低温系统 低温系统 讲课者：汪荣顺 讲课者：汪荣顺 上海交通大学制冷与 低温工程研究所 2004年11~1月 第1章：低温系统导论 ? 1.1 引言 ? 1.2低温研究的内容 –①低温特性 –②低温的获得 –③低温液化气体的贮运（绝热与真空技术） –④低温测量及实验技术 ? 1.3本课程主要讲解内容 ? 1.4 低温技术发展史 ? 1.5 低温技术的应用 1.1 引言 据温度分类：普冷、深冷(低温)、超低温 ?普冷 –常温~123K。 主要制冷方法是相变原理，蒸气压缩式,复叠 式。 –用于冷藏、冷库、空调等。 ?低温 – 120K~0.3K – J-T节流(气→液/气)、膨胀机(气→气) ?超低温 – <0.3K –磁制冷方式，顺磁盐材料、氦3/氦4稀释制冷 本课程中，重点讲低温方面知识。 普冷和超低温不讲。 1.1 引言 低温研究的目的：获得低温液体、创造低温环 境。 ?常见的低温介质：液化天然气LNG(110K)、 液氧LO 2 (90K)、液氮LN 2 (77K)、液氢 LH 2 (20K)、液氦Lhe(4.2K) 低温研究的内容： ? 1、低温特性 ? 2、低温的获得 ? 3、低温液化气体的贮运（绝热与真空技术） ? 4、低温测量及实验技术 返回 1.2 低温研究的内容-低温特性 ?低温下材料的性能 –机械强度 –热性能 –电磁性能 低温液化装置设备（特别在低温段）及贮运设备 中材料须具备的性能 ?低温液体的性质 –液化天然气LNG、液氧LO 2 、液氮LN 2 、液氢 LH 2 、液氦Lhe 低温系统研究(液化、贮运和测量)的对象 （第2章） 返回 1.2 低温研究的内容-低温的获得 获得低温的两种方式： ?液化循环 –以生产低温液体为目的。（第3章） –氧、氩、氮(空分)及氖、氢、氦液体产品的获得。 ?小型低温制冷机 –以创造低温环境为目的。（第5章） 返回 1.2 低温研究的内容-低温液化气体的贮运 ?绝热技术 –低温液体与环境温度间存在很大的温差，若不绝 热，则很快会蒸发汽化，若需长期保存，则需要 有良好的绝热技术。 –五种绝热方法及相互比较。(第7章) ?低温容器 –贮运设备综述、设备设计要点和低温容器。(第7章) ?真空技术 –绝热技术离不开真空技术 –真空能有效地降低导热和对流换热的漏热。 –真空的获得、测量与检漏。(第8章) 返回 ?低温测量及实验技术：温度T，压力P， 流量F、液位等的测量。 ?非电量电测的方法。 温度、流量和液位的测量。（第6章） 1.2 低温研究的内容-低温测量及实验技术 返回 1.3 本课程主要讲解内容 ?第一章：低温系统导论 – 1.1 引言 – 1.2 低温技术发展史 – 1.3 低温工程的研究应用领域 ?第二章：工程材料的低温性能 – 2.4 低温液体的性质 ?第三章：气体液化系统（目的是生成低温液体） – 3.1 基本概念 – 3.2 低温的产生（J-T效应、绝热膨胀、绝热放气、） – 3.3 氖、氢、氦除外的气体液化系统（节流液化系统） – 3.4 氖、氢、氦气体液化系统(单靠节流不能液化的低温工 质)(复叠回热) – 3.5 液化系统的关键部件(热交换器、压缩机、膨胀机) ?第五章：低温制冷系统（目的是提供冷量实 现制冷的目的，重点介绍低温制冷机） – 5.1 概述 – 5.2 斯特林制冷机（5.7节） – 5.3 脉冲管制冷机（5.12节） ?第六章：低温测量系统 – 6.1 概述 – 6.2 温度测量 – 6.3 流量测量 – 6.4 液位测量 1.3 本课程主要讲解内容 ?第七章：低温贮运设备 – 7.1 低温绝热技术 – 7.2 低温容器概述 – 7.3 低温容器输液方式和输液管道 – 7.4 常用低温容器 – 7.5 低温容器设计方法 ?第八章：真空技术（主要介绍真空的获得-真 空设备、真空的测量-真空计、真空检漏） – 8.1 概述 – 8.2 真空的获得（8.6~8.10节） – 8.3 真空的测量（8.11节） – 8.4 真空检漏技术（8.12节） 1.3 本课程主要讲解内容 返回 1.4 低温技术发展史 ? 1 两个重要的里程碑 J-T效应：1853年发现了J-T节流效应；1877 年液化了氧气（90K）； 膨胀机：1902年，克鲁德Claude发明了膨胀 机，使空气液化从实验室走向工业化规模， Claude创建了法国空气液化公司来生产他的 系统。 1.4 低温技术发展史 ? 2 发展史 ? 1877，LO 2 （90K）→1883，LN 2 （77K） →1884，LH 2 雾滴（20K）（由于没有绝热措 施）→1892，Dewar杜瓦发明双层玻璃真空夹 套，玻璃杜瓦→1898，LH 2 （20K）→1908， LHe（4.2K）→1911，超导电性→1933， <1K，磁制冷→1966，0.1K，He3/He4稀释制 冷 我国在低温领域的突出贡献： ?超导：1975，23K的高温超导电机→1986， 90K的YBaCuO，赵忠贤 ?脉(冲)管制冷机：1990，脉管制冷机双向进 气，朱绍伟、吴沛宜。中科院理化所、浙江 大学 返回 1.5 低温技术的应用 ? 1 直接利用气体低温液化后储存密度大 的特点，用于储运： 如火箭上携带的LO 2 和LH 2 ； 潜艇AIP中用的LO 2 ； 燃料电池车中用的LH 2 ； LNG的运输 1.5 低温技术的应用-低温容器 低温液体储运设备-低温容器 ?液氧罐 用于AIP技术；医院；航天 ? LNG贮罐 LNG生产工厂；LNG接收站；LNG汽化站；车 用运输罐 ?液氢罐 车用燃料电池车载燃料，氢动一号，2000年奥运 会马拉松赛引导车。 低温液化气体的贮运 LNG贮罐 低温液化气体的贮运 LNG贮罐 低温液化气体的贮运 LNG贮罐 低温液化气体的贮运 LNG贮罐 低温液化气体的贮运 LNG运输车 低温液化气体的贮运 LNG运输车 低温液化气体的贮运 LNG运输船 低温液化气体的贮运 LNG运输船 低温液化气体的贮运 LNG运输船 低温液化气体的贮运 LNG运输船 低温液化气体的贮运 LH 2 储罐 PEMFC工作原理 ?阳极反应：H 2 →2H + +2e - ?阴极反应：1/2O 2 + 2H + +2e - →H 2 O ?总反应：H 2 +1/2O 2 →H 2 O+电力 1.5 低温技术的应用 ? 2 利用低温液体或低温制冷机创造的低 温环境； –高能物理研究，粒子要由液氢浸泡； –空间模拟和高真空技术 空间模拟：需要低温液体或制冷机提供冷量， 高真空技术：低温技术中的真空技术； –红外遥感技术，低温下红外遥感性能更好，现斯 特林制冷机已用到航天技术上； –生物医学应用： 保存血液和组织等 低温下手术，俄罗斯在小孩皮肤手术上用得很多。 –加工过程：冷处理使材料性能提高（如屈服强 度） –材料回收：低温粉碎回收橡胶等。 返回