低溫制冷技術(shù)最新進(jìn)展期末大作業(yè)

1、低溫制冷技術(shù)最新進(jìn)展作業(yè)姓名：李科學(xué)號(hào)：3115014002班級(jí)：碩5015院系：制冷與低溫工程系第一章低溫制冷技術(shù)概述1.低溫制冷技術(shù)所涉及的溫度范圍是那些？主要的工程應(yīng)用價(jià)值何在？制冷是指用人工的方法在一定時(shí)間和一定空間內(nèi)將物體冷卻，使其溫度降低到環(huán)境溫度以下，保持并利用這個(gè)溫度。按照所獲得的溫度，通常將制冷的溫度范圍劃分為以下幾個(gè)領(lǐng)域：120K以上，普冷；（1200.3）K,深冷（又稱低溫）；0.3K以下，極低溫。制冷和低溫技術(shù)的溫度范圍細(xì)分的話會(huì)有很多個(gè)小范圍，每一個(gè)范圍的工程應(yīng)用列舉如下：300-273K,用于熱泵、冷卻裝置、空調(diào)裝置。273-263K,苛性鉀結(jié)晶、冷藏運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的

2、滑冰裝置。263-240K,冷凍運(yùn)輸、食品長(zhǎng)期保鮮、燃?xì)猓ū榈龋┮夯b置。240-223K,滾筒裝置的光滑凍結(jié)、礦井工作面凍結(jié)。223-200K,低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、制取固體二氧化碳（干冰）。200-150K,乙烷、乙烯液化、低溫醫(yī)學(xué)和低溫生物學(xué)。150-100K,天然氣液化100-50K,空氣液化、分離，稀有氣體分離，合成氣分離、氫氣極其氮?dú)膺€原，液氧、夜氨、空間低溫環(huán)境模擬（熱沉）。50-15K,凝氣和氫氣的液化，宇航員出艙空間真空環(huán)境模擬（氮低溫泵）。15-4K,超導(dǎo)，氮?dú)庖夯?-10-63He的液化、4He超流性，Josephson效應(yīng)、測(cè)量技術(shù)、物理研究。3.低溫制冷技術(shù)的主要內(nèi)容包

3、括哪些方面（如：液化、分離、環(huán)境、真空等）？舉出兩個(gè)例子說明之。研究?jī)?nèi)容可以概括為以下四個(gè)方面：（1）研究獲得低于環(huán)境溫度的方法、機(jī)理以及與此對(duì)應(yīng)的循環(huán)，并對(duì)循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)的分析和計(jì)算。（2）研究循環(huán)中使用的工質(zhì)的性質(zhì)，從而為制冷機(jī)和低溫裝置提供合適的工作介質(zhì)。因工質(zhì)在循環(huán)中發(fā)生狀態(tài)變化，所以工質(zhì)的熱物理性質(zhì)是進(jìn)行循環(huán)分析和計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。止匕外，為了使這些工質(zhì)能實(shí)際應(yīng)用，還必須掌握它們的一般物理化學(xué)基礎(chǔ)。（3）研究氣體的液化和分離技術(shù)。例如液化氧、氮、氫、氮等氣體，將空氣或天然氣液化、分離，均涉及一系列的制冷和低溫技術(shù)。（4）研究所需的各種機(jī)械和設(shè)備，包括它們的工作原理、性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4、此外還有熱絕緣問題，裝置的自動(dòng)化問題，等等。上述前三個(gè)方面構(gòu)成制冷與低溫技術(shù)原理的基本研究?jī)?nèi)容，第四方面涉及具體的設(shè)備和裝置。天然氣、石油氣、焦?fàn)t氣以及合成氨馳放氣都是多組分混合氣。實(shí)現(xiàn)它們的分離往往需要在若干個(gè)分離級(jí)中分階段進(jìn)行，在每一級(jí)中組分摩爾分?jǐn)?shù)將發(fā)生顯著變化，如圖8-2所示。多組分氣體混合物當(dāng)被冷卻到某一溫度水平時(shí)，進(jìn)入一分離器，將已冷凝組分分離出去，然后再進(jìn)入下一級(jí)冷凝器，繼續(xù)降溫并分凝。一個(gè)冷凝器和一個(gè)分離器組成一個(gè)冷凝級(jí)。從工藝的角度來考慮，冷凝級(jí)數(shù)主要是根據(jù)需回收組分的要求來確定的，但同時(shí)要保證在分凝器中不會(huì)出現(xiàn)高沸點(diǎn)組分被凍結(jié)的現(xiàn)象。比如采用分凝法分離合成氨馳放氣H2-N2

5、-Ar-CH4各組分的分凝如圖1所示，當(dāng)壓力為3000Kpa左右，要求回收純度較高的甲烷，富氮儲(chǔ)份及純氫時(shí)，可分三級(jí)進(jìn)行：第一級(jí)冷凝溫度控制在150K左右，分離后得到純度較高的甲烷凝液；第二級(jí)終了溫度控制在120K左右，分離后得到富氮凝份，第三級(jí)終了溫度控制在63K左右，可獲得較高純度的氫氣。冷物流去下一嫌冷物流TT冷!I!圖1分離級(jí)示意圖制冷循環(huán)使用的現(xiàn)有工質(zhì)不能滿足環(huán)保要求，需要尋求替代工質(zhì)。在受限制的5種cFcs制冷劑中，首當(dāng)其沖的是R12。R12自1931年問世以來，除了近來發(fā)現(xiàn)它對(duì)大氣臭氧層的破壞作用外，一直是一種很理想的制冷劑。它具有不燃、無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良，與潤(rùn)滑

6、油互溶、對(duì)金屬不腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種家用冰箱、食品冷藏冷凍設(shè)備，中小型冷庫、冷藏運(yùn)輸設(shè)備及空調(diào)設(shè)備中。并且由于長(zhǎng)期的應(yīng)用和發(fā)展，已使R12系統(tǒng)中各種部件，發(fā)展到了十分完善的程度。限制R12的使用到最終停止使用，無疑將對(duì)制冷空調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)及使用產(chǎn)生巨大影響。因此積極開展R12替代工質(zhì)的研究，是當(dāng)前制冷空調(diào)行業(yè)中十分緊迫的任務(wù),0第二章低溫制冷技術(shù)發(fā)展回顧2.杜瓦技術(shù)有何作用？它的發(fā)明意義何在？杜瓦瓶是一個(gè)雙層玻璃容器，兩層玻璃膽壁都涂滿銀，然后把兩層壁間的空氣抽掉，形成真空。兩層膽壁上的銀可以防止輻射散熱，真空能防止對(duì)流和傳導(dǎo)散熱，因此盛在瓶里的液體，溫度不易發(fā)生變化。后來，伯格用鍥制造

7、外殼，保護(hù)易碎的玻璃瓶膽。杜瓦瓶的絕熱保溫性能良好，解決了低溫液體的儲(chǔ)藏問題。4.查找具有標(biāo)志性的國際、國內(nèi)發(fā)展歷史見證點(diǎn)（如機(jī)構(gòu)的成立、重大研究進(jìn)展、新技術(shù)突破）現(xiàn)代的制冷技術(shù)，是18世紀(jì)后期發(fā)展起來的。在此之前，人們很早已懂得冷的利用。我國古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降溫。馬可波羅在他的著作馬可波羅游記中，對(duì)中國制冷和造冰窖的方法有詳細(xì)的記述。1755年愛丁堡的化學(xué)教師庫侖利用乙醴蒸發(fā)使水結(jié)冰。他的學(xué)生布拉克從本質(zhì)上解釋了融化和氣化現(xiàn)象，提出了潛熱的概念，并發(fā)明了冰量熱器，標(biāo)志著現(xiàn)代制冷技術(shù)的開始。在普冷方面，1834年發(fā)明家波爾金斯造出了第一臺(tái)以乙醴為工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷機(jī)，并正式申

8、請(qǐng)了英國第6662號(hào)專利。這是后來所有蒸氣壓縮式制冷機(jī)的雛型，但使用的工質(zhì)是乙醴，容易燃燒。到1875年卡利和林德用氨作制冷劑，從此蒸氣壓縮式制冷機(jī)開始占有統(tǒng)治地位。在此期間，空氣絕熱膨脹會(huì)顯著降低空氣溫度的現(xiàn)象開始用于制冷。1844年，醫(yī)生高里用封閉循環(huán)的空氣制冷機(jī)為患者建立了一座空調(diào)站，空氣制冷機(jī)使他一舉成名。威廉西門斯在空氣制冷機(jī)中引入了回?zé)崞鳎岣吡酥评錂C(jī)的性能。1859年，卡列發(fā)明了氨水吸收式制冷系統(tǒng)，申請(qǐng)了原理專利。1910年左右，馬利斯萊蘭克發(fā)明了蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)。到20世紀(jì)，制冷技術(shù)有了更大發(fā)展。全封閉制冷壓縮機(jī)的研制成功（美國通用電器公司）；米里杰發(fā)現(xiàn)氟里昂制冷劑并用于蒸氣

9、壓縮式制冷循環(huán)以及混合制冷劑的應(yīng)用；伯寧頓發(fā)明回?zé)崾匠凉衿餮h(huán)以及熱泵的出現(xiàn)，均推動(dòng)了制冷技術(shù)的發(fā)展。在低溫方面，1877年卡里捷液化了氧氣；1895年林德液化了空氣，建立了空氣分離設(shè)備；1898年杜瓦用液態(tài)空氣預(yù)冷氫氣，然后用絕熱節(jié)流使氫氣成為液體，溫度降至20.4K;1908年卡末林昂納斯用液態(tài)空氣和液態(tài)氫預(yù)冷氮?dú)?，再用絕熱節(jié)流將氮液化，獲得4.2K的低溫。杜瓦于1892年發(fā)明的杜瓦瓶，用于貯存低溫液體，為低溫領(lǐng)域的研究提供了重要條件。1934年，卡皮查發(fā)明了先用膨脹機(jī)將氮?dú)饨禍?，再用絕熱節(jié)流使其液化的氮液化器；1947年柯林斯采用雙膨脹機(jī)于氮的預(yù)冷。大部分的氮液化器現(xiàn)已采用膨脹機(jī)，在制冷

10、技術(shù)的開發(fā)和實(shí)際使用中獲得廣泛的應(yīng)用。新的降低溫度方法的發(fā)明，擴(kuò)大了低溫的范圍，并進(jìn)入了超低溫領(lǐng)域。德拜和焦克分別在1926年和1927年提出了用順磁鹽絕熱退磁的方法獲取低溫，應(yīng)用此方法獲得的低溫現(xiàn)已達(dá)到（1X10-35X10-3）K;由庫提和西蒙等提出的核子絕熱去磁的方法可將溫度降至更低，庫提用此法于1956年獲得了20X10-3K。1951年倫敦提出并于1965年研制出的3He-4He混合液稀釋制冷法，可達(dá)到4X103K;1950年泡墨朗切克提出的方法，利用壓縮液態(tài)3He的絕熱固化，達(dá)到1X10-3K0第三章低溫制冷技術(shù)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系-交叉學(xué)科的產(chǎn)生與發(fā)展2 .以材料學(xué)科為例，說明低溫制

11、冷技術(shù)對(duì)其影響和促進(jìn)作用。在哪些方面產(chǎn)生了比較大的變化和進(jìn)步？陶瓷及陶瓷復(fù)合物（如熔融石英、穩(wěn)定氧化培、硼化鈦、氧化硅等）具有一系列優(yōu)良性質(zhì)：比鋼輕、強(qiáng)度和韌性好、耐磨、導(dǎo)熱系數(shù)小、表面光潔度高。將陶瓷用燒結(jié)法滲入溶膠體制成零件或用作零件的表面涂釉，可改善零件的性能。聚合材料（工程塑料、合成橡膠和復(fù)合材料）用于制冷產(chǎn)品中作為電絕緣材料、減振件和軟管材料；利用聚合材料的熱塑性，以新工藝通過熱定型的方法制造壓縮機(jī)中的復(fù)雜零件（轉(zhuǎn)子、閥片等）。這些新材料的應(yīng)用，帶來產(chǎn)品性能、壽命的提高和成本的降低。3 .查找與低溫制冷技術(shù)相關(guān)的交叉學(xué)科和新興學(xué)科低溫制冷技術(shù)與其他學(xué)科交叉融合，相輔相成。（1）微電子

12、和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用機(jī)電一體化”浪潮給制冷技術(shù)以巨大推動(dòng)?；A(chǔ)研究方面：計(jì)算機(jī)仿真制冷循環(huán)始于1960年。如今，普冷和低溫領(lǐng)域中的各種循環(huán)，如：焦湯節(jié)流制冷循環(huán)（JT循環(huán)）、斯特林制冷循環(huán)、維勒米爾循環(huán)（VM循環(huán)）、吉福特麥克馬洪循環(huán)（GM循環(huán)）、索爾文循環(huán)（SV循環(huán)）、逆向布雷頓循環(huán)、脈管式循環(huán)、吸收式制冷循環(huán)、熱電制冷循環(huán)；利用聲制冷、光制冷、化學(xué)方法制冷的各種循環(huán)；以及各種新型的混合型循環(huán)，如：熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小型脈管制冷機(jī)的循環(huán)均廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)于循環(huán)研究。研究制冷系統(tǒng)的熱物理過程、系統(tǒng)及部件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性以及單一工質(zhì)和混合工質(zhì)的性質(zhì)等等，也離不開微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。在

13、制冷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造上：計(jì)算機(jī)現(xiàn)已廣泛用于產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)和制造（CAD,CAM）。例如：結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)的有限元法和有限差分法以及用計(jì)算機(jī)控制精密機(jī)械加工。計(jì)算機(jī)和微處理器對(duì)制冷技術(shù)的最大影響在于高級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)。這是一項(xiàng)綜合技術(shù)，涉及到先進(jìn)的控制方法、可靠的集成塊芯片及專門的控制模塊、精良的傳感器。當(dāng)前制冷系統(tǒng)采用電腦控制已極為普遍，控制模式正在發(fā)生變化，由簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制發(fā)展到綜合控制，為提高產(chǎn)品性能作出貢獻(xiàn)。（2）機(jī)器、設(shè)備的發(fā)展為滿足各種用冷的需要，新產(chǎn)品不斷推出，商品化程度不斷提高。壓縮機(jī)以高效、可靠、低振動(dòng)、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低為追求目標(biāo)，由往復(fù)式向回轉(zhuǎn)式發(fā)展。如新型螺桿式壓縮

14、機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)、擺線式壓縮機(jī)等，都具有優(yōu)良特性和競(jìng)爭(zhēng)力。在壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置上，將變頻器用于空調(diào)、熱泵及集中式制冷系統(tǒng)的變速驅(qū)動(dòng)，帶來了節(jié)能效果。在低溫機(jī)器和設(shè)備方面，前述各種低溫循環(huán)雖早已提出，但近年來生產(chǎn)開發(fā)的產(chǎn)品在溫度，制冷量、啟動(dòng)速度、可靠性、能耗、體積等方面均有長(zhǎng)足的進(jìn)步?，F(xiàn)在，氮液化器多數(shù)為膨脹型，中型的為雙膨脹機(jī)組成的柯林斯機(jī)器，大型的采用透平膨脹機(jī)。輻射制冷、固態(tài)制冷已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。利用3He-4He混合稀釋制冷原理的低溫制冷機(jī)已經(jīng)商品化，可作為磁制冷機(jī)的預(yù)冷設(shè)備。各種氣體分離設(shè)備，熱交換器，低溫恒溫器也在高效、緊湊、可靠等方面取得很大的進(jìn)展。（3）工質(zhì)繼氟里昂和共沸混合工質(zhì)之后

15、，由于1970年石油危機(jī)，節(jié)能意識(shí)提到重要地位，在開發(fā)新工質(zhì)上引人注目地研究出一系列非共沸工質(zhì)，收到了節(jié)能的效果和滿足一些特定需要。由于臭氧耗損和溫室效應(yīng)引起了嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)問題，導(dǎo)致了80年代末開始全球禁止CFC幽質(zhì)，進(jìn)而波及到HCFCfe物質(zhì)，這既是一次歷史性的沖擊，同時(shí)又提供了新的發(fā)展機(jī)遇。近年來在替代工質(zhì)開發(fā)及其熱物理性質(zhì)研究方面取得的成就即是證明。當(dāng)工質(zhì)處于很低溫度時(shí)，其量子特性變得十分重要，必須考慮其量子效應(yīng)，此時(shí)循環(huán)的性能系數(shù)和制冷量不同于經(jīng)典表達(dá)式，而需要通過對(duì)量子熱力循環(huán)的研究得出。制冷和低溫技術(shù)是充滿勃勃生機(jī)的學(xué)科和工業(yè)領(lǐng)域。巨大的市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力和新技術(shù)的交叉滲透為它開辟了廣

16、闊的發(fā)展天地。第四章低溫制冷技術(shù)在現(xiàn)代科技中的作用3.超導(dǎo)技術(shù)與低溫制冷技術(shù)有何關(guān)系？低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)分別工作在那個(gè)溫區(qū)？?jī)煞N超導(dǎo)體目前的主要用途是什么？低溫制冷技術(shù)可以提供超導(dǎo)技術(shù)所需要的溫區(qū)。低溫超導(dǎo)一般是在Tc<30K勺溫區(qū)下，在強(qiáng)電磁場(chǎng)中，NbTi超導(dǎo)材料用作高能物理的加速器、探測(cè)器、等離子體磁約束、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超導(dǎo)電機(jī)及醫(yī)用磁共振人體成像儀等；Nb3Sn超導(dǎo)材料除用于制作大量小型高磁場(chǎng)（710T）磁體外，還用于制作受控核聚變裝置中數(shù)米口徑的磁體；用Nb及NbN薄膜制成的低溫儀器，已用于軍事及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域檢測(cè)極弱電磁信號(hào)。低溫超導(dǎo)材料由于Tc低，必須在液氮溫度下使用，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用昂貴，故

17、其應(yīng)用受到限制。具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度（T。能在液氮溫度條件下工作的超導(dǎo)材料。因主要是氧化物材料，故又稱高溫氧化物超導(dǎo)材料。高溫超導(dǎo)材料不但超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高，而且成分多是以銅為主要元素的多元金屬氧化物，氧含量不確定，具有陶瓷性質(zhì)。氧化物中的金屬元素（如銅）可能存在多種化合價(jià)，化合物中的大多數(shù)金屬元素在一定范圍內(nèi)可以全部或部分被其他金屬元素所取代，但仍不失其超導(dǎo)電性。除此之外，高溫超導(dǎo)材料具有明顯的層狀二維結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)性能具有很強(qiáng)的各向異形性。5.試舉出低溫制冷技術(shù)在航空、航天中的應(yīng)用實(shí)例，并分別說明其工作原理。（1）可以用于高雷諾數(shù)低溫風(fēng)洞。風(fēng)洞是從事飛行器研制和空氣動(dòng)力學(xué)研究最基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，然而隨

18、著飛行器日益大型化，常規(guī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)面臨一些嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，其中最重要的是常規(guī)風(fēng)洞無法在全尺寸雷諾數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。圖2是常規(guī)風(fēng)洞雷諾數(shù)模擬能力與實(shí)機(jī)飛行雷諾數(shù)差異的“雷諾數(shù)溝”示意圖。而實(shí)機(jī)飛行性能表明，飛行器在跨音速飛行時(shí)，激波與附面層相互影響與雷諾數(shù)有很大關(guān)系，如模擬不到應(yīng)有的高雷諾數(shù)，會(huì)給出錯(cuò)誤的氣動(dòng)力布局預(yù)測(cè)。美國運(yùn)輸機(jī)c-1們事件就是雷諾數(shù)模擬能力不夠而造成預(yù)測(cè)錯(cuò)誤的一個(gè)典型事例。為此美國在修改設(shè)計(jì)中付出了很大的代價(jià)，延期試飛達(dá)九個(gè)月之久。根據(jù)雷諾數(shù)定義凡二聲l/產(chǎn)，在給定馬赫數(shù)時(shí)提高腸數(shù)可通過如下方法：采用比重高的風(fēng)洞氣體介質(zhì)，增大風(fēng)洞模型尺寸和運(yùn)行壓力，降低工作溫度。至今尚無一種理想

19、的比空氣重的氣體介質(zhì)可用于風(fēng)洞試驗(yàn)，增大風(fēng)洞模型尺寸又會(huì)引起功率消耗的巨大增加(特別是在跨音速區(qū))，而一般模型所允許的動(dòng)壓值又有一定限制,而且即使同時(shí)采用加壓和增大尺寸也難以在經(jīng)濟(jì)允許范圍內(nèi)滿足全尺寸雷諾數(shù)的模擬要求；降低工作溫度，是提高雷諾數(shù)的另一種重要方法，如圖3a()所示。氣體密度隨溫度降低而升高，而粘性隨溫度降低而降低，這樣從兩個(gè)方面提高了雷諾數(shù)。根據(jù)風(fēng)洞雷諾數(shù)、動(dòng)壓和驅(qū)動(dòng)功率定義，可得到它們隨溫度的變化關(guān)系，如圖3(b)所示。從圖中可以看出，若風(fēng)洞壓力保持不變，對(duì)于解=1來說，若溫度從322K下降到78K雷諾數(shù)可以增加7倍多，風(fēng)洞動(dòng)壓保持不變，驅(qū)動(dòng)功率反而下降一半左右。120J008

20、0604020Q0.5L0馬赫拉W)C5C141現(xiàn)有風(fēng)洞圖2常規(guī)風(fēng)洞雷諾數(shù)模擬能力的“雷諾數(shù)溝”在雷諾數(shù)模擬能力相同的情況下，低溫風(fēng)洞顯著降低了風(fēng)洞尺寸及對(duì)洞體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，這樣即使考慮采用低溫方案需一些特殊結(jié)構(gòu)材料及需絕熱這兩個(gè)因素，風(fēng)洞造價(jià)也大為降低。由于顯著降低了驅(qū)動(dòng)功率，使得即使在跨音速區(qū)低溫風(fēng)洞也可采用連續(xù)式回路，充分發(fā)揮連續(xù)式回路驅(qū)動(dòng)效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)率高、總能耗低等優(yōu)點(diǎn)。分析研究表明低溫風(fēng)洞既降低了峰值功率，又降低了總能消耗。滯止溫度爾SZ若S4我W圖3氣體物性、風(fēng)洞特性與滯止溫度關(guān)系可以利用低溫制冷技術(shù)來制取火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭推進(jìn)劑。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的性能參數(shù)之一是比沖，

21、它相當(dāng)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)消耗kIg推進(jìn)劑（包括燃料和氧化劑）所發(fā)出的推力沖量。液氫/液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，最主要的是比沖特別高，其真空比沖可達(dá)3840ms/,而一般常規(guī)液體推進(jìn)劑比沖（如液氧/煤油）還不到2950m/s,至于固體推進(jìn)劑則更低，一般在21002600m/s之間。要提高比沖，主要依賴于提高推進(jìn)劑燃燒終了時(shí)溫度和降低燃?xì)馄骄肿恿俊淙剂戏肿恿孔畹?，而氫和氧燃燒熱值高，高達(dá)1.21只1s0kJ/kg左右（液氧和煤油才0.42義1s0kJ/ks左右），燃?xì)鉁囟瓤蛇_(dá)3600K左右，因而以液氫/液氧為推進(jìn)劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用于火箭的最上面級(jí)是很理想的。液氫比熱值高達(dá)2.4kJ/kg-K（沸點(diǎn)時(shí)

22、），是優(yōu)良的冷卻劑，而臨界壓強(qiáng)又低，僅為1.29M,a,在燃燒室通道里不會(huì)產(chǎn)生沸騰傳熱。液氫溫度雖低，但由于其密度也低，所以渦流泵的氣蝕問題較易解決。液氫/液氧燃燒產(chǎn)物是水，千凈無毒，對(duì)環(huán)境無污染，這可滿足日見嚴(yán)格的世界環(huán)保要求。另外，液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)排氣速度高，與采用其他推進(jìn)劑的火箭相比，在外形尺寸、有效載荷重量等其他條件相同情況下，液氫/液氧火箭飛行速度大大高于前者，這對(duì)發(fā)射未來長(zhǎng)距離飛行的恒星探測(cè)器也具有重要意義。正是由于液氫/液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的上述優(yōu)點(diǎn)，所以隨著低溫技術(shù)應(yīng)用水平的提高，各具備火箭發(fā)射能力的大國都極為重視并廣為采用。如美國“宇宙神”（SLv3c）+“人馬座D',（采

23、用兩臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)RLIOA33）的有效載荷就比“宇宙神”（SLl3A）+“阿金納B”（推進(jìn)劑為偏二甲腆/紅發(fā)煙硝酸）提高兩倍;蘇聯(lián)超大型運(yùn)載火箭“能源”號(hào)采用液氫/液氧作為推進(jìn)劑，用于發(fā)射100150噸的空間實(shí)驗(yàn)艙及“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)；歐空局的阿里安火箭，其助推級(jí)及上面級(jí)均采用液氫/液氧推進(jìn)劑；日本H2火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)LE7和LE5也采用液氫/液氧,用于發(fā)射衛(wèi)星及其他航天器.中國長(zhǎng)征3號(hào)火箭第3級(jí)采用液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)兩次起動(dòng)，工作可靠，已連續(xù)成功用于發(fā)射地球同步通訊衛(wèi)星，為提高有效載荷，對(duì)三子級(jí)氫/氧發(fā)動(dòng)機(jī)重新設(shè)計(jì)的長(zhǎng)征3A型可使有效載荷提高兩倍，達(dá)2200kg,1990年7月首次發(fā)射成

24、功的長(zhǎng)征ZE型采用第一級(jí)火箭捆綁液體助推器方案,再加上新研制的液氫/液氧第三級(jí)，是一種大型運(yùn)載火箭，其軌道轉(zhuǎn)移運(yùn)載能力超過4000ks用于發(fā)射大型航天器。但由于液氫密度小、易蒸發(fā)、溫度低、需采取高效絕熱措施，使得飛行器結(jié)構(gòu)尺寸較大，這就可能發(fā)展新一代低溫液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，即采用液氧/輕爛推進(jìn)劑，液態(tài)輕姓:（如甲烷、丙烷）密度比氫大，這可顯著減小飛行器尺寸。液氧/輕姓:推進(jìn)劑還有一些優(yōu)點(diǎn)，如推進(jìn)性能好（比沖在295卜3040m/s之間）、價(jià)廉、污染小、無腐蝕性、便于重復(fù)利用等，因此特別適用于需重復(fù)使用的火箭助推發(fā)動(dòng)機(jī)。6 .列舉出3個(gè)以上的實(shí)例，說明利用低溫制冷技術(shù)創(chuàng)建非自然環(huán)境的實(shí)際意義。制

25、冷和低溫技術(shù)是為適應(yīng)人們對(duì)低溫條件的需要而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和日常生活中，人們發(fā)現(xiàn)許多現(xiàn)象與溫度有密切關(guān)系。人體對(duì)溫度相當(dāng)敏感。炎熱條件下希望降溫以提供適宜的工作和生活環(huán)境。所有生物過程都受溫度影響，低溫抑制食品發(fā)酵、霉菌的增殖，對(duì)食品保鮮起重要作用。材料的某些重要特性與溫度有關(guān)：如機(jī)械材料具有冷脆性，塑料、橡膠也有同樣的性質(zhì)；又如金屬的導(dǎo)電性隨溫度下降而提高，有些純金屬或合金當(dāng)溫度降到某一數(shù)值時(shí)出現(xiàn)超導(dǎo)性，人為地利用這些特性，需要人工創(chuàng)造低溫環(huán)境。通過降溫產(chǎn)生物態(tài)變化，可以使混合氣體分離、氣體液化。擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)與溫度也有直接關(guān)系，許多生產(chǎn)工藝過程中溫度對(duì)產(chǎn)品性能和質(zhì)量有很大

26、影響。空間和遙感遙控技術(shù)更是與制冷技術(shù)緊密聯(lián)系，等等。第五章大型低溫系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展7 .通常大型科學(xué)裝置中都含有低溫系統(tǒng)，它的主要作用是什么？科學(xué)研究往往需要人工的低溫環(huán)境。例如：為了研究高寒條件下使用的發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車、坦克、大炮的性能，需要先在相應(yīng)的環(huán)境條件下作模擬試驗(yàn)；航天儀表、火箭、導(dǎo)彈中的控制儀，也需要在地面作模擬高空環(huán)境下的性能試驗(yàn)，低溫低壓環(huán)境實(shí)驗(yàn)裝置為這類試驗(yàn)提供了條件。氣象科學(xué)中，云霧室需要（-4530）C的溫度條件。云霧室用于人工氣候?qū)嶒?yàn)，研究雨滴、冰雹的增長(zhǎng)過程、各種催化方法及擾動(dòng)對(duì)云霧的宏觀、微觀影響，模擬云的物理現(xiàn)象，等等。8 .查找文獻(xiàn)，近幾年我國建設(shè)的帶有低溫系統(tǒng)的大

27、型科學(xué)裝置的有關(guān)資料和建設(shè)情況。9月23日，由開封空分集團(tuán)有限公司與西安交通大學(xué)合作研制的PLPK-1611/6.545-1.05型液體膨脹機(jī)在河南龍宇煤化工6萬Nm3/h空分裝置上試車成功。這是首套投入工業(yè)運(yùn)行的國產(chǎn)液體膨脹機(jī)，大大提高了我國大型空分裝置的自成套能力。試車過程中，膨脹機(jī)進(jìn)、出口液空參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，發(fā)電機(jī)在膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到14829r/min時(shí)并網(wǎng)進(jìn)入發(fā)電工況，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，可以投入長(zhǎng)期工業(yè)運(yùn)行。隨著煤化工行業(yè)的快速發(fā)展，大型內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備的需求越來越多，而帶有液體膨脹機(jī)的新空分工藝流程與高壓液空節(jié)流流程相比，具有突出的節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)，但其關(guān)鍵設(shè)備一一液體膨脹機(jī)一直以來都依賴

28、進(jìn)口，價(jià)格昂貴，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用造成較大困難。從2011年開始，開封空分集團(tuán)與西安交通大學(xué)合作著手針對(duì)配套河南龍宇煤化工6萬m3/h空分設(shè)備的液體膨脹機(jī)的研發(fā)工作，期間進(jìn)行了多次工廠及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終于9月23日開車成功。9 .查找文獻(xiàn)，目前國際上最大的氫制冷工程項(xiàng)目LHC和核聚變低溫超導(dǎo)氮制冷系統(tǒng)的有關(guān)技術(shù)資料和建設(shè)運(yùn)行情況。LHC低溫系統(tǒng)。歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)作為目前世界最高能量的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，配備了性能強(qiáng)大的低溫系統(tǒng)。在周長(zhǎng)為26.7千米的LE隧道環(huán)上分布著約1800個(gè)各種超導(dǎo)磁體，總共需要約7000千米的NbTi超導(dǎo)電纜。為了獲得8.3T的磁場(chǎng)，需要將超導(dǎo)磁體冷卻到1.9K。為此

29、建造了世界上最大的低溫系統(tǒng)，包括最大的1.8K制冷和分配系統(tǒng)，總的氮制冷量達(dá)到144kW/4.5K加上20kW/1.9K。1.9K的超導(dǎo)磁體的總質(zhì)量為47000噸。氨氣貯存量約120噸，其中以液態(tài)填充在超導(dǎo)磁體中，尚需10000噸液氮。LHC分成8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)長(zhǎng)3.3km,分別由一臺(tái)18kW4.5K的氫制冷機(jī)以及一臺(tái)2.4kW/1.8K的氮制冷單元提供冷量。圖4和圖5分別是法液空和林德為L(zhǎng)HC制造的18kW/4.5K氮制冷機(jī)流程簡(jiǎn)圖A2圖4具有8臺(tái)透平膨脹機(jī)的法液空18kW/4.5K氨制冷機(jī)流程簡(jiǎn)圖圖5具有10臺(tái)透平膨脹機(jī)的林德18kW/4.5K氨制冷機(jī)流程簡(jiǎn)圖EAST低溫系統(tǒng)：先進(jìn)實(shí)驗(yàn)超

30、導(dǎo)托卡馬克（EAST是全超導(dǎo)的可控核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，由中國科學(xué)院等離子研究所建造。EASTf氐溫系統(tǒng)主要為1套2kW4.5K的低溫系統(tǒng)，系統(tǒng)包括有1個(gè)冷箱、1個(gè)制冷機(jī)閥箱和1個(gè)分配閥箱，主要目的是提供足夠的制冷量和液氮，用于保證超導(dǎo)磁鐵處于低溫超導(dǎo)狀態(tài)，以及冷卻超導(dǎo)傳輸線、電流引線以及冷屏。EAST低溫系統(tǒng)需要提供3個(gè)不同的溫度用于冷卻不同的部件。超導(dǎo)磁體的工作溫度為3.8K,使用超臨界氮冷卻，為了保10證這個(gè)冷卻過程都處于超臨界狀態(tài)，要求出口壓力必須為3Xl05Pa以上撐和電流引線的冷端工作溫度為4.5K,杜瓦及其它設(shè)備的冷屏工作溫度為80K,使用經(jīng)膨脹機(jī)T4膨脹后的80K的冷氮?dú)饫鋮s，工作壓

31、力為5Xl05Pa左右。EAST低溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制冷量為1050W/3.5K+200W/4.5K+13g/sLHe+(13-25)kW/80K,當(dāng)量制冷量為2kW/4K,這些冷量主要由4臺(tái)氨氣透平膨脹機(jī)提供，其中3臺(tái)透平的產(chǎn)冷主要用于生產(chǎn)液氨和獲得4.5K冷量，另外一臺(tái)透平的產(chǎn)冷主要用于冷卻冷屏.圖6為EAST低溫系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，高壓氮?dú)鈴膲嚎s機(jī)出來后，在經(jīng)過EX1,到達(dá)EX2前被液氮預(yù)冷至80K,再經(jīng)過EX2后部份氣體進(jìn)入透平膨脹機(jī)T1,再經(jīng)過EX4冷卻后繼續(xù)經(jīng)過膨脹機(jī)T2膨脹至低壓，作為返流氣體冷卻EX5EX4EX3EX2和EX1。另一路氯氣再經(jīng)過EX6后，經(jīng)過膨脹機(jī)T3脹后通過，最后節(jié)流為液氮。

32、EASTf氐溫系統(tǒng)從第一輪運(yùn)行開始到2008年的第5輪實(shí)驗(yàn)，總體運(yùn)行情況良好，不過4臺(tái)俄制氫透平都陸續(xù)出現(xiàn)過故障，主要是因?yàn)橥钙絾?dòng)時(shí)，進(jìn)口溫度高，氮?dú)獗仁贾蹈撸瑳]有達(dá)到透平設(shè)計(jì)的額定值。壓縮電團(tuán)八瓊制冷機(jī)銳分配闕箱圖6EAST低溫系統(tǒng)簡(jiǎn)圖第六章低溫氣體液化與分離技術(shù)2.對(duì)低溫氣體進(jìn)行液化的目的有哪些？液氫、液氮有哪些用途？氣體液化的好處是可以使氣體的體積大大縮小，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。氣體被液化以后可以使得單位質(zhì)量工質(zhì)中儲(chǔ)存更多的冷量。液氧可以用作液體燃料推進(jìn)劑的助燃劑；冶煉中的氧化劑(煉鋼除碳)；又11由于液氧具有強(qiáng)的順磁性，可用于氧磁性分析儀。液氮可以用作制冷劑、超導(dǎo)冷卻劑。4 .查找文獻(xiàn)，說

33、明當(dāng)前國內(nèi)外大型空分設(shè)備的規(guī)模，產(chǎn)品特點(diǎn)和主要應(yīng)用場(chǎng)所表1杭?xì)渥孕性O(shè)計(jì)制造的擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)枚的特大型空分設(shè)卷業(yè)第序用戶單位戶利im'/h1P鞋氣，邕1數(shù)量配。主機(jī)部機(jī)請(qǐng)貨時(shí)間也氧時(shí)間流程將點(diǎn)，Hi力等量1寶山他1旗公司12/MXWO/1玷。3©體流程詵計(jì).甘圖塔桑統(tǒng)（含制抗泵統(tǒng)）2001IH242WZ1214外在蠅/1UMPj2北隹桐欽集Ml公司52KKI/收翱獷1中101電體液理段計(jì).空冷系統(tǒng).甘慍塔垂觸.哪玳機(jī)一匕陋一氧透iim.i>in24MM慚14撲壓結(jié)，口增Ui/HMFH3院西揩化旄團(tuán)公司1KWKI/1做*。知1也體流限設(shè)訃、空冷系標(biāo).仆小靜師化鰥.力佛塔桑軸

34、c含制區(qū)系統(tǒng)，.腳脹機(jī)2«01(M26內(nèi)北粕；ajNTa5天建綱就由同2KftKl/ZKUdft-UMI2應(yīng)體流程也ihI冷泵標(biāo).先了才吊杷帖甄班.J?愉塔奈軸.磁服樸2mOft15內(nèi)壓物3iWfl7山東陽魯祥光崩也公司3*OCM1'15000.-9201思體流程徒計(jì).空冷奈統(tǒng).步了臨葩小標(biāo)統(tǒng).外甯借靠紈t曾削泣卷好八腳玄機(jī)IDOS.0117外體斯，riitiH-ft15MFaWq修山劑法蒙司iDOCMl-35IJ00',1總體/程段計(jì)，堂掙最茹，牙子蹄蛇就星細(xì)，分號(hào)塔泰統(tǒng)t含如.氯,氨.粗等12D01據(jù)1拜內(nèi)壓靴J(JMPm7中石此洞北化肥1總體淞程設(shè)計(jì).過期器.空

35、囁機(jī).瘠住機(jī).空冷乾統(tǒng),分子褥跳化素觀，分怪塔票虢，眩技機(jī)2CMJ1J204內(nèi)體相f4SZMPj谷中石化交黑石化4加(心JUUOtt-12201總體沌哲世計(jì).過能居.卡*m.峭JK班，空冷累的，力子陰純化系線，力用矯系統(tǒng)，咪機(jī)2001J204內(nèi)切物4.52Mpiig中驚大優(yōu)52WKt611。*1皿1總體流程設(shè)ihm渡鼎，交JKBI.墻空心系鯉.分廣設(shè)坤化賓航.分帝塔系軸.X輒.敏仁仃黎曲喜岷機(jī)i(HJ4m2H內(nèi)JK端.軾5.2MTa.乳KHMJ*a10出口席目Mm-小帕餐切o*總體之計(jì)，過罐器，交樂UL增雁機(jī).空冷親統(tǒng).甘廣彩甄化系統(tǒng)，分值塔嘉解.廊覽機(jī)2O(k5©1內(nèi)樂物455MJ

36、石化行業(yè)對(duì)氧、氮產(chǎn)品的壓力要求一般在4.0MPa（G下同）到10.0MPa之間,其所需的空分設(shè)備規(guī)模也多數(shù)在30000m處等級(jí)以上，對(duì)空分設(shè)備的各種產(chǎn)品的要求繁多，往往會(huì)同時(shí)要求生產(chǎn)不同流量、多種壓力等級(jí)的氧氣和氮?dú)狻Ｒ虼藢?duì)于石行行業(yè)的用戶來說，采用內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備是較好的選擇。冶金行業(yè)一般對(duì)氧、氮產(chǎn)品的壓力要求在3.0MPa左右。由于杭氧成功應(yīng)用了自行設(shè)計(jì)制造的氧氣透平壓縮機(jī)，所以常規(guī)的外壓縮流程空分設(shè)備仍然是冶金行業(yè)用戶的主要選擇。當(dāng)然，如果冶金行業(yè)的用戶同時(shí)要銷售液體產(chǎn)品，內(nèi)壓縮流程也是可供選擇的方案。5 .明國內(nèi)外大型天然氣液化設(shè)備的技術(shù)水平和發(fā)展方向?？v觀世界LNG技術(shù)與裝備的發(fā)展

37、，經(jīng)歷了裝置規(guī)模由小到大、工藝技術(shù)不斷進(jìn)步、設(shè)備性能逐步提高、控制水平突飛猛進(jìn)、成套能力日益增強(qiáng)的過程。從1976年，由原機(jī)械工業(yè)部投資組建四川深冷設(shè)備研究所開始，我國天然氣液化工藝技術(shù)不斷發(fā)展，尤其到2008年，以中海油大型LNG技術(shù)裝備國產(chǎn)化項(xiàng)目為依托，國內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備制造優(yōu)秀企業(yè)密切合作，于2010完成了大型天然氣液化工藝及關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)包括液化工藝包、冷箱、冷劑壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器、儀控系統(tǒng)、部分低溫閥等的研發(fā)，走出了一條LNG裝備國產(chǎn)化之天然氣液化設(shè)備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)四川空分設(shè)備（集團(tuán)）有限責(zé)任公司副總經(jīng)理謝波路。從2010年至今，包括華氣安塞200萬方/天，張家口國儲(chǔ)100萬方/天

38、，山東泰安260萬方/天，內(nèi)蒙古興圣200萬方/天、湖北黃岡新捷500萬方/天等多套國產(chǎn)化12的百萬方級(jí)天然氣液化裝置已經(jīng)調(diào)試投產(chǎn)。目前，受限于當(dāng)前國際油價(jià)的波動(dòng)和國內(nèi)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響，國內(nèi)管道大然氣液化需求呈下降趨勢(shì)，但是作為海上油氣資源開發(fā)的新型應(yīng)用設(shè)備一一海上浮式液化裝置近年來受到重視并相繼進(jìn)行了大量研制工作；為節(jié)能減排，對(duì)于化工尾氣、焦?fàn)t尾氣的回收處理也是天然氣液化領(lǐng)域的一個(gè)分支；此外隨著頁巖氣開采技術(shù)的成熟，都將對(duì)我國天然氣的氣源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。新形式下，應(yīng)該積極實(shí)施我國天然氣“利用海外”發(fā)展戰(zhàn)略，走出國門，開發(fā)利用海外資源，液化世界天然氣，確保我國LNG進(jìn)口戰(zhàn)略通道建設(shè)和運(yùn)行安

39、全，為我國能源的安全和清潔作出更大貢獻(xiàn)。天然氣液化行業(yè)至今已歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，液化裝置的規(guī)模和所采用的工藝流程均發(fā)生了顯著變化。液化工藝技術(shù)日漸成熟，且工藝多樣、百家爭(zhēng)鳴，除Lique巾n流程尚未得到應(yīng)用外，C3MRAP-XTMMRMFC等混合冷劑流程及優(yōu)化級(jí)聯(lián)流程均在大型液化裝置上得到成功應(yīng)用。裝置規(guī)模不斷擴(kuò)大，單線生產(chǎn)能力不斷提高，從建設(shè)初期不足0.5Mt/a,發(fā)展到今天的單線產(chǎn)能最大7.8Mt/a。然而，裝置規(guī)模的發(fā)展并不是一味追求規(guī)模最大化，而是在朝著根據(jù)實(shí)際情況兼顧操作靈活性、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力及設(shè)備檢維修停產(chǎn)等方面問題，追求項(xiàng)目全生產(chǎn)周期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最大。目前在建和擬建的大型液化裝

40、置規(guī)模在3.06.5Mt/a較寬泛的范圍內(nèi)。止匕外，現(xiàn)今海洋天然氣資源的開發(fā)和極地地區(qū)天然氣資源的開發(fā)是天然氣資源開發(fā)利用的新動(dòng)向，隨之刺激了液化工藝技術(shù)和裝置建設(shè)的進(jìn)一步。第七章低溫液體的儲(chǔ)藏與運(yùn)輸技術(shù)3 .低溫容器的結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？低溫傳輸管道有哪些主要技術(shù)？對(duì)于低溫壓力容器首先要選用合適的材料，這些材料在使用溫度下應(yīng)具有良好的韌性。經(jīng)細(xì)化晶粒處理的低合金鋼可用到-45C,2.5%鍥鋼可用到-60C,3.5%鍥鋼可用到-104C,9%鍥鋼可用到-196C。低于-196C時(shí)可選用奧氏體不銹鋼和鋁合金等。為了避免在低溫壓力容器上產(chǎn)生過高的局部應(yīng)力，在設(shè)計(jì)容器時(shí)應(yīng)避免有過高的應(yīng)力集中和附加應(yīng)力；在

41、制造容器時(shí)應(yīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)，以防止容器中存在危險(xiǎn)的缺陷。對(duì)于因焊接而引起的過大殘余應(yīng)力，應(yīng)在焊后進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力處理。絕熱保溫貯槽分為真空粉末絕熱型和常壓粉末絕熱型，粉末絕熱，利用低熱導(dǎo)率的粉末、纖維或泡沫材料來減少熱量傳入。分兩種形式：一種是在大氣壓下應(yīng)用普通粉末絕熱（堆積絕熱），絕熱層較厚，并充入干燥氮?dú)饩S持正壓，以防止水分進(jìn)入和冷凝，最低可時(shí)適用于液氮溫度以上；另一種真空粉末絕熱，即對(duì)填裝粉末的空間抽真空，減少了氣體傳熱，同時(shí)粉末顆粒也削弱輻射傳熱，使絕熱效果更好。真空粉末貯槽為雙層圓筒結(jié)構(gòu)、內(nèi)筒及其配管均用奧氏不銹鋼制造，外殼用炭鋼制造，夾層充滿膨脹珍珠巖（又稱珠光砂）同時(shí)設(shè)置了經(jīng)過特殊

42、處理的吸附劑，并抽成高真空度（0.56Pa）,容量為200m3以下。工作壓力較高（四車間13鋼包底吹量?jī)蓚€(gè)儲(chǔ)槽工作壓力為2.0Mpa）,槽外有氣化器，既可使槽內(nèi)升壓便于充車，又可直接送出壓力氣。按用途可分為固定式和運(yùn)輸式兩種，固定式主要用于低溫液體的貯存，它安裝在低溫液體的生產(chǎn)地、使用點(diǎn)或供應(yīng)站；運(yùn)輸式將低溫液體從生產(chǎn)地或供應(yīng)站運(yùn)往使用點(diǎn)，常有陸運(yùn)、水運(yùn)等形式，他們分別稱為槽車、拖車及槽船。低溫液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，如果整個(gè)輸送過程完全維持為單相的液體狀態(tài)，那么這種流動(dòng)稱為平相流動(dòng)”。也就是說單相流動(dòng)，要求低溫液體輸送到用戶時(shí)剛好處于飽和狀態(tài)?？紤]到輸液管道的外熱影響，因此液體在進(jìn)入輸液管時(shí)應(yīng)當(dāng)是

43、處在過冷狀態(tài)，否則滿足不了這一要求。為實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的單相流動(dòng)，一般采用液體經(jīng)加壓預(yù)冷后再送入管道進(jìn)行輸送，其原理流程見圖1。先將壓力為Pr溫度為Tr的飽和液體從點(diǎn)R加壓至Ps壓力的點(diǎn)H（Th）,然后采用部分未經(jīng)加壓的液體（Pr,Tr）進(jìn)行冷卻，使溫度從Th降至Tg,此時(shí)液體已被過冷，然后送入輸液管道。在輸送過程中由于外熱及阻力降力的關(guān)系，液體的壓力從自降至Pl,溫度由Tg升高至Tl并達(dá)到飽和狀態(tài)。線段GL即為液體在輸送過程的狀態(tài)變化線，最后液體從飽和狀態(tài)點(diǎn)L等烙節(jié)流至O點(diǎn)進(jìn)入貯液槽。為減少低溫液體在輸送過程中的冷量損失，目前在工程上采用下列幾種絕熱方式：（1）包扎多孔絕熱材料；（2）粉末真空；

44、（3）高真空或高真空多層絕熱。雖然采取了這些絕熱措施，低溫輸液管仍存在著；金屬元件引起的熱傳導(dǎo)、真空夾層中殘留氣休分子運(yùn)動(dòng)引起的熱傳遞和內(nèi)外管溫差產(chǎn)的熱輻射，這三部分熱流造成的冷損失。第八章低溫制冷機(jī)與熱力循環(huán)4 .舉例說明低溫氣體循環(huán)和液化循環(huán)的原理區(qū)別、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合。低溫氣體循環(huán)最典型就是逆布雷頓制冷循環(huán)。逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)是以無環(huán)境公害的空氣為循環(huán)工質(zhì)利用空氣狀態(tài)在制冷機(jī)內(nèi)的循環(huán)變化實(shí)現(xiàn)把熱量從低溫物體不斷轉(zhuǎn)移到高溫物體的機(jī)器?；狙h(huán)包括等嫡壓縮、等壓冷卻、等嫡膨脹和等壓吸熱4個(gè)過程。實(shí)際的空氣制冷循環(huán)主要可分為開式制冷循環(huán)和閉式制冷循環(huán)，具體采用的循環(huán)可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同

45、的流程形式。主要組成部件包括：壓縮機(jī)、換熱器、膨脹機(jī)、低溫室以及連接管道等。圖7為逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)熱力過程原理圖。在極限回?zé)徇^程中，空氣的溫度經(jīng)過冷凝器和回?zé)崞骱罂梢缘竭_(dá)4,，是由于回?zé)嵝实拇嬖诳諝庵荒芙?jīng)回?zé)崞鞅焕鋮s到4,空氣經(jīng)過理想絕熱膨脹過程后可以到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)5"，但是實(shí)際過程并不能完全達(dá)到可逆，因此膨脹后只能到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)5,點(diǎn)5的計(jì)算需要考慮到膨脹機(jī)的等嫡效率?？諝鈴呐蛎洐C(jī)中出來后進(jìn)入用冷裝置，被用冷裝置加熱到狀態(tài)點(diǎn)6,6點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度就是制冷溫度，然后空氣進(jìn)入回?zé)崞髦斜患訜嶂翣顟B(tài)點(diǎn)1,14后進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮過程不是完全的可逆過程，所以空氣被壓縮至狀態(tài)點(diǎn)2而不是2,然后空氣

46、進(jìn)入冷凝器被定壓冷卻至狀態(tài)點(diǎn)3,再進(jìn)入回?zé)崞鞅欢▔豪鋮s至4,從而完成了一個(gè)完整的循環(huán)過程。圖7逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)熱力過程示意圖逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)采用空氣作為工質(zhì)，通過壓縮機(jī)等嫡壓縮，經(jīng)后冷卻器冷卻，回?zé)崞鹘禍?，在透平膨脹機(jī)內(nèi)等嫡絕熱膨脹并對(duì)外作功，獲得低溫氣流來制取冷量。由于工質(zhì)空氣的多變指數(shù)較大，在相同工況下壓比較大，傳熱溫差增加，不可逆損失增大；在相同壓比下消耗功多，使得逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)在常溫區(qū)的效率略低。隨著高速透平膨脹機(jī)特別是氣體軸承透平膨脹機(jī)和高效緊湊換熱器的發(fā)展，透平逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)的效率得到顯著提高，可獲得很低的制冷溫度和很寬制冷量范圍，具有高的可靠性。因此近

47、幾十年來，逆布雷頓空氣制冷機(jī)得到了很大的發(fā)展，主要應(yīng)用于飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)、列車空調(diào)、環(huán)境試驗(yàn)室、石油化工加工、食物保鮮及快速冷凍等領(lǐng)域。氣體的液化循環(huán)有很多種，包括節(jié)流液化循環(huán)、帶膨脹機(jī)的液化循環(huán)。而節(jié)流液化循環(huán)又可以分為一次節(jié)流液化循環(huán)和有預(yù)冷的一次節(jié)流液化循環(huán)。帶膨脹機(jī)的液化循環(huán)又可以分為克勞特循環(huán)、柯林斯循環(huán)和卡皮查循環(huán)。這里主要介紹一下克勞特循環(huán)。1902年克勞德首先將活塞式膨脹機(jī)應(yīng)用于制冷循環(huán)，開創(chuàng)了液化氣體的新方法。在這循環(huán)中由于大部分高壓氣體經(jīng)過膨脹機(jī)的絕熱膨脹，使氣體的內(nèi)能以功的形式排出而大大提高了制冷循環(huán)的效率。從流程圖8中可見，先用壓縮機(jī)將氣體壓縮成高壓氣體，經(jīng)過冷卻水，取走壓

48、縮熱，形成等溫壓縮過程，然后進(jìn)入熱交換器E1,冷卻后的氣體分成兩部分，其中mv部分進(jìn)入膨脹機(jī)中絕熱膨脹，另外（1-M）部分進(jìn)入熱交換器E2中。進(jìn)入膨脹機(jī)的氣體從高壓P3膨脹到低壓Pe,溫度由T3變成T&膨脹后的低溫氣體返回到熱交換器E2的低壓側(cè)，與E2中高壓側(cè)的高壓氣體進(jìn)行熱交換，然后通過15E1返回壓縮機(jī)的吸氣口。在E2中被冷卻的（1-M）部分高壓氣進(jìn)入熱交換器E3高壓側(cè)，與節(jié)流后的低壓氣體再進(jìn)行熱交換，進(jìn)一步降低溫度，這部分氣體離開E3后，經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流，節(jié)流后的氣體進(jìn)入容器V,然后返回E3E2、E1的低壓側(cè)，最后到壓縮機(jī)的吸入口，這樣幾次循環(huán)以后在E3的末端積蓄起冷量，使高壓氣再

49、經(jīng)過時(shí)將冷卻到臨界溫度以下，再節(jié)流時(shí)就有部分氣體被液化。圖8克勞特循環(huán)流程圖圖9克勞特循環(huán)T-s圖氣體液化循環(huán)由一系列熱力過程組成，其作用在于使氣態(tài)工質(zhì)冷卻到所需的低溫，并補(bǔ)償系統(tǒng)的冷損，以獲得液化氣體（或稱低溫液體）。這不同于以制取冷量為目的的制冷循環(huán)。在制冷循環(huán)中制冷工質(zhì)進(jìn)行的是封閉循環(huán)過程；而對(duì)液化循環(huán)來說，氣態(tài)低溫工質(zhì)在循環(huán)過程中既起制冷劑的作用，本身又被液化，部16分或全部地作為液態(tài)產(chǎn)品從低溫裝置中輸出，應(yīng)用于需要保持低溫的過程（如在低溫試驗(yàn)中作為冷卻劉）或用來進(jìn)行氣體分離過程（如液態(tài)空氣分離為氧、氮等）C液化氣體可用于低溫試驗(yàn)、低溫環(huán)境的模擬、器官移植等等。5 .脈沖管制冷機(jī)的工作

50、原理和主要特點(diǎn)。分析說明其主要優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。脈管制冷是周期性地對(duì)一端封閉的管子充氣壓縮一放氣膨脹而獲得低溫的一種方法?；久}管制冷機(jī)如圖10所示。圖10基本脈管制冷機(jī)脈管通常是內(nèi)一根低導(dǎo)熱率材料制成的薄壁管子（參看圖10）,一端與稱為層流化的冷器剁他近，并形成氣體的封閉端。層流化冷卻2B巒許多尺寸相同的通道織收，每一通道流阻大體相同，休證從冷卻器出來的氣流為層流。它也可以用個(gè)目流化正件加上一一個(gè)普通換熱器紀(jì)成。管子的另一瑞與層流化元件及熱交換器相連，熱交換器又與回?zé)崞骷斑M(jìn)、排氣閥相連。層汰化正件是一種多孔物，其作用是使氣流通過后消除紊亂度而成層梳。層流化元件厚度約smm,它hf以是由金屬屑制

51、成的燒結(jié)金屬，也可以由粉版狀非金J6物加工版。脈管的工作過程如下：打開進(jìn)氣閥，在穩(wěn)定工況下由壓縮機(jī)來的高壓氣體經(jīng)回?zé)崞鞅焕鋮s到制冷溫度T,，然后通過熱交換器及崖坑入件進(jìn)入脈管。進(jìn)入脈管的氣流是一股平行于管子鈾線的層流氣流，它一邊向右移動(dòng)，一邊使管內(nèi)原有氣體壓縮；同時(shí)自己也經(jīng)受不同程度的壓縮，溫度依次升高，形成溫度梯度。溫度分布如圖10實(shí)線所示。進(jìn)入冷卻器時(shí)，氣流具有溫度Tmo這實(shí)質(zhì)是個(gè)充氣過程。接著，是靜止期。氣體在冷卻器中被冷卻，溫度降到T.隨后打開徘氣閥進(jìn)行放氣。離開冷卻器進(jìn)入脈行的氣流同樣也是層流，在它向左運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，氣體膨脹，溫度下降。溫度分布如圖10所示。當(dāng)氣體回到熱交換器時(shí)，其溫度

52、Ta低17于進(jìn)氣時(shí)的溫度T0,在熱交換器中向外輸出冷量，然后再經(jīng)回?zé)崞?，冷卻其填料，氣體本身被加熱，溫度升高到接近室溫，從排氣閥排出。至此完成一個(gè)循環(huán)。為了減少紊亂混合和保證良好傳熱，要求進(jìn)氣和徘氣期的時(shí)間盡可能短，靜止期足夠長(zhǎng)。以上牙述為單級(jí)脈管。為了獲得更低溫度，還可做成多級(jí)。脈管的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，沒有運(yùn)動(dòng)部件。因而振動(dòng)很小，壽命長(zhǎng)，可靠性好。而且制造、維護(hù)部比較方便。它的缺點(diǎn)是每一級(jí)的溫降小。如單級(jí)脈管只能達(dá)到170K左右，為了達(dá)到80K,需用三級(jí)脈管用聯(lián)。要達(dá)到20x的低溫就需要6級(jí)。因此，對(duì)于20K以下的低溫，一般不推薦使用脈管。但是脈管制冷機(jī)比常規(guī)回?zé)崾娇諝庵评錂C(jī)（如G-M

53、機(jī)，斯特林機(jī)）突出的優(yōu)越之處在于簡(jiǎn)單，無低溫運(yùn)動(dòng)部件，特別適宜在高空應(yīng)用（對(duì)可靠性、壽命、振動(dòng)要求高），它用以作為紅外器件、低溫電子器件冷源的前景日益明朗。第九章低溫制冷技術(shù)展望1.科技進(jìn)步使得學(xué)科之間交叉融合，那么低溫制冷技術(shù)還可能形成哪些交叉和邊緣學(xué)科？低溫技術(shù)是一門發(fā)展迅速的現(xiàn)代科學(xué)。它為許多技術(shù)部門和基礎(chǔ)科學(xué)服務(wù)，形成了許多獨(dú)特的邊緣學(xué)科，正在改變一些古典學(xué)科的面貌。如超導(dǎo)技術(shù)、低溫電子學(xué)、低溫生物學(xué)、低溫醫(yī)學(xué)等都形成了新的邊緣學(xué)科，又如低溫的技術(shù)處理，低溫粉碎等形成了一個(gè)新的工藝方法。參考文獻(xiàn)1楊小燦，邱昌明.R12替代工質(zhì)的研究及實(shí)現(xiàn)步驟J.制冷學(xué)報(bào),1991,01:21-25.2

54、薄達(dá).低溫液體輸送管的技術(shù)探討J.深冷技術(shù),1993,06:6-9.3郭耀君，謝晶，朱世新，王金鋒，湯元睿.超低溫制冷裝置的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展J.食品與機(jī)械,2015,01:238-243.4葉斌，馬斌，侯予.大型氮低溫制冷系統(tǒng)研究進(jìn)展J.低溫工程,2010,04:18-23.5毛紹融，朱朔元,周智勇盧杰.大型空分設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展J.深冷技術(shù)，2009,S1:26-31.6禹林濤.法液空工程制造業(yè)務(wù)的重大成功J.氣體分離,2005,02:1.7顧福民.國外大型空分設(shè)備發(fā)展歷程回顧與展望J.冶金動(dòng)力,2003,05:31-38+41.8毛紹融，周智勇.杭氧特大型空分設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展J.深冷技術(shù)

55、,2005,03:1-6.9謝波.天然氣液化設(shè)備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)J.氣體分離，2015,03:18.10王際強(qiáng)，陳杰.大型低溫液體貯槽絕熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.深冷技術(shù),2011,02:37-41.11吳廷珊.林德公司小型空分設(shè)備簡(jiǎn)況J.深冷技術(shù)，1981,06:21-32.12孫郁,侯予,趙紅利，陳純正.逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)的性能分析J.低溫工程,2006,01:27-30+39.13白紅宇.HT-7U超導(dǎo)托卡馬克氨制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析及設(shè)計(jì)研究D.中國科學(xué)院研究生院（等離子體物理研究所）,2002.14G.Petitpas,S.M.Aceves.ModelingofsuddenhydrogenexpansionfromcryogenicpressurevesselfailureJ.InternationalJournalofHydrogenEnergy,2013,3819:.15G.Manimaran,M.Pradeepkumar,R.Venkatasamy.Influenceofcryogeniccoo