低温原理与设备
低温的获得方法
主讲, 舒水明
华中科技大学能源与动力工程学院
第五讲 获得低温的方法
? 相变制冷
? 气体绝热节流
? 气体等熵膨胀
? 绝热去磁制冷
? 稀释制冷
? 热声制冷
? 其它
相变制冷
? 液体汽化
? 抽汽
? 升华
液体汽化
? 原理,
利用潜热、显热
? 应用,
空调、冰箱、冷库
超导体冷却
红外元件冷却（制导、成像等）
抽汽
? 原理,
抽汽、降压、降温
? 应用,
液体到更低温液体或固体
升华
? 原理,
固体直接升华成气体
? 应用,
空间
医疗
气体绝热节流
? 焦耳 — 汤姆逊（ J— T）效应
在绝热条件下，气体通过一个多孔塞从
高压区向低压区膨胀。当流动充分缓慢时，
在多孔塞两侧气体有完全确定的压力和温度。
焦耳 -汤姆逊实验示意图
焦耳 — 汤姆逊系数及转换曲线
? 焦耳 — 汤姆逊系数
等焓曲线上任一点的斜率叫做焦
耳 -汤姆逊系数
焦耳 — 汤姆逊实验的等焓曲线和转换曲线
部分气体最大转化温度及其临界温度 气体
最大转化
温度 ( K )
临界
温度
气体
最大转化
温度 ( K )
临界温
度
气体
最大转化
温度 ( K )
临界
温度
He
4
45 5.199 空气 603 132.55 CH
4
939 190,7
H
2
205 32.98 CO 652 132.9 2 CO
2
1500 304.3
Ne 250 44.4 Ar 794 150.86
N
2
621 126.25 O
2
7 6 1 154.7 7
绝热膨胀
? 气体等熵膨胀时，压力的微小变化所引
起的温度变化称为 微分等熵效应
? 气体对外做功
消耗内能
温度降低
等熵膨胀过程
? 等熵膨胀过程的温差，不但随着膨
胀比的增大而增大，而且还随初温的提
高而增大，因此，为了增大等熵膨胀的
温降，可以提高初温及增大膨胀比
绝热退磁制冷
? 绝热退磁制冷原理
固体制冷剂 — 顺磁盐
等温磁化过程
? 等温磁化
绝热退磁制冷是先将顺磁盐，分子由
排列不规则到规则，要放热,
绝热退磁过程
? 绝热退磁
分子排列由规则到不规则，要吸
热，消耗内能，因而制冷。
绝热退磁制冷应用
? 绝热退磁制冷应用于获取 1K以下低温
气体热开关
? 作用
? 原理
? 应用
超导热开关
? 作用
? 原理
? 应用
气体液化的热力学理想循环
一次节流循环
? 1895年德国 Linde和英国 Hampson
分别独立地提出了一次节流循环，因此
文献上也常称之为简单 Linde-Hampson
循环。
Linde-Hampson循环
有预冷的 Linde-Hampson液化循环
Claude系统
Kapitza循环
Heylandt液化循环
复叠式制冷的液化循环
正常氢转化成平衡氢时的转化热
温度（ K ） 转化热（ k J / kg ） 温度（ K ） 转化热（ k J / kg ）
15 527 100 88.3
2 0,39 525 125 37.5
30 506 150 15.1
50 364 175 5.7
60 285 200 2.06
70 216 250 0.23
75 185
有液氮预冷的 Claude氢液化循环
有预冷的 Linde-Hampson氦液化循环
双压氦液化循环
获得低温的方法
? 稀释制冷
? 热声制冷
? 其它
低温的获得方法
主讲, 舒水明
华中科技大学能源与动力工程学院
第五讲 获得低温的方法
? 相变制冷
? 气体绝热节流
? 气体等熵膨胀
? 绝热去磁制冷
? 稀释制冷
? 热声制冷
? 其它
相变制冷
? 液体汽化
? 抽汽
? 升华
液体汽化
? 原理,
利用潜热、显热
? 应用,
空调、冰箱、冷库
超导体冷却
红外元件冷却（制导、成像等）
抽汽
? 原理,
抽汽、降压、降温
? 应用,
液体到更低温液体或固体
升华
? 原理,
固体直接升华成气体
? 应用,
空间
医疗
气体绝热节流
? 焦耳 — 汤姆逊（ J— T）效应
在绝热条件下，气体通过一个多孔塞从
高压区向低压区膨胀。当流动充分缓慢时，
在多孔塞两侧气体有完全确定的压力和温度。
焦耳 -汤姆逊实验示意图
焦耳 — 汤姆逊系数及转换曲线
? 焦耳 — 汤姆逊系数
等焓曲线上任一点的斜率叫做焦
耳 -汤姆逊系数
焦耳 — 汤姆逊实验的等焓曲线和转换曲线
部分气体最大转化温度及其临界温度 气体
最大转化
温度 ( K )
临界
温度
气体
最大转化
温度 ( K )
临界温
度
气体
最大转化
温度 ( K )
临界
温度
He
4
45 5.199 空气 603 132.55 CH
4
939 190,7
H
2
205 32.98 CO 652 132.9 2 CO
2
1500 304.3
Ne 250 44.4 Ar 794 150.86
N
2
621 126.25 O
2
7 6 1 154.7 7
绝热膨胀
? 气体等熵膨胀时，压力的微小变化所引
起的温度变化称为 微分等熵效应
? 气体对外做功
消耗内能
温度降低
等熵膨胀过程
? 等熵膨胀过程的温差，不但随着膨
胀比的增大而增大，而且还随初温的提
高而增大，因此，为了增大等熵膨胀的
温降，可以提高初温及增大膨胀比
绝热退磁制冷
? 绝热退磁制冷原理
固体制冷剂 — 顺磁盐
等温磁化过程
? 等温磁化
绝热退磁制冷是先将顺磁盐，分子由
排列不规则到规则，要放热,
绝热退磁过程
? 绝热退磁
分子排列由规则到不规则，要吸
热，消耗内能，因而制冷。
绝热退磁制冷应用
? 绝热退磁制冷应用于获取 1K以下低温
气体热开关
? 作用
? 原理
? 应用
超导热开关
? 作用
? 原理
? 应用
气体液化的热力学理想循环
一次节流循环
? 1895年德国 Linde和英国 Hampson
分别独立地提出了一次节流循环，因此
文献上也常称之为简单 Linde-Hampson
循环。
Linde-Hampson循环
有预冷的 Linde-Hampson液化循环
Claude系统
Kapitza循环
Heylandt液化循环
复叠式制冷的液化循环
正常氢转化成平衡氢时的转化热
温度（ K ） 转化热（ k J / kg ） 温度（ K ） 转化热（ k J / kg ）
15 527 100 88.3
2 0,39 525 125 37.5
30 506 150 15.1
50 364 175 5.7
60 285 200 2.06
70 216 250 0.23
75 185
有液氮预冷的 Claude氢液化循环
有预冷的 Linde-Hampson氦液化循环
双压氦液化循环
获得低温的方法
? 稀释制冷
? 热声制冷
? 其它
