低溫技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題1-3答案

1、低溫技術(shù)基礎(chǔ)習(xí)題1 .低溫（深冷）與制冷（普冷）的溫度分界線為：120k2 .氮氣的標準沸點77.36k;液化天然氣的主要成分甲烷的標準沸點111.7k;氫氣的標準沸點20.39k;通常情況下氨氣（4He）的標準沸點為4.224k;氧氣 的標準沸點90.188k。（以上數(shù)值精確到0.1K）3 .溫度下降，材料的屈服強度材料的硬度升高;材料的延展性下降;潤滑油粘度增加;純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)±#;氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 上隴；金屬導(dǎo)體的電 阻下降。4 . 1908年、Leiden university的Onnes實現(xiàn)了氮的液化，從此不再有永久氣體。5 .比較以下4種熱力學(xué)過程的參數(shù)變化？表1不同熱力

2、學(xué)過程參數(shù)變化情況參數(shù)變化氣體節(jié)流液體節(jié)流氣體膨脹絕熱放氣溫度T不f:降低/不變下降一下降壓力P下降下降下降下降密度p下降r 下降下降r 下降比始h/、艾小艾下降下降比嫡S增加增加增加/不艾增加降溫效果較不較好好中 等應(yīng)用實例液化氣體空調(diào)斯特 林G-M6 .液'體氧能夠達到77K的低溫”是否正確？ 為什么？答:正確，在一個大氣壓下氧氣的液化溫度為 90K,且氧的三相點低于77K。所 以液態(tài)的氧氣能達到77K的溫度7 .液化溫度越低的氣體其理論最小液化功越大 ”是否正確？為什么？答:不正確，例如氮的液化溫度比氫要低，但其最小理論功還是氫大。8 .氯氣難以液化是因為其理論最小液化功大嗎？為

3、什么？答：不是、是因為氮氣的轉(zhuǎn)化溫度和液化溫度都非常的低9 .畫出氣體液化理論循環(huán)的流程圖和 T-s圖，并寫出氣體液化所需理論最小功 的計算公式。Wmin=T1(S1 Sf) (h1 hf)北地機310 .寫出空氣中含量前三位的氣體成分并標注其體積百分比答：78.12%氮，20.95%氧，0.93%氮（干燥空氣）11 .什么是等溫節(jié)流效應(yīng)？在T-s圖上表示出等 溫節(jié)流效應(yīng)。答：qoh Cp 工 T2 ho h2 ho 兒hr 即它在數(shù)值上等于壓縮前后氣體的始差，這一始 差常用-5T表示，稱為等溫節(jié)流效應(yīng)。12 .氣體等溫壓縮后再等嫡膨脹后所獲得的制 冷量表達式？（請在T-s圖上標出過程），并解

4、 釋其制冷量與膨脹功和等溫節(jié)流效應(yīng)的關(guān)系？答：qos ho h2 ho h1%h2%We即制冷量為等溫節(jié)流效應(yīng)與膨脹功We之和。13 .請列舉目前低溫技術(shù)的5個主要應(yīng)用領(lǐng)域。答：軍事領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、固體物理、超導(dǎo)技術(shù)。14 .請列舉一些現(xiàn)在已在航空航天領(lǐng)域使用到的低溫技術(shù)或設(shè)備。答：輻射制冷、脈管制冷機、斯特林制冷機、布 雷頓低溫制冷機。15 .在T-s圖上表示出磁致冷過程，并解釋其制 冷原理。答：在初溫Ti下等溫磁化過程A-B ,在此過程中 排出熱量，嫡減小；及絕熱退磁過程 B-C,在此 過程中溫度降到Tf016請寫出10種可以降溫的物理方法？答：相變制冷、氣體絕熱膨脹制冷、渦

5、流制冷、絕熱放氣制冷、溫差電制冷（帕爾帖效應(yīng)）、順磁鹽或核絕熱退磁制冷、氮稀釋制冷、固體升華制冷、 3He減壓蒸發(fā)制冷、3He絕熱壓縮制冷、吸附式制冷等，而近期還發(fā)展了利用宇宙空間低溫?zé)釁R（24K）輻射制冷的方法。17液氮什么顏色？液氧什么顏色？液體空氣什么顏色？答：液氮無色，液氧淺藍色，液空淺黃色。18 正氫和仲氫的區(qū)別是什么？什么是平衡氫？平衡氫在低溫下的主要成分是？在常溫下的主要成分是？什么是正仲轉(zhuǎn)化？正仲轉(zhuǎn)化是吸熱過程還是放熱過程？答：由雙原子構(gòu)成的氫分子 H2 內(nèi)，由于兩個氫原子核自旋方向的不同，存在著正、仲兩種狀態(tài)。正氫（o-H2）的原子核自旋方向相同，仲氫（p-H2）的原子核自旋

6、方向相反。不同溫度下平衡狀態(tài)的氫稱為平衡氫，用符號e-H2 表示。平衡氫在低溫下的主要成分是仲氫。 在常溫下的主要成分是正氫。 在一定條件下， 正氫可以變?yōu)橹贇?，這就是通常所說的正 -仲態(tài)轉(zhuǎn)化。正仲轉(zhuǎn)化是吸熱過程還是放19.在所有氣體中，粘度最小的是（ ）。答： 氫、氫、氫熱過程是放熱過程。） ，導(dǎo)熱率最高的是（ ） ，比熱最大的是20 . 氫有三種同位素，分別是哪三種？自然界中的氫氣主要是那一種？答： 具有三種同位素：原子量為 1 的氕（符號H） ；原子量為 2 的氘（符號D）和原子量為3 的氚（符號T ） 。自然界中的氫氣原子主要是H21 .液氫的生產(chǎn)過程為什么要采用催化劑來加速正仲轉(zhuǎn)化?

7、答： 液態(tài)正常氫轉(zhuǎn)化時放出的熱量超過氣化潛熱（447kJ/kg） 。由于這一原因，即使在一個理想的絕熱容器中在正-仲態(tài)轉(zhuǎn)化期間，貯存的液態(tài)正常氫亦會發(fā)生氣化；在起始的 24h 內(nèi)約 18%的液氫要蒸發(fā)損失掉， 100h 后損失將超過40%。為了減少液氫在貯存中的蒸發(fā)損失， 通常是在液氫生產(chǎn)過程中采用固態(tài)催化劑來加速正一仲態(tài)轉(zhuǎn)化反應(yīng)。22 .自然界中的氮氣主要是3He還是4He?氮氣主要從什么氣體中提取？答： 4He 94%從天然氣中提取23 .氮氣是一種特殊的低溫氣體，4He沒有三相點，液氮II在入線左邊，具有超流性。 ”是否正確？正確24 . 可以在室溫下對與氫或氦節(jié)流降溫嗎？為什么？若不可

8、以， 要采用什么方法使其節(jié)流降溫？答：不可以。因為氫或氫的轉(zhuǎn)化溫度比室溫低的多。必須采用預(yù)冷的方法，使其 降溫到上轉(zhuǎn)化溫度一下，節(jié)流后才能產(chǎn)生冷效應(yīng)。25 .在T-s上比較氣體絕熱節(jié)流和等嫡膨脹過程制冷量和溫度變化.b c26 .對氣體的絕熱膨脹，無論從降溫效果及制冷量來看，等嫡膨脹比節(jié)流膨脹要有效的多，但為什么節(jié)流依然應(yīng)用很廣？答：（1）節(jié)流過程用節(jié)流閥，結(jié)構(gòu)比較簡單，也便于調(diào)節(jié)；等嫡膨脹則需要膨脹機，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。且活塞式膨脹機還有帶油的問題；（2）在膨脹機中不可能實現(xiàn)等 嫡膨脹過程，因而實際上能得到的溫度效應(yīng)及制冷量比理論值要小（3）節(jié)流閥可以在氣液兩相區(qū)內(nèi)工作，即節(jié)流閥出口可以允許有很大的

9、帶液量； 但帶液的兩 相膨脹機其帶液量尚不能很大現(xiàn)在還在研制和試用階段；（4）初溫越低，節(jié)流同等嫡膨脹的差別越小，此時，應(yīng)用節(jié)流較有利。因此，節(jié)流和等嫡膨脹這兩 個過程在低溫裝置中都有應(yīng)用，它們的選擇，依具體條件而定。27 .液體節(jié)流過程由于其存在壓差，壓差做的功會轉(zhuǎn)化為熱量，而使液體溫度升高，這種說法對嗎？為什么？答：不對，若節(jié)流后含有大量氣體，溫度一般降低28 .要通過氣體節(jié)流獲得-20C的溫度，在氮氣、氧氣、二氧化碳中，采用哪一種 比較合適？答：二氧化碳比較合適，其節(jié)流效應(yīng)比較的大，節(jié)流效果好29 .要想得到80K下2W的制冷量，采用哪一種制冷方式較好？如要大量液化大 然氣采用哪一種制冷

10、方式較好？如要得到 -50 C下5kW的制冷量，那種制冷方 式比較合適？答：1.斯特林制冷，脈管制冷；2.膨脹與節(jié)流結(jié)合的制冷；3.蒸氣壓縮相變制冷30 .請畫出一次節(jié)流液化循環(huán)（又叫林德-漢普遜循環(huán)）的循環(huán)流程圖和T-s圖并寫出液化系數(shù)Zpr、制冷系數(shù)e pr循環(huán)效率qcW勺數(shù)學(xué)表達式?答：如下圖所示:1U取圖中點劃線包圍的部分為熱力系統(tǒng)，加工空氣量為1kg,得下列熱平衡方程式h2 q3 hoZpr 1 Zpr %而hlhi' Cpi Ti'Tihi由此可得實際液化系數(shù)%h2q2q3Zpr.hi,ho循環(huán)的實際單位制冷量q2i ZprhTq （kg/kg加工空氣） hoqo,

11、prZpr hi,hohTq kJ/kg加工空氣）若壓縮機的等溫效率用T表示，則對ikg氣體的實際壓縮功為W 也RTIn p2 pi （kJ/kg 加工空氣）plTT實際單位能耗wopr 當 " h° RTIn * pi （kJ/kg液空），p Zp ThTq循環(huán)實際制冷系數(shù)qo,pr ThTqprWprRTIn p2 pi循環(huán)效率prcyth式中，理論液化循環(huán)的制冷系數(shù)為qo hi, hoWminT Si, Soh 1ho所以T S,Sohrhocy prhi，ho31 . 一次節(jié)流液化循環(huán)的高壓P2和初壓P1,以及高壓氣體進換熱器的溫度參數(shù)變化-5t加?pr?cywo,

12、prP1升高減小增大增大減小也升高增大增大增大增大減小T降低增大增大增大增大增大對-5t、Zpr、r、 rpy、wo,pr的影響？答:32 .相比一次節(jié)流液化循環(huán)，有預(yù)冷的林德-漢普遜循環(huán)有何優(yōu)點？答：有預(yù)冷時，循環(huán)制冷量較大，液化系數(shù)較大，循環(huán)的經(jīng)濟性較高，而且預(yù)冷會減少換熱器內(nèi)高低壓空氣的溫差， 使回?zé)徇^程的不可逆性減少，提高了循環(huán)效 率。部分低溫氣體需要遇冷才可以液化。33 .請解釋什么是 負”溫差現(xiàn)象，并在設(shè)計流程中怎么避免？答：對于克勞特液化循環(huán)，由于部分加工空氣進入膨脹機，因而在氣體分流后的 換熱器中，正流空氣流量減少，返流氣與正流氣流量比較大，可能出現(xiàn)正流空氣 過冷，使冷熱氣流之

13、間的溫差減小。若循環(huán)參數(shù)選擇不當，在GAh-T圖上就會出現(xiàn)某個局部溫差小于設(shè)計所允許的最小溫差，即出現(xiàn)所謂的負溫差”現(xiàn)象。在進行克勞特液化循環(huán)參數(shù)選擇時，必須校核換熱器的溫度工況。34 .請畫出克勞特液化循環(huán)流程圖及 T-s圖，并推導(dǎo)出Zpr、qo,pr、wpr的數(shù)學(xué)表 達式？并分析提高高壓 P2,增加膨脹量Ve,提高膨脹前溫度T3對液化系統(tǒng)性 能的影響？答： 'J際STanJ -ou 二設(shè)系統(tǒng)的跑冷損失為q3；不完全熱交換損失為q2。由圖中ABCD熱力系統(tǒng)的熱 平衡方程式得h2 Veh4 q3 Zprho Vehs 1 Z pr hl因q21 Zprhi'hi所以h2Veh4

14、q3Zprho 1 Zpr 工，q?q2q3從而可求得實際液化系數(shù)Zhi,h2Ve h3h4Z prrr-hi，hohTVe h3 h4 - q一T2一二一4-（kg/kg加工空氣） hi， ho循環(huán)的單位制冷量：qo,prZpr r hohT2 Veh3h4 -q kJ/kg加工空氣）膨脹機絕熱效率：h3 huh3幾sh3 h4shs循環(huán)功耗：Wpr氏”2兒 Ve hs s m（kJ/kg加工空氣）參數(shù)變化對液化系統(tǒng)性能的影響：當P2與T3不變時，增大膨脹量Ve,膨脹機產(chǎn)冷量隨之增大，循環(huán)制冷量及液化 系數(shù)相應(yīng)增加。但Ve過分增大，去節(jié)流閥的氣量太少，會導(dǎo)致冷量過剩，使換 熱器II偏離正常工

15、況。當Ve與T3一定時，提高高壓壓力P2,等溫節(jié)流效應(yīng)和膨脹機的單位制冷量均增 大，液化系數(shù)增加。但過分提高P2,會造成冷量過剩，冷損增大，并因冷量被浪 費掉而使能耗增大。當P2與Ve 一定時，提高膨脹前溫度T3,膨脹機的始降即單位制冷量增大，膨脹 后氣體的溫度T4也同時提高，而節(jié)流部分的高壓空氣出換熱器 II的溫度（T8） 和T4有關(guān)，若T3太高，膨脹機產(chǎn)生的較多冷量不能全部傳給高壓空氣，導(dǎo)致冷 損增大，甚至破壞換熱器II的正常工作。35 .請說出克勞特液化循環(huán)、海蘭德液化循環(huán)、卡皮查液化循環(huán)的不同點及其不 同的適用場合？答：克勞特液化循環(huán)用于中壓系統(tǒng)，適用在中小型空分裝置；海蘭德液化循環(huán)和 卡皮查液化循環(huán)分別是克勞特液化循環(huán)的一種特殊情況：海蘭德液化循環(huán)中，空氣被壓縮到較高的壓力，而且一部分的空氣不經(jīng)過遇冷直接進入膨脹機；用于高壓系統(tǒng)，常用于生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品的小型裝置；卡皮查液化循環(huán)是帶有高效透平膨脹機的液化循環(huán)，它采用的壓力較低