不存在； 等温节流效应，在纯质组元相应的气液相转变区间比较大； 低沸点工质的潜热较小，其等温节流效应比高沸点组元的小。 多元混合工质在整个温区，应都具有较大的等温节流效应，但可能会
对其加热，温度不断升高；当到达V-L-L 三相共存温度时，继续加热，混合物的温 度将保持不变，直至富氮液相全部蒸发完； 继续加热，富乙烷液相不断蒸发，温度升 高至露点温度。
让高压气体在换热器中有充分的预冷，经 节流膨胀后可达到V-L-L共存，从而蒸发 器的吸热过程是在固定不变的三相共存温 度下进行，实现了等温吸热，这个温度也 很接近氮的正常沸点。