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低温技术基础复习总结


低温技术基础 考试时间:第九周周四第二大节 绪论 1.用人工的方法制取和获得低于环境温度的技术叫做制冷技术 2.制冷是从低于环境温度的空间或物体中吸取热量, 并将其转移给温度高于它的介质中去的 过程 3.根据国际制冷学会第 13 届制冷大会的建议,将 120K 定义为普冷与低温的分界线 4.低温是指低于大约 120K 温度下所发生的现象和过程或使用的技术或设备,即从接近液化 天然

气的正常沸点至 2K 左右的温度范围。 5.制冷的方法主要有三种:?利用物质交换相变的吸热效应制冷?利用气体膨胀产生的冷效 应制冷?利用珀尔贴效应的热电制冷。 6.把热量从被冷却物体转移到环境介质中,完成这种功能的工作介质称为制冷剂,也叫做制 冷工质 7.制冷剂根据化学成分可分为:1.卤代碳制冷剂;2.碳氢化合物制冷剂;3.无机化合物制冷 剂;4.混合制冷剂 8.至今,最低温度可达 10-7K 9.制冷技术在化学和加工工业的应用有:气体分离、气体冷凝 10.液化天然气也许是低温在工业上的最大应用 11.用液氢做燃料的汽车所排出的废气(水)

第一章 制冷与低温的热力学基础 1.制冷与低温的目的:为了获得冰保持比环境温度低的温度,它涉及的温度范围,从环境温 度到接近 0K 2.焓的物理意义: 1kg 工质流进系统时带进系统的与热力状态有关的能量有内能和流动功, 当 而焓正是这两种能量的总和。简单的说,焓表示一种能量,对于流动的流体等于内能加流动 功。 3.熵是一个衡量同种物质两种状态不等价性的量,虽然熵增是与过程有关的量,但是熵确是 完全由状态确定的参数,与过程无关。 4.克劳修斯以温差传热的不可逆性来表述热力学第二定律: 不可能将能量从低温物体传到高 温物体而不引起其他变化 开尔文则从热工转换的角度将热力学第二定律表达为: 不可能从单一热源吸取热量使之完 全站转变为功而不产生其他影响。 (第二类永动机是不可能制成的) 5.压缩因子的实质是反映了气体压缩的大小。压缩因子的大小不仅与物质所处的种类有关, 而且与物质所处的状态有关 6 范德华状态方程是第一个最著名的实际气体解析型状态方程式。 形式

p?

RT v ?b

? va2

7.为什么范德华方程是第一个最著名的实际气体解析型状态方程? 答:范德华方程在定性上较成功的反映了实际气体的基本性质。 8.马丁—候方程:定量描述工质性质的方程。 9.结论;直到目前为止,还没有一种状态方程能对任何物质在很大范围内是通用的,特别是 对量子流体及某些极强性物质,任何状态方程都还有困难。 10.溶液:由两个及两个以上组分组成的稳定的均匀液体叫溶液(两液体混合、固体溶解于 液体、气体溶解于液体)

11.按不同物质相互之间的溶解的难易程度,溶液可分为三类:完全溶解、部分溶解、完全 不互溶 12.在一定温度下,达到溶解平衡的溶液叫饱和溶液 13.在一定温度下,某溶质在一定量的溶质里达到溶解平衡状态时,所溶解的量叫这种溶质 在该溶剂里的溶解度。 14.溶解过程是一个伴随着热量变化的复杂物理化学过程。 15.NH3 的气化温度为—33.4℃ 16.康诺瓦罗夫第一定律:如果不同蒸汽压的两种纯液体,在给定温度下混合成二元溶液, 则气相的摩尔分数和液相中的摩尔分数并不相同 17.康诺瓦罗夫第一定律是精馏原理的基础。如果液相气体摩尔分数和气相摩尔分数完全相 同,则两组分不能用精馏法惊醒分离。 18.如何把共沸溶液加以精馏? 答:要把共沸溶液加以精馏,必须通过改变总压力,使共沸点发生移动,因此,大气压 下不能分离的共沸溶液,往往在受压或真空条件下可以使其分离。 19.自由度:确定平衡体系的状态所需要的独立的强度变量数称为体系的自由度 20.组分数:体系中所含的化学物质称为体系的物种数,体系中有几种物质,则物种数就有 几种,用符号 s 表示。足以表示平衡体系中各相的组成所需的独立物种数,称为体系的独立 组分数,简称组分数。如果体系中没有化学反应发生,则组分数与物种数相等。 21.溶液相平衡条件:在温度和压力不变的情况下,溶液相平衡的条件是每种组分在各相中 的化学势相等。 22.吉布斯相律:只受到外界温度和压力等影响的物系处于相平衡时,其自由度数等于物系 的组分数减去相数,再加上 2 (Nf=Nc-Np+2) 23. 二元溶液的相平衡图(重点) 二元混合物存在两种典型的 T--x 图 临界点 蒸汽 蒸汽 L+V

温 度

L+V 液体 摩尔分数 氢--氧混合物

温 度

液体

摩尔分数 氦--氮混合物

一种典型混合物的冷却过程如下 露点温度

蒸汽 1

温 度

气液两相

2g 3g 4g 4f 5 3f

2f

泡点温度

液体

第二章 低温工质 1、所谓工质就是制冷机中的工作介质,他在制冷机系统中循环流动,通过自身 热力状态的变化与外界发生能量交换 2、卤代烃也称氟利昂,是链状饱和碳氢化合物的氟、氯、溴衍生物的总称。如 果分子中只含氯,氟,碳原子,这类氟利昂称氯氟烃,简称 CFCs;如果分子中 除了氯、氟、碳原子外,还有氢原子,称氢氯氟烃,简称 HCFCs。根据莫利纳 和罗兰的理论,CFCs 对大气臭氧层的破坏最大 3、选用制冷工质应遵循的原则(问答题) 1、热力性质方面 (1)在工作温度范围内有合适的压力和压力比。即蒸发压力不能低于大气 压力,以免低温部分出现负压,是空气进入系统,家具设备的腐蚀;冷凝压力不 要过高,以免设备过分笨重;冷凝压力与蒸发压力之比不宜过大,以免压缩终了 温度过高或使活塞式压缩机的输气系数过低。 (2)通常希望单位制冷量和单位容积制冷量比较大。因为对于总制冷量一 定的装置, 单位制冷量大可减少制冷工质的循环量; 单位容积制冷量大可减少压 缩机的输气量,故可缩小压缩机的尺寸 (3)比功 w 和单位容积压缩功 Wv 小,循环效率高 (4)等熵压缩终了温度 t2 不太高, 以免润滑条件恶化或使制冷工质自身在 高温下分解 2、传输性质方面 (1)粘度、密度尽量小,这样可减少制冷工质的流动阻力以及制冷工质 的充注量 (2 热导率大 3、物理化学性质方面 (1)无毒,不燃烧,不爆炸,使用安全 (2)化学稳定性和热导性好,使用中不变质,不予润滑油反应,不腐 蚀制冷机构,压缩终了在高温下不分解 (3)对大气环境无破坏作用 (4)其他要求 4、制冷与低温工质的命名:为方便书写,国际上同一用字母“R”与后面一组 数字或字母作为制冷工质的简写符号。 (1)无机化合物:简写符号规定为 R7() ,括号代表一组数字,这组数字 是该无机物的分子量的整数部分。例如:He--4、H2、NH3、H2O 及 CO2 的 分子量的整数部分分别为 4、 17、 及 44 表示的符号分别为 R704、 2、 18 R702、 R717、R718 及 R744 (2)氟利昂和烷烃类 (3)非共沸混合制冷工质:简写符号 R4() (4)共沸混合制冷工质:简写符号 R5() (5)环状有机物:简写符号以 RC 开头 (6)不饱和有机化合物:简写符号以 R1 开头 此外有机氧化物,脂肪族胺用 R6 开头 5、制冷与低温工质的物理化学性质指什么?(简答) 在选用制冷与低温制冷工质时,除了要考虑热力性质外,还需要考虑工质的

物理化学性质,如毒性,燃烧性,爆炸性,与金属的相密性,与润滑油的作用, 与大气环境的“友好性” 6、虽然一些氟利昂制冷工质其毒性都较低,但他们在高温或火焰的作用下,会 分解出极毒的“光气” ,因此在进行有关操作时要保持较好的通风性。 7、氢、氦、氮及其它惰性气体工质,碳氢化合物工质等,对金属无腐蚀作用。 但氢很容易扩散到其他工程材料中,使材料的力学性能下降,称为“氢脆” 8、含镁的的质量分数超过约 2%的镁锌铝合金,不能用在卤素化合物制冷工质 的制冷剂中,因为若有微量水就会引起腐蚀。 9、有水存在,氟利昂水解成酸性物质,对金属有腐蚀作用 10、氨制冷机中不能用黄铜、纯铜及其它铜合金,因为有水分时要引起腐蚀,但 是磷青铜与氨不起作用 11、某些非金属材料,如一般的橡胶、塑料等,与氟利昂制冷工质会起作用。 橡胶与氟利昂接触时,会发生溶解;而塑料等高分子化合物,则会引起膨润作 用(变软、膨胀和起泡) ,在制冷系统中要选用特殊的橡胶和塑料。 12、氨可以溶解比它本身大很多倍的水,生成的溶液冰点比水的冰点低,因此在 运转的制冷系统中不会引起结冰而堵塞管道通路。 13、氟利昂很难与水相溶,烃类制冷与低温制冷工质也很难溶于水 14、氨有强烈的臭气,人们通过嗅觉很容易判断是否泄漏。由于氨极易溶于水, 因此不能用肥皂水检漏, 通常用酚酞试剂或者酚酞试纸来检漏 (氨水是弱酸性的) 试纸或试剂会变红; 氟利昂是无色无臭的物质, 用卤素喷灯或电子检漏仪来检漏; 氦具有很强的泄漏性,因此在使用氦工质时要特别仔细的进行检漏。 15、传统工质 R11、 R12 不仅 ODP (对大气臭氧层消耗的潜能值) 而且 GWP 高, (全球变暖潜能)也高,是大气极不友好制冷工质,因此要被禁用。一些自然工 质,如 R50、R600a、R702、R704、R717、R728 等,他们既不破坏臭氧层,又 不会导致全球变暖是环境友好制冷以低温工质。 16、氨的沸点—33.3℃,凝固点—77.9℃,目前氨用于蒸发温度在—65℃以上的 单级,双级活塞式及螺杆式制冷机中,也应用于离心式制冷机中。 17、氧是常用的低温气体,正常沸点—182.9℃,凝固点温度—218.8℃ 18、液氮是非常理想的预冷剂,氮的正常沸点—196.8℃,凝固点温度—210℃, 纯的氮气的获得方法是精馏。液氮是比较方便的冷源,在食品工业,医疗事业、 畜牧业以及科学研究等方面得到越来越广泛的应用。液氮在输送过程中 的潜在 危险是,它的管外可能会冷凝 50%的富氧空气,并引起氧气燃爆。 19、空气中除氧、氮、氩外,还含有极少量的氖、氦、氪、氙等稀有气体,俗称 “黄金气体” 氩气是目前工业上应用极广泛的稀有气体。 , 往往用作焊接保护气。 20、氦是极重要的低温工质,它的正常沸点为 4.2K,是所有气体中沸点最低的 气体,是最难液化的气体,一般所讲的氦气或液氦均指 He4;He3 比 He4 的沸 点低;在极低温下,液体 He3 和 He4 的混合具有吸热效应,故可用来作稀释制 冷机

(氦的特性图 2—14 及下面一段话仔细看)
21、氦的用途: (1)在液氦温度下,导体将失去电阻,电流通过时无损失,形 成“超导电性” ,可以制成超导电机(2)氦具有很大的惰性,在冶炼特种稀有金 属时用作保护气(3)氦具有很强的扩散性,渗透能力特别强,因此对于特别严 格的压力容器和真空容器,氦是最好的检漏指示剂

第三章 低温的获得 1 气体制冷机-是利用高压气体的绝热膨胀而达到低温,并利用膨胀后的气体在低压下的复 热过程来制冷。 2 气体压力降低时容积随之增大,称为膨胀过程。 3 气体在膨胀中所产生的温度变化称为膨胀过程的温度效应, 膨胀时压力的微小变化所引起 的温度变化同该压力变化的比称为微分效应 4 气体绝热膨胀有三种方式:①高压气体膨胀机②绝热放气制冷③气体经节流阀膨胀 5 为什么气体等熵膨胀时气体的温度总是下降的? 对于气体,α 永为正值,故气体等熵膨胀时总是温度降低,产生制冷效应。其原因在于,在 膨胀过程中输出外功,膨胀后气体的内位能增大,这些能量都是靠内动能的降低来提供的, 因此气体的温度总是下降的。 6 式 1-8 中 m 为气体的绝热指数。从该式可以看出,等熵膨胀过程的温差,不但随着压力比 p2/p1 的增加而增大,而且还随初温 t1 的提高而增大。 7 刚性容器的绝热放气必定是降温过程。这种降温过程在低温工程中又程西蒙膨胀。 8 节流过程是降温而不制冷的过程 9 气体通过膨胀阀时,由于局部阻力,压力显著下降,这种现象叫做节流。节流膨胀是是气 体的内能减少,总能量保持不变。根据热力学第一定律,h1=h2,就是说通过膨胀阀时焓不 变,节流后熵必定增加。 10 式 1-16 ah 称为微分节流效应,或称焦耳-汤姆逊效应。 11 式 1-18 如果这一差值大于 0,则节流后温度降低。 12 气体节流温度发生变化的机理是什么? 流体在流动过程中,内部所具有的能量包括内能以及后部流体推动前部流体前进的流动能, 这三种能量的总和在节流前后保持不变, 而每一项的大小的变化的, 当气体在节流阀中节流 后,由于压力降低,气体体积膨胀,分子间距离增大,是的分子相互作用的位能增加,位能 的增加只能靠动能的减少来补充, 而分子运动能的大小是反映温度高低的量, 节流后动能减 少,所以在一般情况下气体节流后温度总是有所降低,但在特定条件下,温度也会不变或升 高。 13 磁性物质是由原子或具有磁矩的磁离子组成的结晶体。 固体绝热去磁时,磁场强度 h 减弱,磁化强度 m 也减弱. 14 氦稀释制冷(重点) 图 1-39 在同一温度下,稀释溶液的焓大于浓缩溶液的焓 3he 原子通过分界面,从浓缩相进 入稀释相的过程,必然是一个吸热过程,对外界产生制冷效。如果系统是绝热的,则表现为 系统本身温度下降,从而获得低温。因此,只要把大量的 3he 原子从稀释溶液中连续取出, 使浓缩相的 3he 不断地溶解于稀释相, 就可以获得很有效的连续制冷。 这就是稀释制冷基本 依据。利用 3he 的沸点 4he 低,3he 的蒸汽压比 4he 高得多的特点,让稀释溶液在蒸发器中 减压蒸发,并用真空泵将蒸发的气体抽走,便可达到把 3he 从稀释相连续取出的目的。 15 稀释制冷机的工作过程,设备名称,流程,原理阐述 从温度为 0.6~0.7k 的蒸发器 6 内蒸发的气体接近纯 3he.这部气体被真空泵 1 抽出, 经增 压后,先经过液氮 2 和液氦 3 预冷,再经冷凝器 4 冷却到 0.8`1.2k,然后进入蒸发器 6 的管 盘内, 被蒸发器中蒸发的稀释溶液冷却到 0.6-0.7k, 再经热交换器 7 继续冷却到 0.005-0.5k, 进入混合器 8 上方的浓缩相。 混合器下方的溶液为稀释相。 混合气的底部用管道经热交换器 7 与蒸发器 6 底部相连通。由于管道中充满 4he,3he 通过它可无阻力扩散。当正流的 3he 液体在蒸发器的管内被冷却时, 蒸发器中的稀释溶液就吸收她放出的热量而蒸发。 由于蒸发

的几乎都是 3he,因此稀释溶液中的 3he 摩尔浓度下降,于是,混合器下部稀释相里的 3he, 通过连通管向蒸发器器扩散,以补充蒸发器中的 3he。这样,混合器下部稀释相的摩尔浓度 下降, 破坏了混合器中原有的相平衡, 式混合器上方浓缩相的 3he 越过两相分界面转移到稀 释相,因而在混合气的界面发生制冷作用。 第四章 气体的制冷和液化循环 1、由于所有低温工质的临界温度都远低于环境温度,需采取一系列必要的热力过程。 2、处于环境温度下的气体首先经压缩,然后进既定的系统,将气态工质逐步冷却到要 求的低温,应用节流或等熵膨胀等方法达到液化的目的。 3、低温液体制冷剂即是利用低温液体的气化热来冷却部件和补偿外界的漏热的装置或 器件。 4、对于那些以制取制冷量为目的的制冷循环,没有液态产品从制冷剂中输出,称之为 低温气体制冷剂。 5、低温气体的制冷和液化循环有四种基本类型:节流循环、带膨胀机的循环、利用气 体制冷剂的循环、及采用逐级冷却的复叠循环。 6、一次节流(图) : 气体在环境温度下被等温压缩,有由冷却介质(如水、空气)带走压缩热,在 T —S 图上简单地用等温线 1—2 表示。然后,压缩气体在换热器内被节流后的返流气体冷却 到点 3,这是一个等压冷却过程,在 T—S 图上用等压线 2—3 表示。接着高压气体经节流阀 节流膨胀至点 4,此时有部分气体被液化。在 T—S 图上节流过程用等焓线 3—4 表示。节流 后未被液化的气体及作为制冷机时由于吸收热负荷 Q 后气化的气体, 从贮液器 (点 g) 引出, 流经换热器被进入系统的压缩气体加热到常温(点 1) ,返回到压缩机入口。其复热过程在 T —S 图上等压线 g—1 表示。至此完成了一个气体制冷循环。 7、二次节流也叫林德双压循环: (掌握装置图与流程图)该循环可以减少液化需用功 的原因? 因为在简单林德循环中,只有压缩气体的很小部分被液化,节流后未被液化的大 部分低压气体返回压缩机。双压循环中,部分压缩气体节流膨胀到中压就返回压缩机。一直 理想气体的等温压缩功大致正比于压比的对数,即等于 RT11n(p2/p1),所以降低压缩比可以 减少压缩需用功。 8、等熵膨胀循环:在绝热条件下,压缩机气体进入膨胀机进行等熵膨胀并对外做功, 可获得较大的温降及制冷量。 (掌握装置图与流程图)其中,3--4 为多变过程;3 点制冷机 状态为:过热蒸汽状态。 9、西蒙氦液化器,用以生产少量的液氦,利用绝热放气原理制冷,虽为不可逆过程, 但工质的比熵不变。 (掌握装置图与流程图)其循环过程: a、 过程 1—2.将高压氦气充入厚壁容器,氦气的压力大约为 15MPa,温度为环 境温度。 b、 过程 2—3.用液氮将容器和高压氦气冷却到 77K, 在冷却过程中继续对容器充 气,以维持容器内压力不变。 c、过程 3—4,一旦达到液氮温度时,就将原来在真空空间中的氦气抽走,然后 在液氢空间中注入液氢, 将其中的氦气置换出来。 于是内容器及其中的氦气被冷却到液氢温 度 20.4K。 d、过程 4—5,对液氢抽空,使压力降低到其三相点以下,内容器及其 15MPa 的氦气被进一步冷却到 10~12K。 e、过程 5—6,最后,开启氦气排放阀,将氦的压力从 15MPa 降低至 0.10MPa.

由于保留在容器中的氦对排放出的氦气做功,该过程基本上是等熵膨胀过程,能使容器中 80%~100%的氦气液化。 10、简述克劳特循环? 在克劳特系统中,气体首先被压缩到大约 4MPa 的压力,然后进入第一换热器 A. 从第一换热器出来的主流气中,大约有 60%~80%的气体分流到膨胀机,膨胀后的气体在第 二换热器 B 后面与返流气汇合。待液化气体则连续通过 B、C 换热器,最后通过节流阀进入 贮液器。贮液器的冷蒸气则通过各级换热器冷却后返回压缩机。 11、在克劳特系统中,膨胀阀不可缺少的原因? 因为在实际系统中不允许膨胀机中生成很多液体。 倘若在容积式膨胀机中的气缸 中存在液体,便会形成很高的瞬态应力。某些透平膨胀剂(轴流式)可以允许含有 15%或 更高的的液体而不致对透平叶片产生危害。

第五章 气体分离的原理与方法 ? 工业规模的气体分离主要依靠低温精馏、分凝分离、吸附分离和 吸收分离。 ? 气体的分离、提取或纯化过程在物理本质上都属同一概念,即把 混合物变为纯物质。 ? “分离”通常是把混合物中两种以上、含量相差不多的组分分开 成为产品,典型的例子有空气分离、天然气分离等; “提取”则主 要表示从混合物中选取其中最有价值的组分的操作,被提取的组 分在原料气中的含量可能较高,如从焦炉气或水煤气中提取氢和 氮,也可能含量很低,如从天然气中提取氦; “纯化”是把原料气 中的少量或微量杂质去处掉,如提供给医疗、微电子等行业使用 的高纯气体部经过不同工艺的提纯处理。 低温过程的主要工业应用包括气体的分离与纯化。液空精馏提供 主要的商业用氧、氮、氩、氖、氪和氙。当今大部分产品氦是从含氦 天然气经低温分离获得的。天然气中的低沸点组分,如甲烷、乙烷、 乙烯都经低温精馏达到分离与纯化。低温还可以用于从焦炉气和其他 不纯氢源中分离提取产品氢。用低温分离还可从氢制取同位素氘,进 而生产重水。 真空中气体沸点:O2(90.18K) 2(77.35K) ,N 。故 N2 更容易蒸 发。 ? 第二节 气体分离原理(重点) 问:混合物部分冷凝的基本原理?

根据混合物的性质,可用简单的冷凝或蒸发过程达到混合物的局 部分离。混合物部分冷凝时,液相中富集了高沸点(难挥发)组分, 气相中富集了低沸点(易挥发)组分。部分冷凝适用于混合物各组分 沸点差别较大的情况。 ? 例 5-2 把一种含有摩尔分数 79%的 N2 与摩尔分数 21%的 O2 的混合物,在 0.101MPa 压 力下冷却到 80K,试问混合物 在什么温度下发生冷凝?若在 80K 发生冷凝,试问有多少原 始混合物冷凝了?液相与气相中的组成如何?

解:从表 2-5 的数据采用内插法,可求得该混合物中的露点温度 为 81.7K,因此混合物自 81.7K 开始冷凝,而该混合物在相同压力下 的泡点温度为 78.9K,因此冷却到 80K 正好在两相区域。气液平衡时,

其液相组成由式(2-66)计算,即 x1= 式中, 1 和 K2 为 N2 、 2 的平衡常数, K O 可由表 2-4 查的 K1=1.3553, K2=0.3275. 将 K1 和 K2 代入上式,得 x1= = 0.654 ;x2=1.0-x1=0.346 气相组成由下式计算: y1=K1x1=0.886 y2=1.0-y1=0.114

冷凝分数可以通过一种组分的物料衡算求出,即 qm,FxF1=qm,Lx1+qm,Vy1= qm,Lx1+(qm,F- qm,L)y1 式中,qm,F 为冷凝前混合物的质量流量(kmol/h) F1 为该混合物中 ;x N2 的摩尔分数;qm,L、qm,V 为 80K 条件下液体与蒸气的质量流量 (kmol/h) 1、y1 为液相与气相中的摩尔分数(%) ;x 。 因此有 ==0.414

所以,混合物在 80K 时有 41.4%发生冷凝,冷凝液中 N2 的摩尔分数 为 0.654,而与之相平衡的气相中,N2 的摩尔分数为 0.886,这与图 5-3 的值一致的。 ? 由空气制取富氧空气 分凝法可以使混合气中易挥发组分的摩尔 分数提高,冷凝液中难挥发组分摩尔分数提高, 用分凝法可将空气分离为富氧空气和氮气。
1-空气入口; 2-分凝器管; 3-分凝器釜 4-节流阀; 5-氮气出口; 6-富氧空气出口 图8-1 分凝器示意图

? 精馏分离

图8-2 分离级示意图

? 多组分混合气的分级冷凝

天然气、石油气、焦炉 气以及合成氨驰放气都是 多组分混合气。实现它们的 分离往往需要在若干个分 离级中分阶段进行,在每一 级中组分摩尔分数将发生 显著变化。 多组分气体混合物当被冷却到某一温度水平时,进入一分离器, 将已冷凝组分分离出去, 然后再进入下一级冷凝器, 继续降温并分凝。 一个冷凝器和一个分离器组成一个冷凝级。 从工艺的角度来考虑, 冷凝级数主要是根据需回收组分的要求来 确定的,但同时要保证在分凝器中不会出现高沸点组分被冻结的现 象。
图8-6 液空多次蒸发和冷凝的示意图

从部分蒸发和部 分冷凝的特点可看 出,对于N2-O2混合物 的部分蒸发和部分冷 凝可以分别得到高纯 度的氧和高纯度的 氮,但不能同时获得 高纯度氧和高纯度氮。

? 而且两个过程的性质恰好相反:部分蒸发需外界供给热量,部分 冷凝则要向外界放出热量;部分蒸发不断在向外界释放蒸气,如 欲获得大量高纯度液氧,则需要相应地补充液体。而部分冷凝则 是连续地放出冷凝液,如欲获得大量高纯度气氮,则需要相应地 补充气体。 ? 如果将部分冷凝和部分蒸发结合起来,则可解决部分蒸发和部分 冷凝单独进行所不能解决的问题。 ? 多次的部分蒸发和部分冷凝过程的结合称为精馏过程。每经过一 次部分冷凝和部分蒸发,气体中氮组分就增加,液体中氧组分也 增加。这样经过多次便可将空气中氧和氮分离开。 【以下举例理解即可】 ? 三个容器I, III, II, 其压力均为98.1kPa。 在容器I内盛有含氧20.9% 的液空,容器II和III分别盛有含氧30%及40%的富氧液空,将空气 冷却到冷凝温度(82K)并通入容器III的液体中。 由于空气的温度比 含氧40%的液体的饱和温度(80.5K)高,所以空气穿过液体时得到 冷却,就发生部分冷凝;而液体被加热,就发生部分蒸发。当气 液温度相等时,与液体相平衡的蒸气中含氧只有14%O2。 ? 将此蒸气引到容器II,由于30%O2富氧液空的和温度(79.6K)比容 器III中的温度低, 所以从容器III引出的蒸气 (80.5K) 又继续冷凝, 同时使容器II中的液体蒸发。当蒸气与30%O2的液体达到平衡状 态时蒸气中氧的摩尔分数就变成9%O2。 ? 将此蒸气由容器II再引入容器I,再进行一次部分蒸发和部分冷凝

过程,则蒸气中氮又增加,含氧仅6.3%O2。 ? 在上述过程中,在气相氧组分减少的同时,液体中氧则增加,最 后气相中氮摩尔分数由79.1%提高到93.7%,而液体中氧摩尔分数 由10%提高到40%,气体的数量虽每次冷凝要减少一些,但同时 得到从液体中蒸发出来的气体,结果,气体的数量没有多少变化, 同样液体的数量也没有多少变化,这样多次进行下去,液相中氮 会更多地蒸发到气相中,而气相中氧会更多地冷凝进入液相中, 最后可获得足够数量的高纯度气氮和液氧。 ? 液体由容器I再引入容器II,由容器II再引入容器III的过程称为回 流,其目的是使整个部分蒸发和部分冷凝过程持久地进行。 ? 精馏是利用两种物质的沸点不同,多次的进行混合蒸气的部分冷 凝和混合液体的部分蒸发过程,来实现分离的目的。 ? 精馏过程的实质是:不平衡的气液两相,经过热质交换,气象多 次部分冷凝和液相多次部分汽化相结合的船只传热过程。 ? 实现精馏的必要条件:为了是精馏过程能够进行,必须具备以下 两个条件: (1)气液两相必须充分接触,精馏塔内装有多少层塔 板(或填料)就是提供气液接触的条件; (2)气液两相接触时, 上升的高温气相中的易挥发组分浓度要低于平衡时的浓度,而下 降的低温液相中的易挥发组分要高于平衡时的浓度,由于气液两 相不平衡,才能发生精馏作用。 ? 空气的精馏实在氧、氮混合物的气相与液相接触之间的热质交换 过程中进行的。

【以下内容逐字看,要理解: 】

? 林德双塔系统 林德单塔空气分离系统有两个不足之处: (1)只能获得纯 氧产品; (2)随污氮流失的氧气量较多。 ? 林德——富兰克系统【特点,回热器】 ? 海蓝德系统【原理,各个部件参数名称】

第六章 低温制冷机 1、斯特林循环(定容回热循环) :用于发动机、制冷机、热泵 2、斯特林的逆循环(斯特林制冷循环) :P-V 图、T-S 图 循环过程: 1—2 等温压缩过程:压缩活塞向左移动而膨胀活塞不动。气体被等温压缩,压缩热经冷 却器 A 传给冷却介质(水、空气) ,温度保持恒值 Ta。压力升高到 p2,容积减小到 V2. 2—3 定容放热过程:两个活塞同时向左移动,气体容积保持不变,即 V3=V2,直至压缩 活塞到达左止点。当气体通过回热器 R 时,将热传给填料,因而温度由 Ta 降低到 Tco, 同时压力由 p2 降低到 p3. 3—4 等温膨胀过程:压缩活塞停止在左止点,而膨胀活塞继续向左移动,直至左止点, 温度为 Tco 的气体进行等温膨胀,通过冷量换热器 C 从低温热源(冷却对象)吸收一定 热量 Q0(制冷量) 。容积增大到 V4,压力降低到 p4 4—1 定容吸热过程:两个活塞同时向右移动至右止点,气体容积保持不变。V1=V4,回 复到起始位置。当温度为 Tco 的气体流经回热器 R 时从回热器填料吸热,温度升高到 Ta, 同时压力增加到 p1。4—1 过程中气体吸收的热量等于 2—3 过程气体所放出的热量。 过程 3—4 是制冷过程,理论制冷量=膨胀功;过程 1—2 是放热过程,理论放热量=压缩 功;过程 2—3 是降温过程 3、G-M 制冷循环由等容充气、等压充气、等容放气、等压放气四个过程组成。 4、半导体制冷: 原理:也叫温差电制冷、热电制冷、电子制冷,是利用“塞贝克效应”的逆效应“帕尔 帖效应”达到制冷目的的。 帕尔帖效应:在两种不同金属组成的闭合线路中,若通以直流电,就会使一个接点变冷 另一个变热。当电偶对通以直流电时,帕尔帖效应产生的吸热量与电流 I 成正比。

为了达到更低的冷端温度,可用串联、并联及串并联的方法组成多级热电堆。 半导体制冷的特点:优点:1、不用制冷剂,故无泄漏、无污染、清洁卫生 2、无机械传动部分,故无噪音、无磨损、寿命长、可靠性高、维修方便 3、冷却速度与制冷温度可通过改变工作电流的大小任意调节,灵活性很大 4、可用改变电流方向来达到冷热端互换的目的,故用于高低温恒温器有独到之处 5、体积和功率都可做得很小 缺点:1、制冷效率低。要求的温差越大,所需的级数越多,制冷效率越低。 2、焊接强度低 3、需要直流电源 第八章 低温绝热与储运技术 1.绝热的目的和方法 在各种制冷及低温装置中, 凡是需要保持低温的房间或箱体、 在低温下工作的设备和管道, 都需要进行绝热。 目的:首先是为了减少由环境介质通过围护结构、容器壁及管壁传入的热量。其次,对于 需要保持低温的空调、冷藏、试验及气体分离装置,进行绝热有助于保持内部温度恒定,减 小温度波动范围。除此之外,对于低温下工作的容器、设备及管道进行绝热,还可以提高外 表面的温度,避免在外表面上结露或结霜,也可避免人的皮肤与之接触时有冷的感觉。 方法:普通绝热、真空绝热 2.多层绝热是当前绝热性能最好的绝热方式,常称为“超级绝热” ,现多用于液氦及液氢的 贮存及运输设备。 (航空航天) 3.绝热材料按其组织结构可分为泡沫状材料、粉末状材料及纤维状材料三类。 4.几种主要的绝热材料:软木、泡沫塑料、泡沫混凝土、矿棉、玻璃棉、珠光砂、碳酸镁、 气凝胶及硅胶粉 5.影响绝热材料导热系数的因数:温度、压力、密度、含湿量、环境气体。 6.绝热材料的选择:1.导热系数小、密度小;2.吸湿性小;3.抗冻性强;4.耐火性强;5.无气 味、不易腐烂、对热体无害,并能避免虫蛀鼠咬;6.机械强度高,经久耐用;7.能保持固定 的几何形状,便于加工和施工;8.价格低廉,易于获取和便于运输 7.绝热结构应符合如下要求:1.应坚固,不易脱落或损坏;2.有足够的厚度,以保证所要求 的绝热性能;3.应连成一片,以防止空气渗入或在某些地方形成“热桥” ;4.要能防潮,以 防止绝热性能降低


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