第三章低温原理与技术

制 冷 原 理 与 技 术
➢ 取热交换器，两个气液分离器，二个节流阀，作为 热力分析系统，针对稳定流动，根据能量守恒原则， 可得液化率为:
制
h1 h3 h1 h2
y
i
(3.19)
冷
h1 hf h1 hf
原
..
➢中间压力蒸汽流率比： i mi / m
(3.20)
理
与
➢热力学第一定律应用于两个压缩机，单位质量气体
T
1(S1
Sf
)
(h1
hf
)
w i m f
(3.18)
图3.9 液化率与极限液化率 随制冷剂流率的变化。
制 冷 原 理 与 技 术
图3.10 带预冷林德－汉普 逊系统单位质量氮气液化功
5. 林德双压系统
制 冷 原 理 与 技 术
图3.11 林德双压系统
制 冷 原 理 与 技 术
图3 .12 林德双压系统T－S图
x2
he2 h1 hf
(3.32)
图3.27 考林斯氦液化系统
制 冷 原 理 与 技 术
制 冷 原 理 与 技 术
17. 西蒙氦液化系统
制 冷 原 理 与 技 术
图3.28 西蒙液化系统
制 冷 原 理 与 技 术
图3.29 西蒙液化系统的T－S图
制 冷 原 理 与 技 术
➢假定厚壁容器传入热量可逆，同时容器材料的比热
气体名称
沸点(K)
理论最小功(kJ/kg)
氦－3
3.19
8178
氦－4
4.21
6819
制
氢
20.27
冷
氖
27.09
原
氮
77.36
空气
78.8
理
一氧化碳
81.6
与
氩
87.28
技
氧
90.18
术
甲烷
111.7
乙烷
184.5
12019 1335 768.1 738.9 768.6 478.6 635.6 1091 353.1
理
系统的性能好
与
所需压力降低
技 缺点
术
系统的每一级循环都必须完全不漏，以防止流体渗
漏
图3.14复迭式系统
制 冷 原 理 与 技 术
7. 克劳特系统
制 冷 原 理 与 技 术
图3.15 克劳特系统
制 冷 原 理 与 技 术
图3.16 理论克劳特系统T－S图
制 冷 原 理 与 技 术
➢ 取热交换器、节流阀、气液分离器作为能量分析系 统，该系统没有外部热功交换，对该系统应用热力学 第一定律:
16. 考林斯氦液化系统 17. 西蒙氦液化系统
1. 基本概念
制 冷 原 理
系 统
单位质量气体的压缩功 w / m
的 性
单位质量气体液化功
w / m f
能
参
液化率
y m f / m
与
数
技
三者之间的关系是:
术
(w / m ) (w / m f ) y
(3.1)
循环效率FOM(热力完善度): 通常以理想循 环所需的最小功与实际循环液化功比值作为 评定的标准。
技
的压缩耗功为:
术
.
w
. [T1(S1 S3 ) (h1 h3 )] i[T1(S1 S2 ) (h1 h2 )]
m
(3.21)
图3.13 林德双压系统液化功
制 冷 原 理 与 技 术
6. 复迭式系统
复迭式系统是预冷系统的展开，由其它制冷
制
系统来预冷。
冷 优点
原
第一个用于生产液空的液化装置
r
m r m
冷
➢液化率: y h1 h2 r ha hc
原
h1 h f
h1 h f
(3.15) (3.16)
理 与 技
➢带预冷系统的最大液化率: h6 h3 y max h6 hf
(3.17)
术
➢假定主压缩机是可逆等温的,附加压缩机是可逆绝 热的.单位质量加工气体压缩耗功:
w i m
与
➢单位质量的液化功:
技 术
w m f
w m y
(
h1 h1
hf h2
)[T1(s1
s2
)
(h1
h2
)]
(3.13)
4. 带预冷林德－汉普逊系统
预冷林德－汉普
逊系统:
制
对简单林德－ 汉普逊系统，当热
冷
交换器入口温度低
原
于环境温度时，可 以改善简单林德－
理
汉普逊系统的性能
与
指标。
技
术
图3.6 液化率随热交换 器入口温度变化关系.
焓降均较小。
制 冷 原 理 与 技 术
9. 海兰特系统
海兰特循环：带高压膨胀机的气体液化循环。实际上 它也是克劳特循环的一种特殊情况。
制
图3.19 海兰特系统
冷
原
理
与
技
术
制 冷 原 理 与 技 术
10. 采用膨胀机的其它液化系统
双压克劳特:原理与林德双压系统相似。
通过节流阀的气体被压缩至高压 经过膨胀机循环气体仅压缩至中压
图3.7 预冷林德－汉普逊系统
制 冷 原 理 与 技 术
制 冷 原 理 与 技 术
图3.8 预冷林德－汉普逊循环的T-S图
制 冷 原 理 与 技 术
➢应用热力学第一定律
0 (m m f )h1 m rha m f hf m h2 m rhd (3.14)
制
➢定义制冷剂的质量流率比:
12. 各种液化系统的性能比较
表3.3 以空气为工质，＝300K，P＝101.3kPa液化系统的比较
制 冷 原 理 与 技 术
续上表：
制 冷 原 理 与 技 术
13. 用于氖和氢的预冷林德－汉普逊系统
制 冷 原 理 与 技 术
图3.22 适用于液化氖和氢的 液氮预冷林德－汉普逊系统
制 冷 原 理 与 技 术
符合德拜表达式:
dQ mcTcdSc CcmcdTc
(3.33)
制 冷
➢容器的熵变为:
Sc
77.93Rc
D3
(T
3 5
Tf
3)
(3.35)
原
➢存在漏热: S6 S5 (mc / m6)Sc
(3.37)
理
与
➢液化率:
(Sg S5) (mc / m6)Sc y
(3.39)
技
Sg Sf
术
➢满液体部分的容积比:
Q R wi m( hf h1 ) m( h1 hf )
(3.5)
与
➢. 等熵过. 程 S2 Sf
.:
技
Q R mT1(S2 S1) mT1(S1 Sf )
(3.6)
术
➢液化气体的理论最小功:
w i m
T 1(S1 Sf ) (h1 hf )
w i m f
(3.7)
表3.1 液化气体的理论最小功 (初始点P=101.3kPa，T=300K)
4. 带预冷林德－汉普逊系统
制
5. 林德双压系统
冷
6. 复迭式系统 7. 克劳特系统
原
8. 卡皮查系统
理
9. 海兰特系统
与
10. 采用膨胀机的其它液化系统 11. 液化系统
技
12. 各种液化系统的性能比较
术
13. 用于氖和氢的预冷林德－汉普逊系统 14. 用于氖或氢的克劳特系统
15. 氦制冷的氢液化系统
z
y
(3.30)
技
hc ha hc ha
术
➢单位质量液化氢或氖下氮的蒸发率:
.
.
mN 2 mN 2 / m z
.
mf
.
.
mf / m
y
(3.31)
图3.23 在液氮预冷林德－汉普逊系统中每液化单位质 量氢所需氮的蒸发率与液氮槽温度的关系.
制 冷 原 理 与 技 术
14. 用于氖或氢的克劳特系统
16. 考林斯氦液化系统
➢早期氦液化器采用液氢作为预冷剂,如带预冷林德 －汉普逊系统可以用来液化氦气。
制
冷
原
考林斯氦液化器是克劳特系统的进一步发展具
理
有低温工程里程碑。
与
取除氦压缩机及膨胀机外的所有部件作为分析
技
系统，对该稳定流动系统应用热力学第一定律:
术
y
h1 h2 h1 hf
x1
he1 h1 hf
制 冷
FOM
w i w
w i / m f w / m f
(3.2)
原
理
实
与
际 性
技
能
术
参 数
压缩机和膨胀机的绝热效率 压缩机和膨胀机的机械效率 换热器的效率 换热器和管道的压降 系统与环境的热交换
2. 热力学理想系统
制 冷 原 理 与 技 术
图3.1 热力学理想液化系统. (a) T-S图，(b)系统图。
制
0 (m m f )h1 m f hf m ehe m eh3 m h2 (3.22)
➢膨胀机的流量比率:
冷 原 理 与
进膨胀机质量流量占总流量比例:
➢液化率:
.
m f h1 h2 h3 he
y
.
m
h1 hf
x h1 hf
x me / m
(3.23)
(3.24)
技 术
➢净耗功:
.
制
mf
.
m
y h1 h2 h1 hf
冷
气体的液化率依赖于：
(3.8)
原
大气条件下(点1)的压力 P1和温度T1 ,从而决定了h1和hf ；
理
等温压缩后的压力 P2 ，h2由 P2决定。
与
➢我们无法改变环境状态,因此系统的性能取决于压力 p2
技
要使液化率 y 最大，则必须使 h2最小：
术
h ( P )T T1 0
➢取三个换热器、液氮槽、液氢或氖的储罐和节流阀 作为分析系统，针对没有热漏的稳定流动:
制
0 m N2 hc (m m f )h1 m f hf m N2 ha m h2 (3.28)
冷
➢单位质量压缩氢或氖所对应的氮的蒸发率:
原
z m N2 / m
理
(3.29)
与
h2 h1 h1 hf
制 冷 原 理 与 技 术
图3.5 即使氢或氦的简单林德－汉普逊系统能按正确 方向启动，它仍不能传递足够的能量以获得液体
➢林德－汉普逊系统的耗功 :
QR w m (h2 h1)
(3.11)
制 冷
➢单位质量耗功 :
原
w / m T1(s1 s2 ) (h1 h2 ) (3.12)
理
制 冷 原 理 与 技 术
➢稳定物流的热力学第一定律:
Qnet Wnet
.
m (
h
v
2
/
2
gz
)
.
m (
h
v
2
/
2 gz )
(3.3)
out
in
制
➢通常动能和势能的变化相对于焓变而言小得多:
.
.
.. ..
冷
Q net W net mh mh
(3.4)
out
in
原
➢理想系统时:
理
. ..
.
第三章
低温原理与技术
制
冷 原
第一节 气体液化与分离
理
第二节 低温制冷机
与
技 术
第三节 低温绝热
3.1 气体液化与分离
3.1.1 气体液化
制 冷
3.1.2 气体分离和纯化系统
原
3.1.3 气体的分离原理
理
3.1.4 变压吸附
与
Байду номын сангаас
技
3.1.5 空气分离系统
术
3.1.1 气体液化
1. 基本概念 2. 热力学理想系统 3. 简单林德－汉普逊系统
制 冷 原 理 与 技 术
图3.20 双压克劳特系统
制 冷 原 理 与 技 术
11. 液化系统
自动制冷复迭系统:工作时重组分先冷凝，轻组分后冷 凝的特性，将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温度 级的冷量，使天然气对应组分冷凝并全部液化。
制 冷 原 理 与 技 术
图3.21混合制冷剂 液化天然气系统
液化。
理
采用氦制冷系统与高压系统相比:
与 优点:
技
相应地降低了使用压力 缩小了压缩机的尺寸
术
减小了系统材料的壁厚
不足:
需用两台压缩机
图3.25 氦气制冷的氢液化系统
制 冷 原 理 与 技 术
制 冷 原 理 与 技 术
氢液化器中正－仲氦转换
氢可能存在两种不同的状态:正氢和仲氢
制
在平衡氢中正氢的浓度主要取决于氢的温度:
w m
[T1 ( s1
s2 )
(h1
h2
)]
x(h3 he )
(3.26)
w e m e (h3 h4 )
(3.25)
图3.17 克劳特循环单位质量液化功
制 冷 原 理 与 技 术
8. 卡皮查系统
图3.18 卡皮查系统.
制
冷
原
理
与
技
术
卡皮查循环：带有高效率透平
膨胀机的低压液化循环。它采用
低压力，等温节流效应及膨胀机
冷
➢ 在常温下，平衡氢是75%正氢和25%仲氢的混合物
原
➢ 在液氢的标准沸点时，氢的平衡组成几乎全部为
理
仲氢，占99.8%。
与
技
➢当氢气经过液化系统时，气体不可能在热交换器内
术
保持足够长的时间以建立起一定温度下的平衡氢组成， 结果是液氢由接近环境温度下的正仲氢组成。
图3.26 正仲氢转化布置
制 冷 原 理 与 技 术
制 冷 原 理 与 技 术
图3.24 生产液氢或氖的 液氮预冷克劳特系统
制 冷 原 理 与 技 术
15. 氦制冷的氢液化系统
氦制冷机采用改进的克劳特系统，在循环中
制
氦气并不被液化，但达到的温度比液氢或氖更低。 压缩氦气经液氮槽预冷，进入膨胀机膨胀产
冷
冷降温，冷氦气返回以冷却高压的氢或氖，以使其
原
(
h P
)T T1
(JT
C p )T T1
0
(3.10)
简单的林德－汉普逊
循环不能用于液化氖、氢
和氦:
1. 由于这些气体的
制 转化温度低于环境温度，
冷 所以无法降温启动。
原
2. 用林德－汉普逊 系统能够获得降温，通过
理 低温下节流后完全都是蒸
与 汽，没有气体被液化。
技
术
图3.4 用氦或氢作工作流体简单 林德－汉普逊系统的启动过程
丙烷
231.1
140.4
氨
239.8
359.1
3. 简单林德－汉普逊系统
制 冷 原 理 与 技 术
图3.2 林德－汉普逊系统.
制 冷 原 理 与 技 术
制 冷 原 理 与 技 术
图3.3 林德－汉普逊循环的T－S图
➢热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到:
0 (m m f )h1 m f h f m h2