第3 章 气体液化系统 ? 3.1 系统的性能参数 ? 3.2 低温的产生 ? 气体液化系统概述及理想循环 ? 3.3 氖、氢、氦除外的气体液化系统 – 液化天然气 (LNG)流程 ? 3.4 氖、氢、氦气体液化系统 – 液氦的应用 ? 3.5 液化系统的关键部件 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 转至 3.2 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 转至理想循环 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 ? 3、两类 – 最高转化温度高于环境温度：如氮、氧、 氩。可以单独用 J-T效应来液化。（书3.3 节） – 最高转化温度低于环境温度：如氦、氢、 氖。不能单独用 J-T效应来液化，必须另外 使用膨胀机或预冷来降低节流前的温度， 使节流前的温度低于最高转化温度。（书 3.4节） 3.2 低温的产生 -焦耳 -汤姆逊效应 返回 ? 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。 ? Q=0时， H 1 =H 2 +对外做功 W， H 2 <H 1 ， P对 H的影响 很小， T 2 <T 1 ，产生 温降 。 – 温降的表达式： – 对于绝热膨胀而言，降压后必产生温降，不存在升 温的现象。 ? 在流程中，膨胀机 输出功 用于驱动流程中的压缩 机，从而使流程的总耗功降低，达到降低运行成本 的目的。 ? 在使用绝热膨胀得到低温的场合中，也常配合使用 节流阀，特别是在低温段。膨胀机一般不能带液工 作。 ? 斯特林制冷机和维勒米尔制冷机就是用绝热膨胀的 原理实现制冷的。 3.2 低温的产生 -绝热膨胀 ])(1[ 1 1 2 121 γ γ? ?=?=Δ P P TTTT 返回 ? 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。 – 绝热排放过程表达式： – 工质气体的绝热指数γ 越大，温降越大，因此 用单原子气体可以获得 较大的温降，如He 。 3.2 低温的产生 -绝热放气 )1( 1 1 2 121 P P TTTT ? ? =?=Δ γ γ ? 对于绝热放气而言，降压后必产生 温 降 ，不存在升温的现象。其 输出功一般 不能利用。 ? 这种获得低温的方式常用于小型低温制 冷机和深低温液化流程中。 ? 脉冲管制冷机、吉福特 -麦克马洪制冷机 和沙尔凡制冷机就是用绝热膨胀的原理 实现制冷的。 3.2 低温的产生 -绝热放气 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 ? 讲解各循环以下两方面的内容： – 流程； – 流程重要性能参数的计算。 热力学理想系统 热力学理想系统忽 略了一切非理想因 素，给出了比较的 标准。 循环： 1-2等温压缩过 程，耗功，放 热； 2-f 绝热等熵膨胀 过程。 ? 热力性能的计算 取压缩机、膨胀机和蓄液器作为研究对 象： 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 热力学理想系统 液化气体的理论最小功 (初始点 P 1 =101.3/kPa， T 1 =300/K) 气体名称 沸点/k 理论最小功/KJ·Kg -1 氦－ 3 3.19 8178 氦－ 4 4.21 6819 氢 20.27 12019 氖 27.09 1335 氮 77.36 768.1 空气 78.8 738.9 氩 87.28 478.6 氧 90.18 635.6 甲烷 111.7 1091 氨 239.8 359.1 转至 3.3 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 转至 3.4 3.3.1、简单林德 -汉普逊系统 ? 1 工作过程 ? 2 循环计算思路 (也适用于其它循环 ) ? 3 循环计算 3.3.1、简单林德 -汉普逊系统 ? 1 工作过程 假设： 除节流阀外，无不可逆压降、无漏热、无热 交换损失 – 1-2等温压缩过程； – 2-3等压冷却过程（与前面制冷循环不同的是用 返流低温蒸发气冷却）； – 3-4等焓节流过程； – 在 储液器 中 4分离成气相 g和液相 f；液相为得到 的产品。 – g-1等压吸热过程，释放冷量。 3.3.1、简单林德 -汉普逊系统 ? 2 循环计算思路 – 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。 此计算思路也适用于其它液化流程的计算 此计算思路也适用于其它液化流程的计算 3.3.1、简单林德 -汉普逊系统 ? 3 循环计算 – 求y ：取除压缩机外的设备为研究对象： – 求 ，以压缩机为研究对象 – 求 – 求 FOM 3.3.1、简单林德 -汉普逊系统 ? ? ? m w ? ? ? f m w 返回 ? 1 工作过程 ? 2 循环计算 ? 3 计算实例 3.3.2、带预冷的林德 -汉普逊系统 3.3.2、带预冷的林德 -汉普逊系统 ? 1、工作过程 – 预冷循环 – 主循环：与简单的林德循环相似，只是多了一个 换热器。 ? 2 循环计算 – 求 y：取除压缩机外的设备为研究对象： – 求压缩机耗功，以压缩机为研究对象 – 求 FOM – 与简单林德循环的比较 3.3.2、带预冷的林德 -汉普逊系统 ? 3 计算实例 – 已知条件及相应的焓值 ? 预冷循环 ? 氮气液化循环 – 求解简单林德 -汉普逊系统 （仅用到N 2 液化循 环参数） – 求解带预冷林德 -汉普逊系统 3.3.2、带预冷的林德 -汉普逊系统 返回 3.3.3、林德双压系统 ? 1 工作过程 ? 2 循环计算 返回 ? 1、工作过程 氨制冷循环预冷乙烯； 乙烯循环预冷甲烷；甲 烷循环冷却并液化液 氮。 ? 2、缺点 – 复杂； – 每一级循环都必须完全 不漏 ? 3、优点 节流阀压降降减少，不 可逆损失降低； – 所需的压力低 3.3.4、复迭式系统 返回 ? 1 膨胀机的作用 ? 2 带膨胀机液化循环的优缺点 ? 3 工作过程 ? 4 在带膨胀机的循环中仍然需要一个节流阀 ? 5 循环计算 ? 6 计算实例 – 不考虑不可逆因素的循环计算 – 考虑不可逆因素的循环计算 3.3.5、克劳特系统 3.3.5、克劳特系统 ? 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 工作过程 – 气体首先被等温压缩（ 4Mpa）； – 高压气体经过第一个热交换器预冷； – 部分气体进入膨胀机膨胀产冷降温为换热 器提供冷量；另一股高压气体经过第二， 第三热交换器冷却而液化； – 经节流阀膨胀而进入气液分离器。 – 饱和蒸汽离开汽液分离器进入热交换器来 预冷高压气体。 3.3.5、克劳特系统 ? 4 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 ? 5 循环计算 – y，取压缩机、膨胀机外的设备为研究对象 – 净耗功 – 单位液化气体的耗功 – FOM ? 6 计算实例 – 不考虑不可逆因素的循环计算 – 考虑不可逆因素的循环计算 3.3.5、克劳特系统 ? ? ? f m w 考虑不可逆因素的循环计算思路 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。 3.3.5、克劳特系统 考虑不可逆因素的循环计算思路 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 e =η s η m 的影响 。 3.3.5、克劳特系统 考虑不可逆因素的循环计算思路 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。 3.3.5、克劳特系统 返回 3.3.6、卡皮查系统 ? 流程：是克劳特循环的一种，与克劳特循环相比，少 了一个换热器，循环压力低。 ? 优点：膨胀机为高效率涡轮膨胀机；单位能耗小，金 属耗量及初投资低，操作简便。 ? 应用：大、中型空气分离装置。 返回 3.3.7、海兰特系统 ? 流程 ：是克劳特循环的一种，与克劳特循环相比，少 了一个换热器，循环压力高，提高压力可降低单位质 量气体的液化功。 ? 优点：提高膨胀前温度，可增加绝热焓降和绝热效 率 返回 3.3.8、采用膨胀机的其他液化系统 ? 双压克劳特循环，目的是为了降低功耗，在该系统 中，仅通过节流阀的气体被压缩至高压，经过膨胀机 循环气体仅压缩至中压。 返回 液化天然气(LNG )流程 ? 1. 天然气 (NG)定义 ? 2. 天然气用途 ? 3. 中国 NG勘探 ? 4. 中国 NG生产商 ? 5. 西气东输 ? 6. 液化天然气 LNG定义 ? 7. 全球 LNG产量 ? 8. 天然气液化流程 返回 1．天然气定义 ? 在世界能源中的地位 ：天然气与煤炭、石油 并称目前世界一次能源的三大支柱。 ? 定义 ：是指在地表下孔隙性地层发现的天生 的烃类和非烃类混合物，它常常和原油伴生 在一起。大多数以甲烷为主，并包括比甲烷 重的烃类，如：乙烷、丙烷、异丁烷、正丁 烷等。除烃以外，原始的天然气中还可能存 在少量的水分、氮气、二氧化碳、硫化氢、 氦、氧、氩等气体。 ? 基本特性 ：天然气无色、无味、无毒且无腐 蚀性。密度约为空气的一半，为0.43kg/m 3 ， 常压下沸点为 -161.5℃。 ? 天然气是一种清洁的能源。 返回 2．天然气的利用 ? ①化工原料； ? ② 燃料：民用、车用、工业用、发电 用、燃料电池用 返回 3．中国NG 勘探 3．中国NG勘探 储量 ：至 2001年底，探明储量 30111.91亿m3 。 分布 ：21个盆地之中，主要集中分布在四川、鄂尔多斯、塔里木、柴 达木、琼东南、莺歌海、东海、渤海湾、松辽、准噶尔、吐哈盆地等 11个盆 地 之中 。 四川气区 柴达木气区 塔里木气区 鄂尔多斯气区 库车－塔北 塔西南 三湖 下古风化壳 上古岩性 川东飞仙关鲕滩 川西浅层气 含气盆地 新区带 3．中国NG 勘探 返回 4．中国天然气生产商 68% 18% 9% 5% 中国石油天然气总公司 中国海洋石油总公司 中国石油化工集团公司 其它 返回 5．西气东输 ? “西气”“东输 ” “西气 ”：主要是指我国新疆、青海、川渝和 鄂尔多斯四大气区生产的天然气； “东输 ”：主要是指将上述地区的天然气输往 长江三角洲地区，同时也包括输往西宁、兰 州、北京、天津和湖南、湖北等地区。 ? “西气东输 ”有广义和狭义两个概念 广义：目前正在建设和将要建设的3 条输气管 线，即青海涩北—甘肃兰州、重庆忠县—湖 北武汉、新疆塔里木—上海的输气管线。 狭义 ：新疆塔里木—上海输气管线。 5．西气东输 (新疆塔里木—上海) 输气管线全长： 4200公里，分东西线 西线：新疆 —陕西靖边；东线：陕西靖边—上海 穿越的省份 ：新疆、甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、安 徽、江苏、上海。三渡黄河，一跨长江 年输气能力： 120~200亿 m 3 。 靖边 西安 合肥 上海 北京轮南 鄯善 哈密 武威 柳园 库尔勒 甘塘 临汾 郑州 淮南 南京 兰州 返回 6．液化天然气 LNG ? 液化天然气 (Liquefied Natural Gas)：气田开 采出来的天然气，经过脱水、脱酸性气体和 重烃类，然后压缩、膨胀、液化而成的低温 液体。 ? 基本特点 ：当 LNG在大气压下，液化温度为 -162℃； LNG无色、无味、无毒且无腐蚀 性；其体积约为同量气态天然气体积的 1/600；LNG 的重量仅为同体积水的 45%左 右；热值为 52MMBtu/t (1MMBtu=2.52× 108cal)。 返回 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 生产国 实际生产能力( 万吨/ 年) 美国 利比亚 特立尼达-多巴哥 阿布扎比 尼日利亚 阿曼 文莱 澳大利亚 卡塔尔 马来西亚 阿尔及利亚 印度尼西亚 2000年全世界现有天然气液化装置 7．全球天然气液化产量 返回 8．天然气液化流程 ? 8.1 级联式液化流程 ? 8.2 混合制冷剂液化流程（MRC ） ? 8.3 带膨胀机的液化流程 返回 8.1 级联式液化流程 ?优点： ①能耗低； ②制冷剂为纯物质，无 配比问题； ③技术成熟，操作稳 定。 ?缺点： ①机组多，流程复杂； ②附属设备多； ③管道与控制系统复 杂，维护不便。 采用级联式 液化流程的 基本负荷型 液化装置 阿尔及利亚建 造的世界上第 一座大型基本 负荷型天然气 液化装置 (CAMEL)的 流程图 1－丙烷压缩机 2、6、 10、 13－水冷却器 3－丙烷储罐 4－丙烷 -甲烷换 热器 5－丙烷 -乙烯换热器 7－乙烯压缩机 8、 9－乙烯 -甲烷换热器 11－ 甲烷压缩机 12－原料气压缩机 14－二氧化碳吸收塔 15、 19－天然气冷 却器 16－脱水器 17－干燥器 18－过滤器 20－汽提塔 21－重烃分离器 22－乙烯冷却器 23、 24、25－甲烷 -天然气换热器 26－天然气闪蒸槽 27 －天然气换热器 28－液化天然气泵 29－天然气压缩机 8.1 级联式液化流程 -阿尔及利亚 返回 8.2 MRC液化流程 ? MRC流程 ：是以 C 1 至 C 5 的碳氢化合物及N 2 等 五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐 级的冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平 的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目 的。 ? 应用 ：在基本负荷型天然气液化装置中得到了 广泛的应用。 ? 优点 ： ①机组设备少，流程简单，投资省； ②管理方便； ③混合制冷剂组分可以部分或全 部从天然气本身提取与补充。 ? 缺点 ： ①能耗较高，比级联式液化流程高 10~20%左右； ②混合制冷剂的合理配比较为 困难。 在基本负荷型天然气液化装置中得到了广泛的应用 APCI丙烷预冷混合制冷剂液化流程 8.2 MRC液化流程 - APCI 采用闭式MRC流程的基本负荷型液化装置 1、 4－缓部罐 2、 5－压缩机 3、 6－水冷却器 7、10、 11－气 液分离器 8－LNG 储槽 9－低温换热器 12－ C 5 分离器 13－ C 4 分离器 14－ C 3 分离器 15－ C 2 分离器 16－ C 1 分离器 利比亚伊索工厂天然气液化装置流程图 8.2 MRC液化流程 - 利比亚 采用丙烷预冷混合制冷剂液化流程的基本负荷型液化装置 1－再生塔 2－吸收塔 3、18－高压丙烷换热器 4－水分离器 5、 6－干燥器 7、 17－中压丙烷换热器 8－重烃回收器 9、 16－低压丙烷换热器 10－ C 1 分 离器 11－ C 2 分离器 12－ C 3 分离器 13－ C 4 分离器 14－低温换热器 15－气液 分离器 19、 21－水冷却器 20、 22－制冷剂压缩机 文莱天然气液化装置流程图 8.2 MRC液化流程 - 文莱 基本负荷型液化装置 ：生产供当地使用或外运的大型液化装 置。 LNG工厂 8.2 MRC液化装置 上海LNG事故调峰站-全景图 上海LNG事故调峰站 ? 主要用于下列情况下的调峰 : （ 1）上游工程因不可抗拒的因素停产 （ 2）输气管线事故 （ 3）冬季调峰 ? 在以上情况下向管网提供可靠的天然气 供应，确保安全供气。 上海LNG事故调峰站-CII流程 1－分馏塔 2－冷箱 3－低压压缩机 4－高压压缩机 5,6,7,8－气液分离器 9,10,11－节流阀 12， 13－冷却器 CII液化流程 ：整体结合式级联型液化流程(Integral Incorporated Cascade) 新疆液化天然气工程 ? 气源来自吐哈油田。 ? 设计液化能力为 150万 Nm 3 /d天然气。 ? LNG设计年周转量 45.6万 t。 ? LNG储罐容量为 3万 m 3 。 ? 运输：生产液化天然气的以 70%通过铁 路运输、 30%通过公路运输的方式运往 目的地。 ? 市场目标：①闽东南地区，即从福州至 厦门沿铁路的 14个城市；②以江西景德 镇为中心辐射湖南、湖北等华东地区； ③华北及新疆天山北坡经济带一些地 区 新疆液化天然气工程-流程示意图 五 返回 ? 带膨胀机液化流程 ：指利用高压制冷剂通过透 平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气 液化的流程。流程的关键设备是透平膨胀机。 ? 种类 ：①天然气膨胀液化流程；②氮气膨胀液化 流程；③氮 -甲烷膨胀液化流程。 ? 应用 ：调峰型天然气液化装置。 ? 优点 ：①流程简单，调节灵活，工作可靠，易起 动，易操作，维护方便；②用天然气本身为工质 时，省去专门生产、运输、贮存冷冻剂的费用。 ? 缺点 ：①送入装置的气流须全部深度干燥；②回 流压力低，换热面积大，设备金属投入量大；③ 受低压用户多少的限制；④液化率低，如再循 环，则在增加循环压缩机后，功耗大大增加。 8.3 带膨胀机的液化流程 1－预处理装置 2、 4、 5－换热器 3－重烃分离器 6－透平膨胀机 7－制动压缩机 8、 9－水冷却器 10－循环压缩机 11－储槽 12－预热器 13－压缩机 氮 -甲烷膨胀液化流程 比氮膨胀液化流程能耗低 10~20%。 8.3 带膨胀机的液化流程 中原LNG工厂-全景图 2001年，试运行成功，生产的 LNG通过槽车运输的方式 供应给山东、江苏等省的一些城市。 该液化装置生产 LNG的能力为 15.0× 10 4 Nm 3 /d 中原LNG工厂-流程示意图 1－分液罐 2－过滤器 3－脱CO2塔 4－干燥器 5－中 压丙烷换热器 6－低压丙烷换热器 7、 11、 14－节流阀 8－高压天然气分离器 9－乙烯换热器 10－中压LNG 换 热器 12－中压天然气分离器 13－低压LNG 换热器 15－低压天然气分离器 16－LNG 储槽 返回 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 工作过程 ? 2 循环计算 ? 3 计算实例 3.4.1、用于氖和氢的预冷林德 -汉普逊系统 返回 3.4.2、用于氖或氢的克劳特系统 ? 用于生产液氢的 液氮预冷克劳特 系统比液氮预冷 的林德－汉普逊 系统循环效率提 高50% ～75% 。 ? 与3.3.5 节的克劳 特循环很相似， 只是增加了预冷 环节。 返回 3.4.3、氦制冷的氢液化系统 ? 利用一套氦气制冷 系统来冷凝氢或 氖，在最后一个换 热器由低温氦气提 供冷量。 ? 氦气制冷循环采用 克劳特循环，且循 环中不带节流阀， 在整个循环中，氦 气一直处于气态， 不液化，但在为氢 或氖提供冷量的换 热器其温度低于液 氢和液氖的温度。 返回 3.4.4、氢液化器中的正 -仲氢转换 ?方案 1：H 2 通过LN 2 槽内的催化 剂→换热器→节流阀→储罐内 催化剂，放热蒸发的氢气通过 换热器进行冷量回收。 ?方案 2：H 2 通过LN 2 槽内的催化 剂→换热器→分成两部分，一 部分节流后流入槽内催化床； 另一部分节流后直接流入槽 内，为催化床提供冷量。 这种 方案比方案 1液化率高 20%。 ?催化剂：氢氧化铁、铝粒子上 氧化铬、活性炭、硅胶、镍基 催化剂。其中氢氧化铁最有 效。不纯物质会使催化剂中毒 或严重降低其效率。如CH 4 、 CO、C 2 H 4 。 返回 3.4.5、考林斯液化系统 ? 低温工程里程 碑之一是 麻省 理工学院 考林 斯 研制的氦液 化器。 ? 用自己膨胀得 到的冷量预冷 自己。 返回 ? 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 液氦的应用 ? 核磁共振中的液氦 ? 液氦用于阿尔法磁谱仪 (AMS)，用于在空间搜 寻 – 宇宙中的反碳核、反氦核及其他更重的反核来确 定宇宙中是否存在反物质； – 寻找宇宙中可能存在的暗物质。 ? AMS 01：于 1998年 6月 2~12日由美国发现号航天飞机 搭载，成功地进行了首次飞行。在距离地球高度 320~ 390 km的高空中，共飞行了 10天 ? AMS 02：将于 2005年送到国际空间站进行 3年的实 验， 430km高空 AMS 01：发现号 Altitude 320~390 km AMS 02 International Space Station AMS 02 ? 将 AMS-01的永久磁铁改为 超导磁铁 ，提高磁 场强度 , 从而提高粒子动量的测量范围和精确 度； ? 超流氦 冷却性能是其它方式 (斯特林制冷剂， 常流氦 )所无可比拟的。 ? 在过去的 航空 史上曾四次用到液氦。分别 是： – 1983 红外航空卫星（ IRAS） – 1989 宇宙探测器（COBE） – 1993 轨道上输送液氦试验（ SHOOT） – 1995 红外太空观测站（ ISO） ? 强磁场超导磁体的冷却 ： 1980年在 EUROTOM- CEA建造的等离子体物理实验用的新型托克马克装置 中的Nb-Ti 超导磁体，用 1.8K温度的常压HeII 冷却， 获得了 10T的磁场强度。 切尔诺贝利核电站4 号机组 用钢筋混凝土封起来的曾经发生 核泄露的切尔诺贝利核电站 4号机组 ?位于乌克兰境内 ?1973年开始修建 ?1977年启用 ?1986年 4月 26日， 4号反应堆发生爆 炸， 8吨多强辐射 核燃料泄漏 ?2001年春天，乌 克兰关闭了切尔 诺贝利核电站的 最后一台机组 ?事故原因:设计缺 陷,实验程序考虑 不周,违反操作规 程,原苏联核电站 主管部门安全意 识淡漠. 超导磁体冷却系统CSC 超导 磁体 超流 体氦 ～1.8Κ 超导磁体冷却系统CSC 布局图 超导磁体冷却系统CSC 模式 温区 冷源 1 300~80K 液氮 2 80~4.2K 液氦蒸发及氦蒸气热 容 3 在4.2K 下充注液拟 - 4 4.2~1.8K 由换热器泵送出液氦 返回 3.5、液化系统的关键部件 ? 热交换器 ? 压缩机和膨胀机 转至首页 3.5、液化系统的关键部件 -热交换器 小型热交换器 ? 1、套管式林德热交换器： 内管走热的高压气体；夹层 走低压返压返流气； ? 2、多管式林德热交换器： 流速大的高压气体或多通道 热交换器； ? 3、带螺旋线间隔套管式林 德热交换器：螺旋线间隔增 大热传递量，但流阻增加 了； ? 4、管束热交换器：高压气 体在中心管内流动，低压返 流气在周围管束内流动 乔克汉普逊热交换器 ? 大规模液化系统中用； ? 管内走高压蒸气，低压返 流气走夹层。 3.5、液化系统的关键部件 -热交换器 ? 考林斯热交换器 带扩展表面的热交换器 3.5、液化系统的关键部件 -热交换器 ? 板翅式换热器 3.5、液化系统的关键部件 -热交换器 返回 ? 活塞式 – 蒸气机式 ：曲轴、十字头放在分开的箱 内，适合低温下使用； – 内燃机式 ：曲轴、连杆、活塞放在同一箱 内； ? 涡轮式 – 轴流式 ：用于流量大、压力小的场合； – 径流式 3.5、液化系统的关键部件 -压缩机和膨胀机 3.5、液化系统的关键部件 -压缩机和膨胀机 流程中的压缩机 3.5、液化系统的关键部件 -压缩机和膨胀机 返回