主讲
舒水明
华中科技大学能源与动力工程学院
制冷及低温工程教研室
§ 0 绪论
? 本章讨论的问题,
? 1、何为低温科技
? 2、低温科技的应用
? 3、低温科技的发展（内、外）概况
? 4、低温科技的国内外差距
? 5、我国低温科技的近期、长期奋斗目标
§ 0-1低温技术
低温,120k及以下 --甲烷的液化温度、
标准沸点 111.7k,120k及以上 — 制冷
国际会议约定
超低温,0.3K 以下。
低温技术是指用各种获得低温的方法使气
体液化，或者使其一物体或空间达到并保
持所需的低温。
世界物质的，物质是运动的，运动是规律的，规律是可以认识的，认
识了可以被应用（为人类造福）。 如何应用 ……
§ 0-2低温技术的应用
高新技术
富国技术
低温技术的应用相当广泛
主要有 三种 方式
一, 分离气体,
? 1,空气分离,
生产 O2,N2,Ar,H2,Ne,He,Ke,Xe
? 2、油田气及石油裂鲜气,
生产 乙烯，丙烯
? 3、天然气,
生产甲烷，乙烷 He
? 4、其它
二, 液化气体
? 燃气 （ LNG） 石油气
? LO2 90.2K
? LN2 77.4K
? LAr 87.3K
? LH2 20.4K
? LHe 4.2K
? LKe 78.8K
三, 提供并保持低温环境
? 空间技术
? 红外技术
? 超导技术
? 生物
? 医学生物
? 医疗
? 机械制造
? 农业
? 食品
? 交通
气体的应用
? 从空气中提取氧, 氮和稀有气体 是低温
技术的一个重要方面 。
? 特别是为了获得氧气, 所以, 国内的专业厂称
为 制氧机 (集团 )公司 （ 杭州, 哈尔滨, 邯郸,
吴县, 江西 ） 或 空分设备 (集团 ) （ 四川, 开
封 ） 。
一, 氧,
? 1、钢铁
氧主要用于炼钢和冶炼有色金属 。
在钢铁生产中，氧气用来强化冶炬过程用作 转炉氧
气顶吹，平炉及电炉吹氧，以及高炉的富氧鼓风,
切割，焊接以及烧通出钢口和出铁口等。特别是纯
氧顶吹转炉炼铁已被各国普遍采用，成为一种最佳
的炼钢方法。治炬时间（包括辅助时间）只需 40分
钟。这种方法与其它方法相比具有速度快，产量高，
品种多，质量好，投资省等优点。
（ a）转炉顶吹用氧量
? 每 炼 一 吨 钢 需 要 高 纯 度 的 氧 气
（ 99.5%O2,99.1%O2） 50-60m3/h
? 各种转炉需要配备的制氧机容量
（ b） 平炉吹氧炼钢的耗氧量
? （ P=5-6, 浓度 95%O2 工艺氧 ）
500T的平炉约需氧气 3000m3/h
（ c） 高炉
? （ 21% O2以上 ） 鼓风炼铁 —— 提高炉生铁产量,
降低焦碳消耗 。 若不用富氧鼓风时, 一吨铁需要
600公斤焦碳, 而 600公斤焦需用一吨煤, 而在开
煤矿中采煤时, 平均每四吨煤中才有一吨可用来
炼焦 。
? 如用重油喷射加 25% O2富气空气鼓风, 可以大大
降低焦铁比, 每一吨铁只需 350㎏ 的焦碳据统计,
高炉中富氧纯度每提高 1%,生铁产量可以提高 4-
6%,焦铁比可降低 5-6%。
B 在化学工业中的应用
? 在合成氨工厂,氧 作重油和粉煤的 气化剂
合成氨工业对空分装置能力的要求
C 氧在国防及空间技术中的应用
? 液 氧 是 火 箭燃 料 的 助燃 剂 （ 氧化
剂 ） — US载人登月飞船用的火箭, 发
射一次用了 2500TO2
? 航空, 航天中, 液氧化作呼吸用 。
在 喷 气 式 战斗 机 中, 用作加速剂
D 其它方面的应用
? 煤的地下气化
? 合成燃料的生产
? 磁流体发电
? 气焰开采岩石
2 氮
氮的主要用户是化肥工业 。
氮气是生产合成氨的原料气 。 如硝
酸铵含氮 36%,硫酸铵在火箭技术中用
作燃料氧化剂的含氮 21%,尿素含氮
46.7%。
液氮压送剂
氮气用于吹除火箭的各个系统
液氮用作低温冷源,H2, He 恒温器 ）
原子能工业中用纯 N2作保护气
洗涤导弹冷却装置 。
在医学和畜牧业方面
? 保存和运输血浆, 牲畜的精液, 低温手术刀
? 食品工业中, 液 N2快速冷冻食品, N2气水果保鲜 。
? 低温化学工艺：长期保存高活性，不稳定物质（如臭
氧，自由荃等）的工艺
生产同质异性产品（如 H2O4）的反应
? 以及新的化合物 （ 如氮, 氙及氟的化合物 ） 的合成等
都必须在 LN2温度下进行 。
超高纯氮气
制造环境保护气
? 计算机
? 手机
? 电子产品
? 电子元气件
? 集成电路
3,氢 H2（ 氕 H,氘 D,氚 T ）
? 液 H2用于火箭技术, 主要作为火箭燃料, 如 US载
人登月飞船用的火箭发射一次需 LH2 90T。
? 用泥浆式液一固 H2 混合物作宇宙飞船的燃料, 有便
于携带, 体积小和延长保存时间等优点 。
? 我国的 LH2火箭居世界前列, 现在可对外服务 。
? 中子源 （ 冷冻靶 ）
? 新能源 （ 清洁燃料 ）
? LH2汽车
? 电动汽车
4,稀有气体
大型空分装置还可附加一些设备提取
稀有气体 （ 全提取空分装置 ）
A,氩 Ar
它在工业上的用途很广, 单晶
硅的生产, 稀有金属一铀, 钛,
锆, 锗等的冶炼以及收音机制造,
造船, 原子能工业, 机械工来都
要 用氩作保护气 （ 氩弧焊 ） 用 Ar
充填灯泡, 日光灯和霓虹灯, 电
子管, 可以 激发光源 。
B、氖气（红光） Ne
? 它的导电性高,主要用于充填电子管、
钠蒸汽灯，萤光灯和水银灯，它们用作
港口、机场和水陆交通的航标。 在各
种测量仪器上用作显示装置。
? （沸点 27 K）（氖还可用于研究基本
粒子执道的火花室的充填介质）
C,氦 He(4He, 3He)
He在国防尖端技术中的应用最为突出。一
个模拟宇宙的试验舱，操作温度为 4K，压力
为 133.3× 10-10Pa,每周要消耗 1500升 LHe作
为冷却剂。 He是目前达到最低温的一种介
质（ 4.2K,2.2K发生相变，成为超流 He）。
在 LHe温度下，某些金属 R→ 0而成为超导体。
利用超导材料可制造电机，计算机记忆系统。
建立强磁场一磁悬浮列车一超导磁分离。一
核磁成像。
在低温电子学上
? 将 He用于人造卫星期的通讯具有干扰
小，精确度高，放大率特别大等独特
的优点。且这些电子元件可以做得极
小，一根直径与头发差不多的材料，
可以做一个真空管。
氦气具有很强的扩散性
? 因此是最好的真空检漏剂，火箭、导弹发射时，
He被用作燃料（液 H2,LO2）的压送剂,He还用
于气冷式原子能反应堆中的载热剂，还用于等离
子体工业，气体激光（气体等塞），雷达探测，
高空摄影等技术，在医学方面,He与 O2的混合作
呼吸剂可医治潜水病。因而海军，深海打捞部门
也使用 He,He的举力比氢（ H2）小 8%且安全，
可用来充填飞船。
He主要从天然气，核裂变物质中提取，价高
（ 200元 /标 m3G）
3He
? 地球上稀少，价高（普通气体万倍）
? 月球上丰富
? 单一工质最低温度（百 mK级）
? 稀释制冷机（ mK级）
D,氪 （ Ke） Kr
? 用来充填高级电了管和灯泡, 氪灯的透射率特
别高, 适用于越野战车的照射灯, 在测量宇宙
辐射方面, 用来充填游离室, 在医学上, 利用
氪对 X射线渗透性较小的特性, 可诊断人体内部
的空腔 。
E,氙 （ xian） Xe （ 兰光 ）
? 氙气具有极高的发光强度, 其放电的光强度
超过太阳光, 充填的长弧氙灯有小太阳之称,
因而于充填闪光灯私有雾航空导航灯最为理
想 。 医学上, 氙气用作无副作用的深度醉剂,
高 压 氙 灯 还 用 来 消 毒 。
用氪, 氙混合气充填电子管灯泡比相同功
率的氩灯省电 20-25%寿命长 2-3倍 。
用 气体制冷机 提供低温环境
? 主要为红外服务, 红外摄影, 侦察, 精密制
导, 反道弹导弹系统 （ 拦截系统 ） 等, 也可
用于常规式器 。 此类制冷机主要有
? 斯特林制冷机
? G-M制冷机
? 威勒姆制冷机
? 沙尔文制冷机
? 单机提供多级冷源 。
绝对零度（ 0K）问题
? 能否实现
? 追求
? 10-8-10-14 K