1、低溫制冷技術最新進展作業姓名：李科學號：3115014002班級：碩5015院系：制冷與低溫工程系第一章低溫制冷技術概述1.低溫制冷技術所涉及的溫度范圍是那些？主要的工程應用價值何在？制冷是指用人工的方法在一定時間和一定空間內將物體冷卻，使其溫度降低到環境溫度以下，保持并利用這個溫度。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領域：120K以上，普冷；（1200.3）K,深冷（又稱低溫）；0.3K以下，極低溫。制冷和低溫技術的溫度范圍細分的話會有很多個小范圍，每一個范圍的工程應用列舉如下：300-273K,用于熱泵、冷卻裝置、空調裝置。273-263K,苛性鉀結晶、冷藏運輸、運動場的

2、滑冰裝置。263-240K,冷凍運輸、食品長期保鮮、燃氣（丙烷等）液化裝置。240-223K,滾筒裝置的光滑凍結、礦井工作面凍結。223-200K,低溫環境實驗室、制取固體二氧化碳（干冰）。200-150K,乙烷、乙烯液化、低溫醫學和低溫生物學。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、氫氣極其氮氣還原，液氧、夜氨、空間低溫環境模擬（熱沉）。50-15K,凝氣和氫氣的液化，宇航員出艙空間真空環境模擬（氮低溫泵）。15-4K,超導，氮氣液化。4-10-63He的液化、4He超流性，Josephson效應、測量技術、物理研究。3.低溫制冷技術的主要內容包

3、括哪些方面（如：液化、分離、環境、真空等）？舉出兩個例子說明之。研究內容可以概括為以下四個方面：（1）研究獲得低于環境溫度的方法、機理以及與此對應的循環，并對循環進行熱力學的分析和計算。（2）研究循環中使用的工質的性質，從而為制冷機和低溫裝置提供合適的工作介質。因工質在循環中發生狀態變化，所以工質的熱物理性質是進行循環分析和計算的基礎數據。止匕外，為了使這些工質能實際應用，還必須掌握它們的一般物理化學基礎。（3）研究氣體的液化和分離技術。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。（4）研究所需的各種機械和設備，包括它們的工作原理、性能分析、結構設計。

4、此外還有熱絕緣問題，裝置的自動化問題，等等。上述前三個方面構成制冷與低溫技術原理的基本研究內容，第四方面涉及具體的設備和裝置。天然氣、石油氣、焦爐氣以及合成氨馳放氣都是多組分混合氣。實現它們的分離往往需要在若干個分離級中分階段進行，在每一級中組分摩爾分數將發生顯著變化，如圖8-2所示。多組分氣體混合物當被冷卻到某一溫度水平時，進入一分離器，將已冷凝組分分離出去，然后再進入下一級冷凝器，繼續降溫并分凝。一個冷凝器和一個分離器組成一個冷凝級。從工藝的角度來考慮，冷凝級數主要是根據需回收組分的要求來確定的，但同時要保證在分凝器中不會出現高沸點組分被凍結的現象。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，當壓力為3000Kpa左右，要求回收純度較高的甲烷，富氮儲份及純氫時，可分三級進行：第一級冷凝溫度控制在150K左右，分離后得到純度較高的甲烷凝液；第二級終了溫度控制在120K左右，分離后得到富氮凝份，第三級終了溫度控制在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分離級示意圖制冷循環使用的現有工質不能滿足環保要求，需要尋求替代工質。在受限制的5種cFcs制冷劑中，首當其沖的是R12。R12自1931年問世以來，除了近來發現它對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、化學性能穩定、熱力學性質優良，與潤滑

6、油互溶、對金屬不腐蝕等優點，被廣泛應用于各種家用冰箱、食品冷藏冷凍設備，中小型冷庫、冷藏運輸設備及空調設備中。并且由于長期的應用和發展，已使R12系統中各種部件，發展到了十分完善的程度。限制R12的使用到最終停止使用，無疑將對制冷空調產品的生產及使用產生巨大影響。因此積極開展R12替代工質的研究，是當前制冷空調行業中十分緊迫的任務,0第二章低溫制冷技術發展回顧2.杜瓦技術有何作用？它的發明意義何在？杜瓦瓶是一個雙層玻璃容器，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，真空能防止對流和傳導散熱，因此盛在瓶里的液體，溫度不易發生變化。后來，伯格用鍥制造

7、外殼，保護易碎的玻璃瓶膽。杜瓦瓶的絕熱保溫性能良好，解決了低溫液體的儲藏問題。4.查找具有標志性的國際、國內發展歷史見證點（如機構的成立、重大研究進展、新技術突破）現代的制冷技術，是18世紀后期發展起來的。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，對中國制冷和造冰窖的方法有詳細的記述。1755年愛丁堡的化學教師庫侖利用乙醴蒸發使水結冰。他的學生布拉克從本質上解釋了融化和氣化現象，提出了潛熱的概念，并發明了冰量熱器，標志著現代制冷技術的開始。在普冷方面，1834年發明家波爾金斯造出了第一臺以乙醴為工質的蒸氣壓縮式制冷機，并正式申

8、請了英國第6662號專利。這是后來所有蒸氣壓縮式制冷機的雛型，但使用的工質是乙醴，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開始占有統治地位。在此期間，空氣絕熱膨脹會顯著降低空氣溫度的現象開始用于制冷。1844年，醫生高里用封閉循環的空氣制冷機為患者建立了一座空調站，空氣制冷機使他一舉成名。威廉西門斯在空氣制冷機中引入了回熱器，提高了制冷機的性能。1859年，卡列發明了氨水吸收式制冷系統，申請了原理專利。1910年左右，馬利斯萊蘭克發明了蒸氣噴射式制冷系統。到20世紀，制冷技術有了更大發展。全封閉制冷壓縮機的研制成功（美國通用電器公司）；米里杰發現氟里昂制冷劑并用于蒸氣

9、壓縮式制冷循環以及混合制冷劑的應用；伯寧頓發明回熱式除濕器循環以及熱泵的出現，均推動了制冷技術的發展。在低溫方面，1877年卡里捷液化了氧氣；1895年林德液化了空氣，建立了空氣分離設備；1898年杜瓦用液態空氣預冷氫氣，然后用絕熱節流使氫氣成為液體，溫度降至20.4K;1908年卡末林昂納斯用液態空氣和液態氫預冷氮氣，再用絕熱節流將氮液化，獲得4.2K的低溫。杜瓦于1892年發明的杜瓦瓶，用于貯存低溫液體，為低溫領域的研究提供了重要條件。1934年，卡皮查發明了先用膨脹機將氮氣降溫，再用絕熱節流使其液化的氮液化器；1947年柯林斯采用雙膨脹機于氮的預冷。大部分的氮液化器現已采用膨脹機，在制冷

10、技術的開發和實際使用中獲得廣泛的應用。新的降低溫度方法的發明，擴大了低溫的范圍，并進入了超低溫領域。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，應用此方法獲得的低溫現已達到（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，可達到4X103K;1950年泡墨朗切克提出的方法，利用壓縮液態3He的絕熱固化，達到1X10-3K0第三章低溫制冷技術與相關學科的關系-交叉學科的產生與發展2 .以材料學科為例，說明低溫制

11、冷技術對其影響和促進作用。在哪些方面產生了比較大的變化和進步？陶瓷及陶瓷復合物（如熔融石英、穩定氧化培、硼化鈦、氧化硅等）具有一系列優良性質：比鋼輕、強度和韌性好、耐磨、導熱系數小、表面光潔度高。將陶瓷用燒結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、合成橡膠和復合材料）用于制冷產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中的復雜零件（轉子、閥片等）。這些新材料的應用，帶來產品性能、壽命的提高和成本的降低。3 .查找與低溫制冷技術相關的交叉學科和新興學科低溫制冷技術與其他學科交叉融合，相輔相成。（1）微電子

12、和計算機技術的應用機電一體化”浪潮給制冷技術以巨大推動。基礎研究方面：計算機仿真制冷循環始于1960年。如今，普冷和低溫領域中的各種循環，如：焦湯節流制冷循環（JT循環）、斯特林制冷循環、維勒米爾循環（VM循環）、吉福特麥克馬洪循環（GM循環）、索爾文循環（SV循環）、逆向布雷頓循環、脈管式循環、吸收式制冷循環、熱電制冷循環；利用聲制冷、光制冷、化學方法制冷的各種循環；以及各種新型的混合型循環，如：熱聲斯特林發動機驅動小型脈管制冷機的循環均廣泛應用計算機仿真技術于循環研究。研究制冷系統的熱物理過程、系統及部件的穩態和瞬態特性以及單一工質和混合工質的性質等等，也離不開微電子和計算機技術的應用。在

13、制冷產品的設計制造上：計算機現已廣泛用于產品的輔助設計和制造（CAD,CAM）。例如：結構零件設計的有限元法和有限差分法以及用計算機控制精密機械加工。計算機和微處理器對制冷技術的最大影響在于高級自動控制系統的開發。這是一項綜合技術，涉及到先進的控制方法、可靠的集成塊芯片及專門的控制模塊、精良的傳感器。當前制冷系統采用電腦控制已極為普遍，控制模式正在發生變化，由簡單的機械式控制發展到綜合控制，為提高產品性能作出貢獻。（2）機器、設備的發展為滿足各種用冷的需要，新產品不斷推出，商品化程度不斷提高。壓縮機以高效、可靠、低振動、低噪聲、結構簡單、成本低為追求目標，由往復式向回轉式發展。如新型螺桿式壓縮

14、機、渦旋式壓縮機、擺線式壓縮機等，都具有優良特性和競爭力。在壓縮機的驅動裝置上，將變頻器用于空調、熱泵及集中式制冷系統的變速驅動，帶來了節能效果。在低溫機器和設備方面，前述各種低溫循環雖早已提出，但近年來生產開發的產品在溫度，制冷量、啟動速度、可靠性、能耗、體積等方面均有長足的進步。現在，氮液化器多數為膨脹型，中型的為雙膨脹機組成的柯林斯機器，大型的采用透平膨脹機。輻射制冷、固態制冷已經實際應用。利用3He-4He混合稀釋制冷原理的低溫制冷機已經商品化，可作為磁制冷機的預冷設備。各種氣體分離設備，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展。（3）工質繼氟里昂和共沸混合工質之后

15、，由于1970年石油危機，節能意識提到重要地位，在開發新工質上引人注目地研究出一系列非共沸工質，收到了節能的效果和滿足一些特定需要。由于臭氧耗損和溫室效應引起了嚴峻的環境保護問題，導致了80年代末開始全球禁止CFC幽質，進而波及到HCFCfe物質，這既是一次歷史性的沖擊，同時又提供了新的發展機遇。近年來在替代工質開發及其熱物理性質研究方面取得的成就即是證明。當工質處于很低溫度時，其量子特性變得十分重要，必須考慮其量子效應，此時循環的性能系數和制冷量不同于經典表達式，而需要通過對量子熱力循環的研究得出。制冷和低溫技術是充滿勃勃生機的學科和工業領域。巨大的市場增長潛力和新技術的交叉滲透為它開辟了廣

16、闊的發展天地。第四章低溫制冷技術在現代科技中的作用3.超導技術與低溫制冷技術有何關系？低溫超導和高溫超導分別工作在那個溫區？兩種超導體目前的主要用途是什么？低溫制冷技術可以提供超導技術所需要的溫區。低溫超導一般是在Tc<30K勺溫區下，在強電磁場中，NbTi超導材料用作高能物理的加速器、探測器、等離子體磁約束、超導儲能、超導電機及醫用磁共振人體成像儀等；Nb3Sn超導材料除用于制作大量小型高磁場（710T）磁體外，還用于制作受控核聚變裝置中數米口徑的磁體；用Nb及NbN薄膜制成的低溫儀器，已用于軍事及醫學領域檢測極弱電磁信號。低溫超導材料由于Tc低，必須在液氮溫度下使用，運轉費用昂貴，故

17、其應用受到限制。具有高臨界轉變溫度（T。能在液氮溫度條件下工作的超導材料。因主要是氧化物材料，故又稱高溫氧化物超導材料。高溫超導材料不但超導轉變溫度高，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。氧化物中的金屬元素（如銅）可能存在多種化合價，化合物中的大多數金屬元素在一定范圍內可以全部或部分被其他金屬元素所取代，但仍不失其超導電性。除此之外，高溫超導材料具有明顯的層狀二維結構，超導性能具有很強的各向異形性。5.試舉出低溫制冷技術在航空、航天中的應用實例，并分別說明其工作原理。（1）可以用于高雷諾數低溫風洞。風洞是從事飛行器研制和空氣動力學研究最基本的實驗設備，然而隨

18、著飛行器日益大型化，常規風洞實驗面臨一些嚴峻挑戰，其中最重要的是常規風洞無法在全尺寸雷諾數范圍內進行模擬實驗。圖2是常規風洞雷諾數模擬能力與實機飛行雷諾數差異的“雷諾數溝”示意圖。而實機飛行性能表明，飛行器在跨音速飛行時，激波與附面層相互影響與雷諾數有很大關系，如模擬不到應有的高雷諾數，會給出錯誤的氣動力布局預測。美國運輸機c-1們事件就是雷諾數模擬能力不夠而造成預測錯誤的一個典型事例。為此美國在修改設計中付出了很大的代價，延期試飛達九個月之久。根據雷諾數定義凡二聲l/產，在給定馬赫數時提高腸數可通過如下方法：采用比重高的風洞氣體介質，增大風洞模型尺寸和運行壓力，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可用于風洞試驗，增大風洞模型尺寸又會引起功率消耗的巨大增加(特別是在跨音速區)，而一般模型所允許的動壓值又有一定限制,而且即使同時采用加壓和增大尺寸也難以在經濟允許范圍內滿足全尺寸雷諾數的模擬要求；降低工作溫度，是提高雷諾數的另一種重要方法，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，這樣從兩個方面提高了雷諾數。根據風洞雷諾數、動壓和驅動功率定義，可得到它們隨溫度的變化關系，如圖3(b)所示。從圖中可以看出，若風洞壓力保持不變，對于解=1來說，若溫度從322K下降到78K雷諾數可以增加7倍多，風洞動壓保持不變，驅動功率反而下降一半左右。120J008

20、0604020Q0.5L0馬赫拉W)C5C141現有風洞圖2常規風洞雷諾數模擬能力的“雷諾數溝”在雷諾數模擬能力相同的情況下，低溫風洞顯著降低了風洞尺寸及對洞體結構的強度要求，這樣即使考慮采用低溫方案需一些特殊結構材料及需絕熱這兩個因素，風洞造價也大為降低。由于顯著降低了驅動功率，使得即使在跨音速區低溫風洞也可采用連續式回路，充分發揮連續式回路驅動效率高、運轉時間長、生產率高、總能耗低等優點。分析研究表明低溫風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、風洞特性與滯止溫度關系可以利用低溫制冷技術來制取火箭發動機的火箭推進劑。火箭發動機最重要的性能參數之一是比沖，

21、它相當于火箭發動機消耗kIg推進劑（包括燃料和氧化劑）所發出的推力沖量。液氫/液氧火箭發動機具有許多優點，最主要的是比沖特別高，其真空比沖可達3840ms/,而一般常規液體推進劑比沖（如液氧/煤油）還不到2950m/s,至于固體推進劑則更低，一般在21002600m/s之間。要提高比沖，主要依賴于提高推進劑燃燒終了時溫度和降低燃氣平均分子量。氫燃料分子量最低，而氫和氧燃燒熱值高，高達1.21只1s0kJ/kg左右（液氧和煤油才0.42義1s0kJ/ks左右），燃氣溫度可達3600K左右，因而以液氫/液氧為推進劑的火箭發動機用于火箭的最上面級是很理想的。液氫比熱值高達2.4kJ/kg-K（沸點時

22、），是優良的冷卻劑，而臨界壓強又低，僅為1.29M,a,在燃燒室通道里不會產生沸騰傳熱。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/液氧燃燒產物是水，千凈無毒，對環境無污染，這可滿足日見嚴格的世界環保要求。另外，液氫/液氧發動機排氣速度高，與采用其他推進劑的火箭相比，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，這對發射未來長距離飛行的恒星探測器也具有重要意義。正是由于液氫/液氧火箭發動機的上述優點，所以隨著低溫技術應用水平的提高，各具備火箭發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、用兩臺氫氧發動機RLIOA33）的有效載荷就比“宇宙神”（SLl3A）+“阿金納B”（推進劑為偏二甲腆/紅發煙硝酸）提高兩倍;蘇聯超大型運載火箭“能源”號采用液氫/液氧作為推進劑，用于發射100150噸的空間實驗艙及“暴風雪”號航天飛機；歐空局的阿里安火箭，其助推級及上面級均采用液氫/液氧推進劑；日本H2火箭主發動機LE7和LE5也采用液氫/液氧,用于發射衛星及其他航天器.中國長征3號火箭第3級采用液氫/液氧發動機，可實現兩次起動，工作可靠，已連續成功用于發射地球同步通訊衛星，為提高有效載荷，對三子級氫/氧發動機重新設計的長征3A型可使有效載荷提高兩倍，達2200kg,1990年7月首次發射成

24、功的長征ZE型采用第一級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，是一種大型運載火箭，其軌道轉移運載能力超過4000ks用于發射大型航天器。但由于液氫密度小、易蒸發、溫度低、需采取高效絕熱措施，使得飛行器結構尺寸較大，這就可能發展新一代低溫液體燃料火箭發動機，即采用液氧/輕爛推進劑，液態輕姓:（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:推進劑還有一些優點，如推進性能好（比沖在295卜3040m/s之間）、價廉、污染小、無腐蝕性、便于重復利用等，因此特別適用于需重復使用的火箭助推發動機。6 .列舉出3個以上的實例，說明利用低溫制冷技術創建非自然環境的實際意義。制

25、冷和低溫技術是為適應人們對低溫條件的需要而產生和發展起來的。在長期的生產實踐和日常生活中，人們發現許多現象與溫度有密切關系。人體對溫度相當敏感。炎熱條件下希望降溫以提供適宜的工作和生活環境。所有生物過程都受溫度影響，低溫抑制食品發酵、霉菌的增殖，對食品保鮮起重要作用。材料的某些重要特性與溫度有關：如機械材料具有冷脆性，塑料、橡膠也有同樣的性質；又如金屬的導電性隨溫度下降而提高，有些純金屬或合金當溫度降到某一數值時出現超導性，人為地利用這些特性，需要人工創造低溫環境。通過降溫產生物態變化，可以使混合氣體分離、氣體液化。擴散和化學反應與溫度也有直接關系，許多生產工藝過程中溫度對產品性能和質量有很大

26、影響。空間和遙感遙控技術更是與制冷技術緊密聯系，等等。第五章大型低溫系統的技術發展7 .通常大型科學裝置中都含有低溫系統，它的主要作用是什么？科學研究往往需要人工的低溫環境。例如：為了研究高寒條件下使用的發動機、汽車、坦克、大炮的性能，需要先在相應的環境條件下作模擬試驗；航天儀表、火箭、導彈中的控制儀，也需要在地面作模擬高空環境下的性能試驗，低溫低壓環境實驗裝置為這類試驗提供了條件。氣象科學中，云霧室需要（-4530）C的溫度條件。云霧室用于人工氣候實驗，研究雨滴、冰雹的增長過程、各種催化方法及擾動對云霧的宏觀、微觀影響，模擬云的物理現象，等等。8 .查找文獻，近幾年我國建設的帶有低溫系統的大

27、型科學裝置的有關資料和建設情況。9月23日，由開封空分集團有限公司與西安交通大學合作研制的PLPK-1611/6.545-1.05型液體膨脹機在河南龍宇煤化工6萬Nm3/h空分裝置上試車成功。這是首套投入工業運行的國產液體膨脹機，大大提高了我國大型空分裝置的自成套能力。試車過程中，膨脹機進、出口液空參數達到設計要求，發電機在膨脹機轉速達到14829r/min時并網進入發電工況，機組運行平穩，可以投入長期工業運行。隨著煤化工行業的快速發展，大型內壓縮流程空分設備的需求越來越多，而帶有液體膨脹機的新空分工藝流程與高壓液空節流流程相比，具有突出的節能降耗優勢，但其關鍵設備一一液體膨脹機一直以來都依賴

28、進口，價格昂貴，為該技術的推廣應用造成較大困難。從2011年開始，開封空分集團與西安交通大學合作著手針對配套河南龍宇煤化工6萬m3/h空分設備的液體膨脹機的研發工作，期間進行了多次工廠及現場試驗，最終于9月23日開車成功。9 .查找文獻，目前國際上最大的氫制冷工程項目LHC和核聚變低溫超導氮制冷系統的有關技術資料和建設運行情況。LHC低溫系統。歐洲核子中心的大型強子對撞機作為目前世界最高能量的強子對撞機，配備了性能強大的低溫系統。在周長為26.7千米的LE隧道環上分布著約1800個各種超導磁體，總共需要約7000千米的NbTi超導電纜。為了獲得8.3T的磁場，需要將超導磁體冷卻到1.9K。為此

29、建造了世界上最大的低溫系統，包括最大的1.8K制冷和分配系統，總的氮制冷量達到144kW/4.5K加上20kW/1.9K。1.9K的超導磁體的總質量為47000噸。氨氣貯存量約120噸，其中以液態填充在超導磁體中，尚需10000噸液氮。LHC分成8個扇區，每個扇區長3.3km,分別由一臺18kW4.5K的氫制冷機以及一臺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LHC制造的18kW/4.5K氮制冷機流程簡圖A2圖4具有8臺透平膨脹機的法液空18kW/4.5K氨制冷機流程簡圖圖5具有10臺透平膨脹機的林德18kW/4.5K氨制冷機流程簡圖EAST低溫系統：先進實驗超

30、導托卡馬克（EAST是全超導的可控核聚變實驗裝置，由中國科學院等離子研究所建造。EASTf氐溫系統主要為1套2kW4.5K的低溫系統，系統包括有1個冷箱、1個制冷機閥箱和1個分配閥箱，主要目的是提供足夠的制冷量和液氮，用于保證超導磁鐵處于低溫超導狀態，以及冷卻超導傳輸線、電流引線以及冷屏。EAST低溫系統需要提供3個不同的溫度用于冷卻不同的部件。超導磁體的工作溫度為3.8K,使用超臨界氮冷卻，為了保10證這個冷卻過程都處于超臨界狀態，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,杜瓦及其它設備的冷屏工作溫度為80K,使用經膨脹機T4膨脹后的80K的冷氮氣冷卻，工作壓

31、力為5Xl05Pa左右。EAST低溫系統的設計制冷量為1050W/3.5K+200W/4.5K+13g/sLHe+(13-25)kW/80K,當量制冷量為2kW/4K,這些冷量主要由4臺氨氣透平膨脹機提供，其中3臺透平的產冷主要用于生產液氨和獲得4.5K冷量，另外一臺透平的產冷主要用于冷卻冷屏.圖6為EAST低溫系統簡圖，高壓氮氣從壓縮機出來后，在經過EX1,到達EX2前被液氮預冷至80K,再經過EX2后部份氣體進入透平膨脹機T1,再經過EX4冷卻后繼續經過膨脹機T2膨脹至低壓，作為返流氣體冷卻EX5EX4EX3EX2和EX1。另一路氯氣再經過EX6后，經過膨脹機T3脹后通過，最后節流為液氮。

32、EASTf氐溫系統從第一輪運行開始到2008年的第5輪實驗，總體運行情況良好，不過4臺俄制氫透平都陸續出現過故障，主要是因為透平啟動時，進口溫度高，氮氣比始值高，沒有達到透平設計的額定值。壓縮電團八瓊制冷機銳分配闕箱圖6EAST低溫系統簡圖第六章低溫氣體液化與分離技術2.對低溫氣體進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，便于儲存和運輸。氣體被液化以后可以使得單位質量工質中儲存更多的冷量。液氧可以用作液體燃料推進劑的助燃劑；冶煉中的氧化劑(煉鋼除碳)；又11由于液氧具有強的順磁性，可用于氧磁性分析儀。液氮可以用作制冷劑、超導冷卻劑。4 .查找文獻，說

33、明當前國內外大型空分設備的規模，產品特點和主要應用場所表1杭氫自行設計制造的擁有獨立知識產枚的特大型空分設卷業第序用戶單位戶利im'/h1P鞋氣，邕1數量配。主機部機請貨時間也氧時間流程將點，Hi力等量1寶山他1旗公司12/MXWO/1玷。3©體流程詵計.甘圖塔桑統（含制抗泵統）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.空冷系統.甘慍塔垂觸.哪玳機一匕陋一氧透iim.i>in24MM慚14撲壓結，口增Ui/HMFH3院西揩化旄團公司1KWKI/1做*。知1也體流限設訃、空冷系標.仆小靜師化鰥.力佛塔桑軸

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

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

36、石化行業對氧、氮產品的壓力要求一般在4.0MPa（G下同）到10.0MPa之間,其所需的空分設備規模也多數在30000m處等級以上，對空分設備的各種產品的要求繁多，往往會同時要求生產不同流量、多種壓力等級的氧氣和氮氣。因此對于石行行業的用戶來說，采用內壓縮流程空分設備是較好的選擇。冶金行業一般對氧、氮產品的壓力要求在3.0MPa左右。由于杭氧成功應用了自行設計制造的氧氣透平壓縮機，所以常規的外壓縮流程空分設備仍然是冶金行業用戶的主要選擇。當然，如果冶金行業的用戶同時要銷售液體產品，內壓縮流程也是可供選擇的方案。5 .明國內外大型天然氣液化設備的技術水平和發展方向。縱觀世界LNG技術與裝備的發展

37、，經歷了裝置規模由小到大、工藝技術不斷進步、設備性能逐步提高、控制水平突飛猛進、成套能力日益增強的過程。從1976年，由原機械工業部投資組建四川深冷設備研究所開始，我國天然氣液化工藝技術不斷發展，尤其到2008年，以中海油大型LNG技術裝備國產化項目為依托，國內關鍵設備制造優秀企業密切合作，于2010完成了大型天然氣液化工藝及關鍵設備技術包括液化工藝包、冷箱、冷劑壓縮機、驅動電機、變頻器、儀控系統、部分低溫閥等的研發，走出了一條LNG裝備國產化之天然氣液化設備技術發展現狀及趨勢四川空分設備（集團）有限責任公司副總經理謝波路。從2010年至今，包括華氣安塞200萬方/天，張家口國儲100萬方/天

38、，山東泰安260萬方/天，內蒙古興圣200萬方/天、湖北黃岡新捷500萬方/天等多套國產化12的百萬方級天然氣液化裝置已經調試投產。目前，受限于當前國際油價的波動和國內經濟結構調整的影響，國內管道大然氣液化需求呈下降趨勢，但是作為海上油氣資源開發的新型應用設備一一海上浮式液化裝置近年來受到重視并相繼進行了大量研制工作；為節能減排，對于化工尾氣、焦爐尾氣的回收處理也是天然氣液化領域的一個分支；此外隨著頁巖氣開采技術的成熟，都將對我國天然氣的氣源結構產生深遠影響。新形式下，應該積極實施我國天然氣“利用海外”發展戰略，走出國門，開發利用海外資源，液化世界天然氣，確保我國LNG進口戰略通道建設和運行安

39、全，為我國能源的安全和清潔作出更大貢獻。天然氣液化行業至今已歷經半個多世紀的發展，液化裝置的規模和所采用的工藝流程均發生了顯著變化。液化工藝技術日漸成熟，且工藝多樣、百家爭鳴，除Lique巾n流程尚未得到應用外，C3MRAP-XTMMRMFC等混合冷劑流程及優化級聯流程均在大型液化裝置上得到成功應用。裝置規模不斷擴大，單線生產能力不斷提高，從建設初期不足0.5Mt/a,發展到今天的單線產能最大7.8Mt/a。然而，裝置規模的發展并不是一味追求規模最大化，而是在朝著根據實際情況兼顧操作靈活性、負荷調節能力及設備檢維修停產等方面問題，追求項目全生產周期的技術經濟效益最大。目前在建和擬建的大型液化裝

40、置規模在3.06.5Mt/a較寬泛的范圍內。止匕外，現今海洋天然氣資源的開發和極地地區天然氣資源的開發是天然氣資源開發利用的新動向，隨之刺激了液化工藝技術和裝置建設的進一步。第七章低溫液體的儲藏與運輸技術3 .低溫容器的結構有何特點？低溫傳輸管道有哪些主要技術？對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具有良好的韌性。經細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生過高的局部應力，在設計容器時應避免有過高的應力集中和附加應力；在

41、制造容器時應嚴格檢驗，以防止容器中存在危險的缺陷。對于因焊接而引起的過大殘余應力，應在焊后進行消除焊接殘余應力處理。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用普通粉末絕熱（堆積絕熱），絕熱層較厚，并充入干燥氮氣維持正壓，以防止水分進入和冷凝，最低可時適用于液氮溫度以上；另一種真空粉末絕熱，即對填裝粉末的空間抽真空，減少了氣體傳熱，同時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構、內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）同時設置了經過特殊

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鋼包底吹量兩個儲槽工作壓力為2.0Mpa）,槽外有氣化器，既可使槽內升壓便于充車，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地、使用點或供應站；運輸式將低溫液體從生產地或供應站運往使用點，常有陸運、水運等形式，他們分別稱為槽車、拖車及槽船。低溫液體在管內流動時，如果整個輸送過程完全維持為單相的液體狀態，那么這種流動稱為平相流動”。也就是說單相流動，要求低溫液體輸送到用戶時剛好處于飽和狀態。考慮到輸液管道的外熱影響，因此液體在進入輸液管時應當是

43、處在過冷狀態，否則滿足不了這一要求。為實現較長距離的單相流動，一般采用液體經加壓預冷后再送入管道進行輸送，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R加壓至Ps壓力的點H（Th）,然后采用部分未經加壓的液體（Pr,Tr）進行冷卻，使溫度從Th降至Tg,此時液體已被過冷，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系，液體的壓力從自降至Pl,溫度由Tg升高至Tl并達到飽和狀態。線段GL即為液體在輸送過程的狀態變化線，最后液體從飽和狀態點L等烙節流至O點進入貯液槽。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、真空夾層中殘留氣休分子運動引起的熱傳遞和內外管溫差產的熱輻射，這三部分熱流造成的冷損失。第八章低溫制冷機與熱力循環4 .舉例說明低溫氣體循環和液化循環的原理區別、技術特點、應用場合。低溫氣體循環最典型就是逆布雷頓制冷循環。逆布雷頓循環空氣制冷機是以無環境公害的空氣為循環工質利用空氣狀態在制冷機內的循環變化實現把熱量從低溫物體不斷轉移到高溫物體的機器。基本循環包括等嫡壓縮、等壓冷卻、等嫡膨脹和等壓吸熱4個過程。實際的空氣制冷循環主要可分為開式制冷循環和閉式制冷循環，具體采用的循環可根據實際情況選擇不同

45、的流程形式。主要組成部件包括：壓縮機、換熱器、膨脹機、低溫室以及連接管道等。圖7為逆布雷頓循環空氣制冷機熱力過程原理圖。在極限回熱過程中，空氣的溫度經過冷凝器和回熱器后可以到達4,，是由于回熱效率的存在空氣只能經回熱器被冷卻到4,空氣經過理想絕熱膨脹過程后可以到達狀態點5"，但是實際過程并不能完全達到可逆，因此膨脹后只能到達狀態點5,點5的計算需要考慮到膨脹機的等嫡效率。空氣從膨脹機中出來后進入用冷裝置，被用冷裝置加熱到狀態點6,6點所對應的溫度就是制冷溫度，然后空氣進入回熱器中被加熱至狀態點1,14后進入壓縮機，壓縮過程不是完全的可逆過程，所以空氣被壓縮至狀態點2而不是2,然后空氣

46、進入冷凝器被定壓冷卻至狀態點3,再進入回熱器被定壓冷卻至4,從而完成了一個完整的循環過程。圖7逆布雷頓循環空氣制冷機熱力過程示意圖逆布雷頓循環空氣制冷機采用空氣作為工質，通過壓縮機等嫡壓縮，經后冷卻器冷卻，回熱器降溫，在透平膨脹機內等嫡絕熱膨脹并對外作功，獲得低溫氣流來制取冷量。由于工質空氣的多變指數較大，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，使得逆布雷頓循環空氣制冷機在常溫區的效率略低。隨著高速透平膨脹機特別是氣體軸承透平膨脹機和高效緊湊換熱器的發展，透平逆布雷頓循環空氣制冷機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得到了很大的發展，主要應用于飛機空調系統、列車空調、環境試驗室、石油化工加工、食物保鮮及快速冷凍等領域。氣體的液化循環有很多種，包括節流液化循環、帶膨脹機的液化循環。而節流液化循環又可以分為一次節流液化循環和有預冷的一次節流液化循環。帶膨脹機的液化循環又可以分為克勞特循環、柯林斯循環和卡皮查循環。這里主要介紹一下克勞特循環。1902年克勞德首先將活塞式膨脹機應用于制冷循環，開創了液化氣體的新方法。在這循環中由于大部分高壓氣體經過膨脹機的絕熱膨脹，使氣體的內能以功的形式排出而大大提高了制冷循環的效率。從流程圖8中可見，先用壓縮機將氣體壓縮成高壓氣體，經過冷卻水，取走壓

48、縮熱，形成等溫壓縮過程，然后進入熱交換器E1,冷卻后的氣體分成兩部分，其中mv部分進入膨脹機中絕熱膨脹，另外（1-M）部分進入熱交換器E2中。進入膨脹機的氣體從高壓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，與E2中高壓側的高壓氣體進行熱交換，然后通過15E1返回壓縮機的吸氣口。在E2中被冷卻的（1-M）部分高壓氣進入熱交換器E3高壓側，與節流后的低壓氣體再進行熱交換，進一步降低溫度，這部分氣體離開E3后，經過節流閥節流，節流后的氣體進入容器V,然后返回E3E2、E1的低壓側，最后到壓縮機的吸入口，這樣幾次循環以后在E3的末端積蓄起冷量，使高壓氣再

49、經過時將冷卻到臨界溫度以下，再節流時就有部分氣體被液化。圖8克勞特循環流程圖圖9克勞特循環T-s圖氣體液化循環由一系列熱力過程組成，其作用在于使氣態工質冷卻到所需的低溫，并補償系統的冷損，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。在制冷循環中制冷工質進行的是封閉循環過程；而對液化循環來說，氣態低溫工質在循環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產品從低溫裝置中輸出，應用于需要保持低溫的過程（如在低溫試驗中作為冷卻劉）或用來進行氣體分離過程（如液態空氣分離為氧、氮等）C液化氣體可用于低溫試驗、低溫環境的模擬、器官移植等等。5 .脈沖管制冷機的工作

50、原理和主要特點。分析說明其主要優勢和發展前景。脈管制冷是周期性地對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。基本脈管制冷機如圖10所示。圖10基本脈管制冷機脈管通常是內一根低導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。它也可以用個目流化正件加上一一個普通換熱器紀成。管子的另一瑞與層流化元件及熱交換器相連，熱交換器又與回熱器及進、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：打開進氣閥，在穩定工況下由壓縮機來的高壓氣體經回熱器被冷卻到制冷溫度T,，然后通過熱交換器及崖坑入件進入脈管。進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，一邊使管內原有氣體壓縮；同時自己也經受不同程度的壓縮，溫度依次升高，形成溫度梯度。溫度分布如圖10實線所示。進入冷卻器時，氣流具有溫度Tmo這實質是個充氣過程。接著，是靜止期。氣體在冷卻器中被冷卻，溫度降到T.隨后打開徘氣閥進行放氣。離開冷卻器進入脈行的氣流同樣也是層流，在它向左運動的同時，氣體膨脹，溫度下降。溫度分布如圖10所示。當氣體回到熱交換器時，其溫度

52、Ta低17于進氣時的溫度T0,在熱交換器中向外輸出冷量，然后再經回熱器，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。至此完成一個循環。為了減少紊亂混合和保證良好傳熱，要求進氣和徘氣期的時間盡可能短，靜止期足夠長。以上牙述為單級脈管。為了獲得更低溫度，還可做成多級。脈管的最大優點是結構十分簡單，沒有運動部件。因而振動很小，壽命長，可靠性好。而且制造、維護部比較方便。它的缺點是每一級的溫降小。如單級脈管只能達到170K左右，為了達到80K,需用三級脈管用聯。要達到20x的低溫就需要6級。因此，對于20K以下的低溫，一般不推薦使用脈管。但是脈管制冷機比常規回熱式空氣制冷機（如G-M

53、機，斯特林機）突出的優越之處在于簡單，無低溫運動部件，特別適宜在高空應用（對可靠性、壽命、振動要求高），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展望1.科技進步使得學科之間交叉融合，那么低溫制冷技術還可能形成哪些交叉和邊緣學科？低溫技術是一門發展迅速的現代科學。它為許多技術部門和基礎科學服務，形成了許多獨特的邊緣學科，正在改變一些古典學科的面貌。如超導技術、低溫電子學、低溫生物學、低溫醫學等都形成了新的邊緣學科，又如低溫的技術處理，低溫粉碎等形成了一個新的工藝方法。參考文獻1楊小燦，邱昌明.R12替代工質的研究及實現步驟J.制冷學報,1991,01:21-25.2

54、薄達.低溫液體輸送管的技術探討J.深冷技術,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狀和進展J.食品與機械,2015,01:238-243.4葉斌，馬斌，侯予.大型氮低溫制冷系統研究進展J.低溫工程,2010,04:18-23.5毛紹融，朱朔元,周智勇盧杰.大型空分設備技術現狀及進展J.深冷技術，2009,S1:26-31.6禹林濤.法液空工程制造業務的重大成功J.氣體分離,2005,02:1.7顧福民.國外大型空分設備發展歷程回顧與展望J.冶金動力,2003,05:31-38+41.8毛紹融，周智勇.杭氧特大型空分設備的技術現狀及進展J.深冷技術

55、,2005,03:1-6.9謝波.天然氣液化設備技術發展現狀及趨勢J.氣體分離，2015,03:18.10王際強，陳杰.大型低溫液體貯槽絕熱系統設計J.深冷技術,2011,02:37-41.11吳廷珊.林德公司小型空分設備簡況J.深冷技術，1981,06:21-32.12孫郁,侯予,趙紅利，陳純正.逆布雷頓循環空氣制冷機的性能分析J.低溫工程,2006,01:27-30+39.13白紅宇.HT-7U超導托卡馬克氨制冷系統熱力學分析及設計研究D.中國科學院研究生院（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