低温复习资料 9页

一、范德瓦尔方程可按V的降幂排列写成：在临界状态：从液体气体状态的转态，没有比容的变化，且不需加气体潜热。两种状态无法区别。由上分析知C点既是极值点，也是拐点，则有解得：二、微分节流效应和积分节流效应根据气体节流前后比焓值相等这一特征，令αh叫做微分节流效应，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产生的温度变化。对于正效应，所αh>0，对于负效应，αh<0。压降Δp＝p2－p1为一有限数值时，节流所产生的温度变化叫做积分节流效应，可按下式计算出；理想气体的微分节流效应为零。三、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（5－4）计算得到。以下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，则有将上式代入方程（5－4）中，并令αh＝0，得上式表示转化温度与压力的关系，它在T－p图上为一连续曲线。转化温度与压力的关系曲线称作转化曲线。虚线是按式（5－7）计算的，实线是用实验方法得到的。图中的Tinv’为上转化温度，Tinv”为下转化温度。两者的差别是由于范德瓦尔方程在定量上不准确引起的。由上图以及理论分析可知，转化曲线将T－p图分成了制冷和制热两个区域，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。转化曲线外，是制热区，hα<0，节流后产生热效应，转化曲线内，是制冷区，hα>0\n，节流后产生冷效应。因此，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。等温节流效应：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，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。四、绝热节流制冷循环：简单绝热节流制冷循环称作林德(Linde)循环，系统组成如图5－5所示。图5－6为循环的T-s图。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，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压正流气体，在理想情况下，本身复热到温度T1，然后被吸入压缩机，完成整个循环。绝热节流制冷循环用于气体的液化，又称为节流液化循环。优点：可靠性高、组成简单、便于微型化，轻量化。缺点：该绝热节流制冷循环的性能系数低，经济性较差，这是因为，作为节流过程，是典型的不可逆热力过程：此外，在热交换器中，存在由换热温差引起的不可逆损失。五、等熵膨胀制冷：高压气体绝热可逆膨胀过程，称为等熵膨胀。气体等熵膨胀时，有功输出，同时气体的温度降低，产生冷效应。这是制冷的重要方法之一。常用微分等熵效应αs来表示气体等熵膨胀过程中温度随压力的变化，其定义为：。对于理想气体，膨胀过程的温差；对于实际气体，如图，由于等熵膨胀过程有外功输出，所以必须使用膨胀机。当气体在膨胀机内膨胀时，由于摩擦等熵过程的温差、漏热等原因，使膨胀过程成为不可逆，产生有效能损失，造成膨胀机出口处工质温度的上升，制冷量下降。工程上，一般用绝热效率sη来表示各种不可逆损失对膨胀机效率的影响，其定义为：即为膨胀机进出口的实际比焓降hpr与理想比焓降（即等熵焓降）hid之比。，即制冷量为等温节流效应与膨胀功之和。比较微分等熵效应和微分节流效应两者之差为：\n因为v始终为正值，故αs＞αh。因此，对于同样的出参数和膨胀压力范围，等熵膨胀的温降比节流膨胀的要大得多。对于气体的绝热膨胀，从温度效应及制冷量来看，等熵膨胀比节流膨胀有效得多。除此之外，等熵膨胀还可以回收膨胀功，因而可以进一步提高循环的经济性。在实用时尚有如下一些需要考虑的因素：1）等熵膨胀比节流膨胀要有效得多，除此之外，等熵膨胀还可以回收膨胀功，因而可以进一步提高循环的经济性。用节流阀，结构比较简单，也便于调节；2）等熵膨胀则需要膨胀机，结构复杂，且活塞式膨胀机还有带油问题；3）在膨胀机中不可能实现等熵膨胀过程，因而实际上能得到的温度效应及制冷量比理论值要小，这就使等熵膨胀过程的优点有所减小；4）节流阀可以在含液量大的气液两相区工作，但带液的两相膨胀机其带液量尚不能很大；初温越低，节流膨胀与等熵膨胀的差别越小，此时，应用节流较有利。六、气体液化的热力学理想循环是指由可逆过程组成的循环，在循环的各过程中不存在任何不可逆损失。如图3-4所示，设欲液化的气体从与环境介质相同的初始状态p1、T1（点1）转变成相同压力下的液体状态p1、T0（点0），气体液化的理想循环按下述方式进行：先将气体在压缩机中等温压缩到所需的高压p2，即从点1沿1—2线到达点2（p2、T1）所示状态；然后，在膨胀机中等熵膨胀到初压p1，并作外功，即从点2沿2—0线到达0（p1、T0）所示状态而全部液化。此后，液体在需要低温的过程中吸热气化并复热到初始状态，如图3-4中的0—3—1过程，使气体恢复原状。不过这一过程不是在液化装置中进行。循环所耗的功等于压缩功与膨胀功的差值。表明，气体液化的理论最小功仅与气体的性质及初、终状态有关。气体液化循环的性能指标：单位能（功）耗w0表示获得1kg液化气体需要消耗的功。[w——加工1kg气体循环所耗的功（kJ/kg加工气体）；y——液化系数，表示加工1kg气体所获得的液化量]。制冷系数为液化气体复热时的单位制冷量q0与所消耗单位功w之比，即每加工1kg气体得到的液化气体量为ykg，故单位制冷量可表示为（kJ/kg加工气体）故：；循环效率（或称热力完善度）FOM说明实际循环的效率同理论循环效率之比。低温技术中广泛应用循环效率来度量实际循环的不可逆性和作为评价有关损失的方法。循环效率定义为实际循环的制冷系数（）与理论的制冷系数（）之比，即：显然，FOM总是小于1。FOM值越接近于1，说明实际循环的不可逆性越小，经济性越好。循环效率可以用不同的方式表示。由于相比较的实际循环与理论循环的制冷量必须相等，因此式（3-23）可写成\n于是，循环效率可表示为理论循环所需的最小功与实际循环所消耗的功之比。此外在实际液化系统中反映部件的性能参数有如下一些：（1）压缩机和膨胀机的绝热效率；（2）压缩机和膨胀机的机械效率；（3）换热器的效率；（4）换热器和管道的压降；（5）设备与环境的换热量。七、克劳德系统：Claude系统是利用气体绝热膨胀，即使气体进入膨胀机膨胀并对外作功获得大的温降及冷量。1kg温度T1、压力p1（点1′）的空气，经压缩机K等温压缩到p2（点2），并经换热器I冷却至T3（点3）后分成两部分：一部分Vekg的空气进入膨胀机E膨胀到p1（点4），温度降低并作外功，而膨胀后气体与返流气汇合流入换热器II、I以预冷高压空气；另一部分kg的空气经换热器II、III冷至温度T5（点5）后，经节流阀节流到p1(点6)，获得kg液体，其余（）kg饱和蒸气返流经各换热器冷却高压空气。性能指标的计算：设系统的跑冷损失为；不完全热交换损失为。求得实际液化系数循环的单位制冷量衡量气体在膨胀机中实际膨胀过程偏离等熵膨胀过程的尺度，称为膨胀机的绝热效率（），它可用膨胀中膨胀气体实际焓降与等熵膨胀焓降之比来表示，即。Claude循环比Linde-Hampson循环的实际液化系数和单位制冷量大。在Claude循环中，制冷量主要由膨胀机产生，其次为等温节流效应。八、精馏塔及其物料衡算、二元精馏、双级精馏塔。连续多次的部分蒸发和部分冷凝称为精馏过程。空气的精馏过程是在精馏塔中进行。目前我国制氧机中所用精馏塔主要是筛板塔。如图4.10所示，在直立圆柱形筒内装有水平放置的筛孔板，温度较低的液体由上块塔板经溢流管流下来，温度较高的蒸气由塔板下方通过小孔向上流动，与筛孔板上液体相遇，进行热质交换，也就是进行部分蒸发和部分冷凝过程。连续经多块塔板后就能够完成精馏过程，从而得到所要求纯度的氧、氮产品。精馏原理：部分蒸发需外界供给热量，部分冷凝则要向外界放出热量；部分蒸发不断地向外释放蒸气，如欲获得大量高纯度液氧，则需要相应地补充液体；而部分冷凝则是连续地放出冷凝液，如欲获得大量高纯度气氮，则需要相应地补充气体。如果将部分冷凝和部分蒸发结合起来，则可相互补充，并同时获得高纯度的氧和氮。\n精馏实质：有三个容器I，II，III，其压力均为98.1kPa。在容器I内盛有含氧20.9%的液空，容器II和III分别盛有含氧30%及40%的富氧液空。将空气冷却到冷凝温度（82K）并通入容器III的液体中。由于空气的温度比含氧40%的液体的饱和温度（80.5K）高，所以空气穿过液体时得到冷却，就发生部分冷凝；而液体被加热，就发生部分蒸发。当气液温度达到相等时，与液体相平衡的蒸气中含氧只有14%O2。将此蒸气引到容器II，由于30%O2富氧液空的饱和温度（79.6K）比容器III中的温度低，所以从容器III引出的蒸气（80.5K）又继续冷凝，同时使容器II中的液体蒸发。当蒸气与30%O2的液体达到平衡状态时蒸气浓度又继续冷凝，同时使容器II中的液体蒸发。当蒸气与30%O2的液体达到平衡状态时蒸气浓度就变成9%O2。将此蒸气由容器II再引入容器I，再进行一次部分蒸发和部分冷凝过程，则蒸气中氮又增加，含氧仅6.3%O2。在上述过程中，在气相中氧浓度减少的同时，液体中氧则增加。这样多次进行下去，最后可获得足够数量的高纯度气氮和液氧。这就是利用精馏过程分离空气的实质。双级精馏塔：它由上塔、下塔和冷凝蒸发器组成。双级精馏塔可在上塔顶部和底部同时获得纯氮和纯氧；也可以在冷凝蒸发器的两侧分别取出液氧和液氮。上塔又分两段，从液空进料口至上塔底部称为提馏段；从液空进料口至上塔顶部称为精馏段。冷凝蒸发器是连接上下塔使二者进行热量交换的设备，对下塔是冷凝器；对上塔是蒸发器。斯特林制冷循环1．1循环的描述图1—1表示了理想的斯特林循环的示意图。其中a图是斯特林制冷机的基本结构图，由回热器R，冷却器A，冷量换热器C及两个气缸和活塞组成。图b和图c为斯特林制冷机的工作过程示意图和循环图。循环经历的过程如下：等温压缩过程1—2：压缩活塞向左移动而膨胀活塞不动。气体被等温压缩，压缩热经冷却器A传给冷却介质，温度保持恒值Ta，压力升高到P2，容积减小到V2。定容放热过程2—3：两个活塞同时向左移动，气体的容积保持不变。直至压缩活塞到达左止点。气体通过回热器R时，将热量传给填料，因而温度由Ta降低到TCO，同时压力由P2降低到P3。等温膨胀过程3—4：压缩活塞停止在左止点，而膨胀活塞继续向左移动，直至左止点，温度为TCO的气体进行等温膨胀，通过冷量换热器C从低温热源吸收一定热量QCO。容积增大到V4，而压力降低到P4。图1—1斯特林制冷循环的工作过程定容吸热过程4—1：两个活塞同时向右移动直至右止点，气体容积保持不变，回复到起始位置。温度为TCO\n的气体流经回热器R时吸热，温度升高到T1，同时压力增加到P1。理论制冷量等于膨胀功：（1—1）理论放热量等于压缩功：（1—2）由于回热过程2—3和4—1中的换热量属于内部换热，故循环所消耗的功等于压缩功与膨胀功之差：（1—3）由此可求出循环的理论制冷系数为：（1—4）理想斯特林制冷循环的制冷系数等于同温度下的逆卡诺循环的制冷系数。斯特林制冷机中的损失1回热损失回热损失是由于回热器的不完全换热引起的冷量（或热量）损失。包括换热温差、壁效应、填料温度波动等因素引起的损失。回热损失（w）可用下式计算：式中：cp—平均定压比热容；qm—通过回热器的平均质量流量；ηR—回热器效率；（详见第五章）2流阻损失气体通过回热器、换热器及各通道的流动阻力，使冷腔的压比小于室温腔。这就导致冷量减小，其减小的量即为流动阻力引起的冷量损失，简称流阻损失。流动阻力还使制冷机的功耗增加，是一项直接功耗损失。流阻损失首先表现为气流的压降。流阻压降所引起的冷量损失，是由于气流压降导致的冷腔膨胀功（量）减小，所以，流阻损失（单位w）为：式中：Δp—流阻压降。3穿梭损失在气体制冷机中，推移活塞（或活塞）与汽缸具有类似的轴向温度分布。由于推移活塞往复运动，其上各点与汽缸相对应的点之间有温差存在，这就造成了部分热量由热端传至冷端，形成冷量损失，称为穿梭损失，或运动热漏损失。1、穿梭损失的计算对于简谐运动推移活塞的穿梭损失简单理论计算方法。\n式中：λ—气体的平均导热系数；D—冷缸直径；s—推移活塞行程；δ—推移活塞与冷缸间的径向间隙；l—推移活塞长度；Fs—修正系数，对简谐运动为0.52~0.73；4泵气损失推移活塞和汽缸之间总有一定间隙，而且推移活塞一般是在室温端装有密封环；而另一端是开启的。这样，当机器中压力周期变化时，这一环状死容积（Vd=Dπlδ）中的气体质量也将周期变化。以冷缸为例（见图1—6），当系统压力处于最低压力pmin时，间隙中气体量为最少，随着系统压力的升高，将有一些气体由冷腔进入这一间隙中，在升压过程中气体要从冷缸和推移活塞吸收热量，直至达到最高压力pmax，这个进气过程才停止。反之，当系统压力下降时，径向间隙中的气体将返回冷腔，在气体从间隙内流出的过程中，气体向缸壁和推移活塞壁放热，由于换热不完善，气体到达冷腔时的温度尚高于冷腔温度Tco，因而造成冷缸的附加热负荷，这就是泵气损失。为了定量计算泵气损失ΔQp，将推移活塞和缸壁中间的间隙看作一个“换热器”，气体于两壁面的不完全换热量就是泵气损失，其计算式为：式中：Z1、Z2—分别是对应于pmax和pmin时的压缩形系数；n—转速，[n]为r/min；cP—气体的平均定压比热容；R—气体常数；Tav—平均温度；Tav=（Ta+Tco）／2。径向间隙δ越大，穿梭损失ΔQsh越小，而泵气损失ΔQp越大。在设计时应以这两类损失及死容积损失之和最小来确定δ的最佳值，并考虑工艺可行及运行安全等因素加以修正。2。5轴向导热损失制冷机中的推移活塞一般长度较短，而有较大的温度梯度，导致可观的轴向导热损失。包括通过汽缸壁、推移活塞壁，以及回热器填料的导热。计算公式为：式中：A—横截面积；l—导热长度；λ（T）—导热系数。2。6冷头热漏损失热漏损失是由于外部环境传给冷头一定热量，使有效冷量减少，所以也成为制冷机的外部损失。它取决于冷头的温度、尺寸和绝热情况。低温制冷机中一般冷量较小，而价值昂贵，为了使热漏损失减至最小，一般多采用真空绝热。在真空条件下，热导率与分子数成正比。平行平面或同心圆柱面之间的导热量为：\n；（1—30）式中：K—常数，对于氦、氢、空气分别近似为0.028、0.059、0.016；p—真空计在室温时测得的真空罩内压力；[p]为Pa；A1—低温壁面的面积，[A1]为cm2；a—温度适应系数。两个平行平面或同轴圆柱面的辐射传热率为：（1—31）式中：A1、A2—分别为冷、热表面的面积，[A]为cm2；ε1、ε2—分别为冷、热表面的黑度。2。7换热器不完全换热损失斯特林制冷机的换热器除回热器外，还有冷量换热器和冷却器。由于冷量换热器换热不完善，冷腔内气体的平均温度低于冷却对象温度。用冷却对象的温度和腔内气体平均温度计算的冷量值不同，两者之差就是不完全换热损失。（1—32）式中：Tco—冷却对象的温度；T‘co—冷腔内气体的平均温度；Qco—理论制冷量。与此类似，冷却器不完全换热是由于室温腔内气体的平均温度高于冷却介质温度引起机械功耗的增加为：（1—33）式中：Ta—冷却介质的温度；T‘a—室温腔内气体的平均温度；P—理论功耗。分置式制冷循环的制冷机的最大优点是克服整体式制冷机所产生的振动以及热量对红外元件的影响，从而使高灵敏度的红外元件、红外多元通道元件使用制冷机有了保证。由于制冷机的压缩腔与膨胀腔是分别单独不止成为一个组件，两者之间采用管道连接，因而分置式制冷机就具有与G—M制冷机冷头单独布置的优点——冷头重量轻、振动小、噪音低，但却避免了G—M制冷机所具有的需要较大的压缩机、冷却器以及高低压阀门等缺点。分置式制冷机按驱动方式分类，可分为机械驱动、气动、气动与弹簧联合驱动、弹簧与电磁联合驱动等四类吉福特—麦克马制冷原理当以室温高压气体充入一个贮有常温或低温气体的容器时，容器中压力升高，温度也同时升高。若在充气的同时对容器中的气体进行冷却，使其仍保持原来的温度，然后将该容器和低压气源接通，向低压空间进行绝热放气，容器中气体压力降低，同时温度也降低，便可制取拎量。若再充入高压气体，重复上述步骤就可保持低温并连续制取冷量。当充入气体的压力足够高，被冷却后容器中气体的温度越低时，所获得的温度也越低。\n进、排气阀的开启和关闭与推移活塞的移动位置之间按一定的相位角配合，以保证实现制冷机的热力循环。工作气体在压缩机d中压缩，然后经冷却器c冷却，清洁的高压气体进入高压贮气罐b。开始时，控制机构使推移活塞处于气缸底部，与此同时打开进气阀。高压气体进入推移活塞上方的热腔容积(1)和回热器4。回热器4及容积(1)的压力增高。当压力平衡后，推移活塞从气缸底部向上移动，把进入到热腔(1)的气体推移出去，经回热器4被冷却后进入冷腔(2)。与此同时，还有一部分来自高压贮气罐的气体，也经回热器4被冷却后进入冷腔(2)。推移活塞移动到气缸顶部，进气阀关闭，打开排气阀，使冷腔(2)内的气体经换热器5l回热器4与低压巴气思连通。这时，处在冷腔(2)中的高压气体，向低压贮气罐a放气。制得的冷量经换热器5输出。气体经回热器4加热后，进入低压贮气罐，然后由压缩机d吸入，压缩后再次进入高压贮气罐b。同时，推移活塞重新移动到气缸底部，排气阀关闭。这样周而复始，整个系统就能连续工作，连续不断的制取冷量。1、吉福特—麦克马洪制冷机工作过程(一)升压过程(二)等压进气过程(三)绝热放气过程(四)等压排气过程脉管制冷机是利用高压气体的绝热放气过程来获得冷效应，与西蒙膨胀的不同脉管制冷机沿管壁呈温度梯度，而且是同端放热吸热。