1、第四章 氣體制冷與液化循環(huán),有些應用低溫的場合，只是利用液化氣體來冷卻某些裝置或器件，即僅是利用低溫液體的氣化熱來冷卻部件和補償外界的漏熱，稱之為低溫液體制冷機。在這些情況下，低溫液體蒸發(fā)后蒸氣的顯熱（從沸點升溫至室溫所吸收的熱量）并不加以利用，這是不經(jīng)濟的 在有些場合，使用低溫液體是不方便的（例如在空間飛行器上的電子元件的冷卻等），人們設計了在一定溫度下得到一定冷量，但并不生產(chǎn)低溫液體的制冷機，用它來直接冷卻需保持在低溫的部件。因此，對于那些以制取冷量為目的的制冷循環(huán)，沒有液態(tài)產(chǎn)品從制冷機中輸出，稱之為低溫氣體制冷機 低溫氣體的制冷和液化循環(huán)有四種基本類型：節(jié)流循環(huán)、帶膨脹機的循環(huán)、利用氣體

2、制冷機的循環(huán)、及采用逐級冷卻的復疊循環(huán),4.1 節(jié)流循環(huán),節(jié)流循環(huán)是低溫技術(shù)中最基本的循環(huán)之一 由于節(jié)流循環(huán)的裝置結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，這就在一定程度上抵消了節(jié)流膨脹過程不可逆損失較大的缺點 主要介紹 簡單林德循環(huán) 有預冷的節(jié)流循環(huán) 林德雙壓循環(huán),4.1.1 一次節(jié)流循環(huán),次節(jié)流循環(huán)是最早在工業(yè)上采用的氣體液化循環(huán) 1895年德國林德和英國漢普遜分別獨立地提出了一次節(jié)流循環(huán)。因此也常稱之為簡單林德循環(huán)或漢普遜循環(huán)，或林德-漢普遜循環(huán)。 林德循環(huán)是指以高壓節(jié)流膨脹為基礎的氣體液化循環(huán)，其特點是循環(huán)氣體既能被液化又起冷凍劑作用,氣體在環(huán)境溫度下被等溫壓縮，并由冷卻介質(zhì)（如水、空氣等）帶走壓縮熱，在圖

3、上簡單地用等溫線12表示 壓縮氣體在換熱器內(nèi)被節(jié)流后的返流氣體冷卻到點3，這是一個等壓冷卻過程，在圖上用等壓線23表示 高壓氣體經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流膨脹至點4，此時有部分氣體被液化。在圖上節(jié)流過程用等焓線34表示 節(jié)流后末被液化的氣體及作為制冷機時由于吸收熱負荷后氣化的氣體，從貯液器（g點）引出，流經(jīng)換熱器被進入系統(tǒng)的壓縮氣體加熱到常溫（點1），返回到壓縮機入口。其復熱過程在圖上用g-1等壓線表示,壓縮機的需用功，可由在穩(wěn)定流動條件下壓縮機的熱平衡來確定,（4-1）,在等溫壓縮的條件下,式中：QR等溫壓縮過程與外界交換的熱量 W壓縮過程耗功,（4-2）,將式（5-2）帶入式（5-1），得,（4-3）,

4、對于制冷循環(huán)來說，假設除了節(jié)流閥外沒有不可逆壓力降，沒有漏熱，換熱器的效率為100%，可分別對貯液槽部分或?qū)Τ龎嚎s機之外的系統(tǒng)部分進行熱平衡。由此得出制冷系統(tǒng)的制冷量為,（4-4）,于是，一次節(jié)流制冷循環(huán)在理想條件下的制冷系數(shù)為,（4-5）,同樣，當該系統(tǒng)用作液化循環(huán)時，對換熱器、節(jié)流閥和貯液槽進行能量平衡，得,（4-6）,設液化率 ，則由式（4-6）可得,（4-7）,式中：hf 被液化氣體的比焓 qmf 從貯液槽中移出的液體流量,由此可知，在液化循環(huán)中，制冷量 Qo 被從貯液槽中移出的液體的 所取代，在這種情況下，只有在節(jié)流后未被液化的氣體通過換熱器返回到壓縮機,4.1.2 有預冷的一次節(jié)流

5、循環(huán),降低高壓空氣進換熱器的溫度對增加等溫節(jié)流效應、提高液化率起到一定的作用 若用一次節(jié)流循環(huán)液化轉(zhuǎn)化溫度低于環(huán)境溫度的氣體，就要求采用外部的輔助冷卻劑進行預冷，以提高循環(huán)的經(jīng)濟性 對于空氣節(jié)流液化循環(huán)，一般采用二氧化碳、氨、氮利昂（或替代工質(zhì)）制冷機組進行預冷，可使高壓空氣的溫度降低至4050，再進入換熱器。采用的輔助預冷劑的臨界溫度，應高于環(huán)境溫度，以使制冷劑與室溫下的空氣或冷卻水換熱后能冷凝 由于氖、氫和氦的轉(zhuǎn)化溫度分別為250K、205K和45K，因此液氮是H2和Ne液化系統(tǒng)的最佳預冷劑，液氫可用作氦液化系統(tǒng)的預冷劑,有預冷的林德循環(huán)流程圖及T-s 圖,圖,有預冷的空氣液化系統(tǒng)流程圖,

6、4.1.3 二次節(jié)流循環(huán),二次節(jié)流循環(huán)也叫林德雙壓循環(huán)（Dual-Pressure Process） 它是在循環(huán)中，將高壓氣體節(jié)流到某一中間壓力后，分成兩部分，一部分回收其冷量后再回到高壓壓縮機（這部分氣體稱為循環(huán)氣體），以提高高壓壓縮機的進氣壓力，減少功耗；另一部分氣體從中壓再次節(jié)流到低壓并獲得液體。這種具有部分循環(huán)氣體的液化循環(huán)，稱為二次節(jié)流循環(huán) 該循環(huán)可以減少液化需用功，因為在簡單林德循環(huán)中，只有壓縮氣體的很小部分被液化，節(jié)流后末被液化的大部分低壓氣體返回到壓縮機。雙壓循環(huán)中，部分壓縮氣體節(jié)流膨脹到中壓就返回壓縮機。雖然雙壓循環(huán)的液化率會有些降低，但其單位液體產(chǎn)品的功耗比簡單林德循環(huán)低。

7、然而，雙壓循環(huán)環(huán)增大了系統(tǒng)的復雜性，因而也降低了過程的可靠件,4.2 等熵膨脹循環(huán),在絕熱條件下，壓縮氣體進入膨脹機進行等熵膨脹并對外作功，可獲得較大的溫降及制冷量 采用氣體輸出外功等熵膨脹的循環(huán)，在氣體液化和分離設備中應用尤為廣泛。在作功的等熵膨脹中，氣體的溫度總是會降低的，因而制冷量并不取決于在膨脹前是否低于氣體的轉(zhuǎn)化溫度 在大型機器中，膨脹時所產(chǎn)生的功應加以回收。但對于小型制冷機，膨脹功通常消耗在功吸收裝置或過程中 與上述等熵膨脹概念對應的是西蒙氦液化器,等熵膨脹循環(huán)流程圖及 T-s 圖,西蒙氦液化器,西蒙氦液化器被用以生產(chǎn)少量的液氦，利用絕熱放氣原理制冷。雖然這一制冷過程為一不可逆過程

8、，但容器內(nèi)工質(zhì)的比熵不變,循環(huán)過程1 過程l2：將高壓氦氣充入厚壁容器，氦氣的壓力大約為15MPa，溫度為環(huán)境溫度,循環(huán)過程2 過程23：用液氮將容器和高壓氦氣冷卻到77K，在冷卻過程中繼續(xù)對容器充氣，以維持容器內(nèi)壓力不變,循環(huán)過程3 過程34：一旦達到液氮溫度時，就將原來在真空空間中的氦氣抽走，然后在液氫空間中注入液氫，將其中的氦氣置換出來。于是內(nèi)容器及其中的氦氣被冷卻到液氫溫度20.4K,循環(huán)過程4 過程45：對液氫抽空，使壓力降低到其三相點以下，內(nèi)容器及其15MPa的氦氣被進一步冷卻到1012K。,循環(huán)過程5 過程56：最后，開啟氦氣排放閥，將氦的壓力從15MPa降低至0.101MPa。

9、由于保留在容器中的氦對排放出的氦氣做功，該過程基本上是等熵膨脹過程，能使容器中80%100%的氦氣液化。,4.3 等焓膨脹和等熵膨脹的組合循環(huán),采用節(jié)流閥膨脹在熱力學上是一個不可逆過程 采用膨脹機的等熵膨脹，可獲得比等焓膨脹低得多的溫度 現(xiàn)在工業(yè)上應用的大多數(shù)制冷和液化裝置都采用等焓膨脹和等熵膨脹的組合循環(huán)，以期在貯液器中獲得更多的低溫液體。這通常是為了避免因膨脹機中生成液體而帶來麻煩 克勞持循環(huán)就是典型的具有等焓膨脹和等熵膨脹的組合循環(huán) （Combination of Isenthalpic and Isentropic Expansion ）,克勞特循環(huán),1902年，法國的克勞特首先實現(xiàn)了

10、帶有活塞式膨脹機的空氣液化循環(huán) 在克勞特系統(tǒng)中，氣體首先被壓縮到大約 4MPa 的壓力，然后進入第一換熱器 A。從第一換熱器出來的主流氣中，大約有60%80%的氣體分流到膨脹機，膨脹后的氣體在第二換熱器 B 后面與返流氣匯合。待液化氣體則連續(xù)通過 B、C 換熱器，最后通過節(jié)流閥進入貯液器。貯液器的冷蒸氣則通過各級換熱器冷卻后返回壓縮機 在克勞持系統(tǒng)中，膨脹閥仍是不可缺少的、因為在實際系統(tǒng)中不允許膨脹機中生成很多液體。倘若在容積式膨脹機中的氣缸中存在液體，便會形成很高的瞬態(tài)應力。某些透平膨脹機（軸流式）可以允許含有15%或更高的液體而不致對透平葉片產(chǎn)生危害,克勞特循環(huán)流程圖及T-s圖,在克勞特循環(huán)中，高壓氣體壓力 p2，進入膨脹機的氣量 me，以及進膨脹機的高壓氣體溫度 T3 等參數(shù)，不僅影響循環(huán)的性能指標制冷量、液化率和需用功等，還會影響系統(tǒng)中換熱器的工況。現(xiàn)討論如下： 當p2和T3不變時，增大膨脹量me ，膨脹機的產(chǎn)冷量隨之增大，循環(huán)的制冷量及液化率相應增加。但過分增大時，由于進入節(jié)流閥的氣量太少，會導致制冷量過剩，使第二換熱器偏離正常工況，或造成不必要的冷量損失 當me和T3一定時，提高高壓氣體壓力p2 ，等溫節(jié)流效應和膨脹機的單位制冷量均增大，液化率或制冷量增大。但過分提高，會造成冷量過剩，冷損增大，進而使能耗增大 當p2和me一定時，提