第 3章应掌握的内容 要求掌握的内容： ? 1 获得低温的三种方法，各自的工作原理及比 较。 ? 2 掌握氖、氢、氦以外的气体液化系统的液化 机理；液化系统的液化率、单位质量压缩 功、单位质量液化功、循环效率的推导和计 算。 – 在克劳特循环中，还需掌握膨胀机的作用，带膨 胀机循环的优缺点，为什么在带膨胀机的循环中 仍需要节流阀。 ? 3 氖、氢、氦气体液化系统中的预冷问题。循 环的工作原理，特别是西蒙氦液化系统的液 化过程。 第三章 气体液化系统 ? 3.1 系统的性能参数 ? 3.2 低温的产生 ? 3.3 氖、氢、氦除外的气体液化系统 ? 3.4 氖、氢、氦气体液化系统 3.2 低温的产生 ? 3.2.1 焦耳- 汤姆逊效应 ? 3.2.2 绝热膨胀 ? 3.2.3 绝热放气 ? 三种方式的比较 3.2 低温的产生 -焦耳- 汤姆逊效应 ? 1、定义 – 当压缩气体绝热通过狭窄的通 道后，压力下降并产生温度变 化 的现象称为节流。 – 用焦耳 -汤姆逊系数μ JT 来表示 等焓节流时温度随压力的变化 关系： ? 2、物理实质 – 是个等焓过程。 – 只有在虚线包围的范围内，制 冷剂经节流阀降压后，温度才 会降低，即产生节流冷效应。 – 在虚线上，节流零效应。 – 在其它区域，节流降压后，温 度升高，称为节流热效应。 hJT P T )( ? ? =μ ? 在液化流程中，气体绝热膨胀通常是由 膨 胀机 来实现的。在低温制冷机中是通过活 塞等运动部件的位移来实现的。对外做 功，焓值降低，温度降低 ? 绝热放气：容器内高压气体绝热排放过 程中，容器内的气体对排出容器的气体 做功，则容器内的气体温度下降。 3.2 低温的产生 -绝热膨胀 返回 3.2 低温的产生 -三种方式比较 方式 换 热 功焓 变 压 力 温度 变化 应用场 合 降温 效果 节流 000 降 降 /升 / 不变 气体液化流 程 气体液化流 程和小型低 温制冷机 气体液化流 程和小型低 温制冷机 差 绝热 膨胀 0>0 降降 降 好 绝热 放气 0>0 降降 降 中 返回 气体液化循环类型 氧、氮、 氩 天然气 J-T效应 3.3.1、简单的林德 -汉普逊系统 3.3.2、带预冷的林德 -汉普逊系统 3.3.3、林德双压系统 3.3.4、复迭式系统 绝热 膨胀 3.3.5、克劳特系统 3.3.6、卡皮查系统 3.3.7、海兰特系统 3.3.8、采用膨胀机的其他液化系统 3.3.9、 LNG液化系统 氖、氢、 氦 J-T效应 3.4.1、用于氖和氢的预冷林德 -汉普逊系统 绝热 膨胀 3.4.2、用于氖或氢的克劳特系统 3.4.3、氦制冷的氢液化系统 3.4.5、考林斯液化系统 绝热 放气 3.4.6、西蒙氦液化系统 3.3 氖、氢、氦除外的气体液化系统 氧、氮、 氩 天然气 J-T 效应 3.3.1、 简单的林德 -汉普逊系统 3.3.2、 带预冷的林德 -汉普逊系统 3.3.3、 林德双压系统 3.3.4、 复迭式系统 绝热 膨胀 3.3.5、 克劳特系统 3.3.6、 卡皮查系统 3.3.7、 海兰特系统 3.3.8、 采用膨胀机的其他液化系统 ?掌握各循环以下两方面的内容： –流程工作原理； –流程重要性能参数的计算。 3.1 系统的性能参数 体现流程性能的重要参数： ? 1. 单位质量气体的压缩功 ? 2. 单位质量气体液化功 ? 3. 液化率 三者之间的关系 ? 4. 循环效率 FOM：理想循环所需的最小功与实际循 环液化功比值，该值在 0到 1之间。 ? wm . / . ?wmf . / . ymmf= . / . ` ( . / . )( . / . )?=?wm wm yf ? ? ? ? ? ? ? ? ?== f f m m i i FOM w w w w ? 求得液化率：正确选取分析系统，选取 的一般原则：取除动力设 备（压缩机和 膨胀机）外的其它系统作 分析系统；据 能量平衡 ∑in=∑out，求取液化率 ? 单位质量耗功、单位质量 液化功，循环 效率 FOM等值的求取；分别取压缩 机、膨胀机为研究对象， 根据热平衡求 取耗功和循环效率值。 不考虑不可逆因素的循环计算思路 ? ①求得液化率 – 正确选取分析系统，选取的一般原则：取 除动力设备（压缩机和膨胀机）外的其它 系统作分析系统；据能量平衡 ∑ in=∑ out，求取液化率 ? ②单位质量耗功、单位质量液化功，循 环效率 FOM等值的求取 – 分别取压缩机、膨胀机为研究对象，根据 热平衡求取耗功和循环效率值。 考虑不可逆因素的循环计算思路 ? ③考虑不可逆因素时（压缩机的总效 率；膨胀机的绝热效率、机械效率；换 热器的各种损失）对 1和 2中的表达式进 行修正。 – 换热器：引入ε =（ h 1’ -h g ） /（ h 1 -h g ） ,h 1’ 中 包含了所有的换热不可逆损失，求解1 ， 2 中参数表达式中的 h 1’ 全部用该式计算得 到。 – 压缩机：引入总效率η c ，对液化率y 没有 影响，对其它参数有影响。 – 膨胀机：既影响液化率y ，又影响耗功。 ? 对于液化率 y，考虑绝热膨胀效率η s 的影响； ? 对于耗功 ， 考虑总效率 η =η η 的影响 。 考虑不可逆因素的循环计算思路 ?④求取上述表达式中的焓值 – 根据P 、 T查取h 值； – 据压缩机的等温过程及P 值查取h 值； – 据膨胀机的等熵过程及P 值查取h 值。 ? ⑤据相应公式求取 及 h, ε , η c （压缩机 的）, η s ,η m （膨胀机的） 求取性能参 数值。 考虑不可逆因素的循环计算思路 返回 ? 1 膨胀机的作用 – 可获得更大的温降； – 回收膨胀功，膨胀机输出的功可用于驱动 压缩机； – 降低节流膨胀过程的不可逆损失，改善循 环的热力性能。 3.3.5、克劳特系统 ? 2 带膨胀机液化循环的优缺点 – 优点：液化率升高；单位液化功降低；循 环效率增加； – 缺点：膨胀机比节流阀昂贵，所以设备投 资大。 3.3.5、克劳特系统 ? 3 在带膨胀机的循环中仍需节流阀 – 实际膨胀机中是不能带液膨胀的，液体比 气体有更小的可压缩性，因此，若在膨胀 机中形成液滴的话，会导致液击。所以在 带膨胀机的循环中仍需一个节流阀，实现 节流降压降温产生低温液体。 3.3.5、克劳特系统 3.4、氖、氢、氦气体液化系统 氖 氢 氦 J-T 效应 3.4.1、用于氖和氢的预冷林德 - 汉普逊系统 绝热 膨胀 3.4.2、用于氖或氢的克劳特系统 3.4.3、氦制冷的氢液化系统 3.4.4、氢液化器中正 -仲氢转换 3.4.5、考林斯液化系统 绝热 放气 3.4.6、西蒙氦液化系统 转至 3.5 ? 预冷 – 氦、氖、氢最高转化温度低于环境温度，在用 J-T 节流效应液化这些气体时，首先必须预冷。 使进 入基本林德 -汉普逊液化器的温度低于环境温度。 ? 预冷的冷源 – 三相点温度低于氖、氢最大转化温度的任何流体 都能用作冷却剂。常用LN 2 作为预冷剂。 – 对于小型实验室用液化器，氮液化的子系统由一 个贮存容器所代替。 只有林德- 汉普逊系统才必须要预冷，因为只有节 流阀才会出现降压后温升现象。 3.4.1、用于氖和氢的预冷林德 -汉普逊系统 ? 1、 He以环境温度和 10~15MPa压力充入厚壁容器中； ? 2、用LN 2 冷却He 至 77K （ T-S图上 2~3） ? 3、用LH 2 冷却He 至 10K （ T-S图上 3~5） ? 4、 He绝热放气液化 （ T-S图上 5~f） 3.4.6、西蒙氦液化系统 过程 LN 2 室 真空室 LH 2 室 LHe室 用 LN 2 冷却至 77K 2-3 LN 2 100kPaHe,传递 LN 2 和高压 He间 热量，此过程结 束后抽空 真空 不断补充维持 高压力 77K 3-4 LN 2 真空 (防止内部 冷量外漏 ) LH 2 不断补充维持 高压力 20.4K 4-5 LN 2 真空 (防止内部 冷量外漏 ) 抽真空 * 不断补充维持 高压力 10K He绝热 放气 5-f LN 2 真空 (防止内部 冷量外漏 ) 真空 绝热放气得到 LHe,T-S图中 f 为生成的 LHe 用 LH 2 冷却至 10K 3.4.6、西蒙氦液化系统- 液化过程 *降低 LH 2 的压力约 0.23kPa， LH2沸腾直至固化，温度约为 10K，限 制 LH 2 进入量，内部固态 H 2 升华，厚壁容器绝热在10K ； P降低，T也降低，通过抽真空来实现，T降低后固化，抽空使其升华 液化过程 ? 1、 He以环境温度和 10~15MPa压力充入厚壁容器中； ? 2、用 LN 2 冷却 He至 77K – LN 2 充入杜瓦内，把整个厚壁容器和内部高压 He冷却到 LN 2 温度 （ 77K）；在此过程中，真空夹层充入压力为 100kPa的 He以起到 内容器和 LN 2 槽之间传热介质的作用。 – 厚壁容器 He进口阀打开，在降温过程中进一步补充 He使其压力保 持恒定； – 该过程结束后，两容器之间抽空以使内容器绝热。 ? 3、用 LH 2 冷却 He至 10K – LH 2 充入内容器的上部空间，冷却高压 He至 LH2温度（20.4K ） – 降低LH 2 的压力约 0.23kPa， LH2沸腾直至固化，温度约为 10K，限 制 LH 2 进入量，内部固态H 2 升华，厚壁容器绝热在 10K； – 此过程中，厚壁容器 He进口阀打开，在降温过程中进一步补充 He 使其压力保持恒定； ? 4、 He绝热放气液化 – 10K的高压He 绝热放气至大气压，保留在内容器内 He对放出去的 He做功，剩下的 He温度进一步降低并液化。 3.4.6、西蒙氦液化系统 返回