1、低溫制冷技術(shù)最新進(jìn)展作業(yè) 姓名：李科 學(xué)號(hào)：3115014002 班級(jí)：碩 5015 院系：制冷與低溫工程系第一章低溫制冷技術(shù)概述 1.低溫制冷技術(shù)所涉及的溫度范圍是那些？主要的工程應(yīng)用價(jià)值何在？ 制冷是指用人工的方法在一定時(shí)間和一定空間內(nèi)將物體冷卻， 使其溫度降低到環(huán)境溫度以下，保持并利用這個(gè)溫度。按照所獲得的溫度，通常將制冷的溫度范圍劃分為以下幾個(gè)領(lǐng)域：120K 以上，普冷；（1200.3）K,深冷（又稱低溫）；0.3K 以下，極低溫。 制冷和低溫技術(shù)的溫度范圍細(xì)分的話會(huì)有很多個(gè)小范圍， 每一個(gè)范圍的工程應(yīng)用列舉如下： 300-273K,用于熱泵、冷卻裝置、空調(diào)裝置。 273-263K,苛

2、性鉀結(jié)晶、冷藏運(yùn)輸、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的滑冰裝置。 263-240K,冷凍運(yùn)輸、食品長(zhǎng)期保鮮、燃?xì)猓ū榈龋┮夯b置。 240-223K,滾筒裝置的光滑凍結(jié)、礦井工作面凍結(jié)。 223-200K,低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、制取固體二氧化碳（干冰）。 200-150K,乙烷、乙烯液化、低溫醫(yī)學(xué)和低溫生物學(xué)。 150-100K,天然氣液化 100-50K,空氣液化、分離，稀有氣體分離，合成氣分離、氫氣極其氮?dú)膺€原，液氧、夜氨、空間低溫環(huán)境模擬（熱沉）。 50-15K,凝氣和氫氣的液化，宇航員出艙空間真空環(huán)境模擬（氮低溫泵）。 15-4K,超導(dǎo)，氮?dú)庖夯?4-10-63He 的液化、4He 超流性，Josephson 效

3、應(yīng)、測(cè)量技術(shù)、物理研究。 3.低溫制冷技術(shù)的主要內(nèi)容包括哪些方面（如：液化、分離、環(huán)境、真空等）？舉出兩個(gè)例子說(shuō)明之。 研究?jī)?nèi)容可以概括為以下四個(gè)方面： （1）研究獲得低于環(huán)境溫度的方法、機(jī)理以及與此對(duì)應(yīng)的循環(huán)，并對(duì)循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)的分析和計(jì)算。 （2） 研究循環(huán)中使用的工質(zhì)的性質(zhì)， 從而為制冷機(jī)和低溫裝置提供合適的工作介質(zhì)。因工質(zhì)在循環(huán)中發(fā)生狀態(tài)變化，所以工質(zhì)的熱物理性質(zhì)是進(jìn)行循環(huán)分析和計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。止匕外，為了使這些工質(zhì)能實(shí)際應(yīng)用，還必須掌握它們的一般物理化學(xué)基礎(chǔ)。 （3）研究氣體的液化和分離技術(shù)。例如液化氧、氮、氫、氮等氣體，將空氣或天然氣液化、分離，均涉及一系列的制冷和低溫技術(shù)。 （4

4、）研究所需的各種機(jī)械和設(shè)備，包括它們的工作原理、性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 此外還有熱絕緣問(wèn)題，裝置的自動(dòng)化問(wèn)題，等等。 上述前三個(gè)方面構(gòu)成制冷與低溫技術(shù)原理的基本研究?jī)?nèi)容，第四方面涉及具 體的設(shè)備和裝置。 天然氣、石油氣、焦?fàn)t氣以及合成氨馳放氣都是多組分混合氣。實(shí)現(xiàn)它們的分離往往需要在若干個(gè)分離級(jí)中分階段進(jìn)行，在每一級(jí)中組分摩爾分?jǐn)?shù)將發(fā)生顯 著變化，如圖 8-2 所示。多組分氣體混合物當(dāng)被冷卻到某一溫度水平時(shí)，進(jìn)入一分離器，將已冷凝組分分離出去，然后再進(jìn)入下一級(jí)冷凝器，繼續(xù)降溫并分凝。一個(gè)冷凝器和一個(gè)分離器組成一個(gè)冷凝級(jí)。從工藝的角度來(lái)考慮，冷凝級(jí)數(shù)主要是根據(jù)需回收組分的要求來(lái)確定的，但同時(shí)要保證

5、在分凝器中不會(huì)出現(xiàn)高沸點(diǎn)組分被凍結(jié)的現(xiàn)象。比如采用分凝法分離合成氨馳放氣 H2-N2-Ar-CH4各組分的分凝 如圖 1 所示，當(dāng)壓力為 3000Kpa 左右，要求回收純度較高的甲烷，富氮儲(chǔ)份及純氫時(shí)，可分三級(jí)進(jìn)行：第一級(jí)冷凝溫度控制在 150K 左右，分離后得到純度較高 的甲烷凝液；第二級(jí)終了溫度控制在 120K 左右，分離后得到富氮凝份，第三級(jí)終了溫度控制在 63K 左右，可獲得較高純度的氫氣。 冷物流TT冷! I! 圖 1 分離級(jí)示意圖 制冷循環(huán)使用的現(xiàn)有工質(zhì)不能滿足環(huán)保要求，需要尋求替代工質(zhì)。在受限制的 5 種 cFcs 制冷劑中，首當(dāng)其沖的是 R12。R12 自1931 年問(wèn)世以來(lái)，

6、 除了近來(lái)發(fā)現(xiàn)它對(duì)大氣臭氧層的破壞作用外， 一直是一種很理想的制冷劑。它具有不燃、無(wú)毒、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱力學(xué)性質(zhì)優(yōu)良，與潤(rùn)滑油互溶、對(duì)金屬不腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種家用冰箱、食品冷藏冷凍設(shè)備，中小型冷庫(kù)、冷藏運(yùn)輸設(shè)備及空調(diào)設(shè)備中。并且由于長(zhǎng)期的應(yīng)用和發(fā)展，已使 R12 系統(tǒng)中各種部件，發(fā)展到了十分完善的程度。限制 R12 的使用到最終停止使用，無(wú)疑將對(duì)制冷空調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)及使用產(chǎn)生巨大影響。因此積極開(kāi)展 R12 替代工質(zhì)的研究，是當(dāng)前制冷空調(diào)行業(yè)中十分緊迫的任務(wù),0 第二章低溫制冷技術(shù)發(fā)展回顧 2.杜瓦技術(shù)有何作用？它的發(fā)明意義何在？ 杜瓦瓶是一個(gè)雙層玻璃容器， 兩層玻璃膽壁都涂滿銀， 然后

7、把兩層壁間的空氣抽掉，形成真空。兩層膽壁上的銀可以防止輻射散熱，真空能防止對(duì)流和傳導(dǎo)散熱，因此盛在瓶里的液體，溫度不易發(fā)生變化。后來(lái)，伯格用鍥制造外殼，保護(hù)易碎的玻璃瓶膽。杜瓦瓶的絕熱保溫性能良好，解決了低溫液體的儲(chǔ)藏問(wèn)題。 冷物流 去下一嫌 4.查找具有標(biāo)志性的國(guó)際、國(guó)內(nèi)發(fā)展歷史見(jiàn)證點(diǎn)（如機(jī)構(gòu)的成立、重大研究進(jìn)展、新技術(shù)突破） 現(xiàn)代的制冷技術(shù)，是 18 世紀(jì)后期發(fā)展起來(lái)的。在此之前，人們很早已懂得冷的利用。我國(guó)古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降溫。馬可波羅在他的著 作馬可波羅游記中，對(duì)中國(guó)制冷和造冰窖的方法有詳細(xì)的記述。 1755 年愛(ài)丁堡的化學(xué)教師庫(kù)侖利用乙醴蒸發(fā)使水結(jié)冰。他的學(xué)生布拉克從

8、本質(zhì)上解釋了融化和氣化現(xiàn)象，提出了潛熱的概念，并發(fā)明了冰量熱器，標(biāo)志著現(xiàn)代制冷技術(shù)的開(kāi)始。 在普冷方面，1834 年發(fā)明家波爾金斯造出了第一臺(tái)以乙醴為工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷機(jī)，并正式申請(qǐng)了英國(guó)第 6662 號(hào)專(zhuān)利。這是后來(lái)所有蒸氣壓縮式制冷機(jī)的雛型，但使用的工質(zhì)是乙醴，容易燃燒。到 1875 年卡利和林德用氨作制冷 劑，從此蒸氣壓縮式制冷機(jī)開(kāi)始占有統(tǒng)治地位。 在此期間，空氣絕熱膨脹會(huì)顯著降低空氣溫度的現(xiàn)象開(kāi)始用于制冷。1844 年，醫(yī)生高里用封閉循環(huán)的空氣制冷機(jī)為患者建立了一座空調(diào)站，空氣制冷機(jī)使 他一舉成名。威廉西門(mén)斯在空氣制冷機(jī)中引入了回?zé)崞鳎岣吡酥评錂C(jī)的性能。1859年，卡列發(fā)明了氨水吸

9、收式制冷系統(tǒng)，申請(qǐng)了原理專(zhuān)利。 1910 年左右，馬利斯萊蘭克發(fā)明了蒸氣噴射式制冷系統(tǒng)。 到 20 世紀(jì)，制冷技術(shù)有了更大發(fā)展。全封閉制冷壓縮機(jī)的研制成功（美國(guó)通用電器公司） ； 米里杰發(fā)現(xiàn)氟里昂制冷劑并用于蒸氣壓縮式制冷循環(huán)以及混合制冷劑的應(yīng)用；伯寧頓發(fā)明回?zé)崾匠凉衿餮h(huán)以及熱泵的出現(xiàn)，均推動(dòng)了制冷技 術(shù)的發(fā)展。 在低溫方面，1877 年卡里捷液化了氧氣；1895 年林德液化了空氣，建立了空氣分離設(shè)備；1898 年杜瓦用液態(tài)空氣預(yù)冷氫氣，然后用絕熱節(jié)流使氫氣成為液體，溫度降至20.4K;1908 年卡末林昂納斯用液態(tài)空氣和液態(tài)氫預(yù)冷氮?dú)猓儆媒^熱節(jié)流將氮液化，獲得 4.2K 的低溫。杜瓦于

10、1892 年發(fā)明的杜瓦瓶，用于貯存低溫液體，為低溫領(lǐng)域的研究提供了重要條件。 1934 年，卡皮查發(fā)明了先用膨脹機(jī)將氮?dú)饨禍兀儆媒^熱節(jié)流使其液化的氮液化器；1947 年柯林斯采用雙膨脹機(jī)于氮的預(yù)冷。大部分的氮液化器現(xiàn)已采用膨脹機(jī)，在制冷技術(shù)的開(kāi)發(fā)和實(shí)際使用中獲得廣泛的應(yīng)用。 新的降低溫度方法的發(fā)明，擴(kuò)大了低溫的范圍，并進(jìn)入了超低溫領(lǐng)域。德拜和焦克分別在 1926 年和 1927 年提出了用順磁鹽絕熱退磁的方法獲取低溫， 應(yīng)用此方法獲得的低溫現(xiàn)已達(dá)到（1X10-35X10-3）K;由庫(kù)提和西蒙等提出的核子絕熱去磁的方法可將溫度降至更低，庫(kù)提用此法于 1956 年獲得了 20X10-3K。 19

11、51 年倫敦提出并于 1965 年研制出的 3He-4He 混合液稀釋制冷法，可達(dá)到4X103K;1950 年泡墨朗切克提出的方法，利用壓縮液態(tài) 3He 的絕熱固化，達(dá)到1X10-3K0 第三章低溫制冷技術(shù)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系-交叉學(xué)科的產(chǎn)生與發(fā)展 2 .以材料學(xué)科為例， 說(shuō)明低溫制冷技術(shù)對(duì)其影響和促進(jìn)作用。 在哪些方面產(chǎn)生了比較大的變化和進(jìn)步？ 陶瓷及陶瓷復(fù)合物（如熔融石英、穩(wěn)定氧化培、硼化鈦、氧化硅等）具有一系列優(yōu)良性質(zhì)：比鋼輕、強(qiáng)度和韌性好、耐磨、導(dǎo)熱系數(shù)小、表面光潔度高。將陶瓷用燒結(jié)法滲入溶膠體制成零件或用作零件的表面涂釉，可改善零件的性能。 聚合材料（工程塑料、合成橡膠和復(fù)合材料）用于制

12、冷產(chǎn)品中作為電絕緣材料、減振件和軟管材料；利用聚合材料的熱塑性，以新工藝通過(guò)熱定型的方法制造壓縮機(jī)中的復(fù)雜零件（轉(zhuǎn)子、閥片等）。這些新材料的應(yīng)用，帶來(lái)產(chǎn)品性能、壽命的提高和成本的降低。 3 .查找與低溫制冷技術(shù)相關(guān)的交叉學(xué)科和新興學(xué)科 低溫制冷技術(shù)與其他學(xué)科交叉融合，相輔相成。 （1）微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用 機(jī)電一體化”浪潮給制冷技術(shù)以巨大推動(dòng)。 基礎(chǔ)研究方面：計(jì)算機(jī)仿真制冷循環(huán)始于 1960 年。如今，普冷和低溫領(lǐng)域中的各種循環(huán)，如：焦湯節(jié)流制冷循環(huán)（JT 循環(huán)）、斯特林制冷循環(huán)、維勒米爾循環(huán)（VM循環(huán)）、吉福特麥克馬洪循環(huán)（GM 循環(huán)）、索爾文循環(huán)（SV 循環(huán)）、逆向布雷頓循環(huán)、脈管式循

13、環(huán)、吸收式制冷循環(huán)、熱電制冷循環(huán)；利用聲制冷、光制冷、化學(xué)方法制冷的各種循環(huán)；以及各種新型的混合型循環(huán)，如：熱聲斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小型脈管制冷機(jī)的循環(huán)均廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)于循環(huán)研究。研究制冷系統(tǒng)的熱物理過(guò)程、系統(tǒng)及部件的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性以及單一工質(zhì)和混合工質(zhì)的性質(zhì)等等，也離不開(kāi)微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。 在制冷產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造上：計(jì)算機(jī)現(xiàn)已廣泛用于產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)和制造（CAD,CAM）。例如：結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)的有限元法和有限差分法以及用計(jì)算機(jī)控制精密機(jī)械加工。 計(jì)算機(jī)和微處理器對(duì)制冷技術(shù)的最大影響在于高級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。這 是一項(xiàng)綜合技術(shù)，涉及到先進(jìn)的控制方法、可靠的集成塊芯片及專(zhuān)門(mén)的控制模塊、

14、精良的傳感器。當(dāng)前制冷系統(tǒng)采用電腦控制已極為普遍，控制模式正在發(fā)生變化，由簡(jiǎn)單的機(jī)械式控制發(fā)展到綜合控制，為提高產(chǎn)品性能作出貢獻(xiàn)。 （2）機(jī)器、設(shè)備的發(fā)展 為滿足各種用冷的需要，新產(chǎn)品不斷推出，商品化程度不斷提高。 壓縮機(jī)以高效、可靠、低振動(dòng)、低噪聲、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低為追求目標(biāo)，由往復(fù)式向回轉(zhuǎn)式發(fā)展。如新型螺桿式壓縮機(jī)、渦旋式壓縮機(jī)、擺線式壓縮機(jī)等，都具有優(yōu)良特性和競(jìng)爭(zhēng)力。 在壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置上，將變頻器用于空調(diào)、熱泵及集中式制冷系統(tǒng)的變速驅(qū)動(dòng)，帶來(lái)了節(jié)能效果。 在低溫機(jī)器和設(shè)備方面，前述各種低溫循環(huán)雖早已提出，但近年來(lái)生產(chǎn)開(kāi)發(fā) 的產(chǎn)品在溫度，制冷量、啟動(dòng)速度、可靠性、能耗、體積等方面均有長(zhǎng)足

15、的進(jìn)步。現(xiàn)在，氮液化器多數(shù)為膨脹型， 中型的為雙膨脹機(jī)組成的柯林斯機(jī)器， 大型的采用透平膨脹機(jī)。輻射制冷、 固態(tài)制冷已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。 利用 3He-4He 混合稀釋制冷原理的低溫制冷機(jī)已經(jīng)商品化，可作為磁制冷機(jī)的預(yù)冷設(shè)備。各種氣體分離設(shè)備，熱交換器，低溫恒溫器也在高效、緊湊、可靠等方面取得很大的進(jìn)展。 （3）工質(zhì) 繼氟里昂和共沸混合工質(zhì)之后，由于 1970 年石油危機(jī)，節(jié)能意識(shí)提到重要地位，在開(kāi)發(fā)新工質(zhì)上引人注目地研究出一系列非共沸工質(zhì)，收到了節(jié)能的效果和滿足一些特定需要。 由于臭氧耗損和溫室效應(yīng)引起了嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，導(dǎo)致了 80 年代末開(kāi) 始全球禁止 CFC 幽質(zhì)，進(jìn)而波及到 HCFCfe

16、 物質(zhì)，這既是一次歷史性的沖擊，同時(shí)又提供了新的發(fā)展機(jī)遇。近年來(lái)在替代工質(zhì)開(kāi)發(fā)及其熱物理性質(zhì)研究方面取得的成就即是證明。 當(dāng)工質(zhì)處于很低溫度時(shí)，其量子特性變得十分重要，必須考慮其量子效應(yīng)，此時(shí)循環(huán)的性能系數(shù)和制冷量不同于經(jīng)典表達(dá)式，而需要通過(guò)對(duì)量子熱力循環(huán)的研究得出。 制冷和低溫技術(shù)是充滿勃勃生機(jī)的學(xué)科和工業(yè)領(lǐng)域。巨大的市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力和新技術(shù)的交叉滲透為它開(kāi)辟了廣闊的發(fā)展天地。 第四章低溫制冷技術(shù)在現(xiàn)代科技中的作用 3.超導(dǎo)技術(shù)與低溫制冷技術(shù)有何關(guān)系？低溫超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)分別工作在那個(gè)溫區(qū)？?jī)煞N超導(dǎo)體目前的主要用途是什么？ 低溫制冷技術(shù)可以提供超導(dǎo)技術(shù)所需要的溫區(qū)。 低溫超導(dǎo)一般是在 Tcin 2

17、4MM慚14 撲壓結(jié)，口增Ui/HMFH 3 院西揩化旄團(tuán)公司 1KWKI/1做*。知 1 也體流限設(shè)訃、空冷系標(biāo).仆小靜師化鰥.力佛塔桑軸c含制區(qū)系統(tǒng)，.腳脹機(jī) 2 01(M26 內(nèi)北粕；ajNTa 5 天建綱就由同 2KftKl/ZKUdft-UMI 2 應(yīng)體流程也ihI 冷泵標(biāo).先了才吊杷帖甄班.J?愉塔奈軸.磁服樸 2mOft15 內(nèi)壓物 3iWfl 7 山東陽(yáng)魯祥光崩也公司 3*OCM115000.-920 1 思體流程徒計(jì).空冷奈統(tǒng).步了臨葩小標(biāo)統(tǒng).外甯借靠紈t曾削泣卷好八腳玄機(jī) IDOS.0117 外體斯，riiti H-ft15MFa W q修山劑法蒙司 iDOCMl-35IJ

18、00, 1 總體/程段計(jì)，堂掙最茹，牙子蹄蛇就星細(xì)，分號(hào)塔泰統(tǒng)t含如.氯,氨.粗等1 2D01據(jù)1拜 內(nèi)壓靴 J(JMPm 7 中石此洞北化肥 1 總體淞程設(shè)計(jì).過(guò)期器.空囁機(jī).瘠住機(jī).空冷乾統(tǒng),分子褥跳化素觀，分怪塔票虢，眩技機(jī) 2CMJ1J204 內(nèi)體相f 4SZMPJ 谷 中石化交黑石 化 4加(心JUUOtt-1220 1 總體沌哲世計(jì).過(guò)能居.卡*m.峭JK班，空冷累的，力子陰純化系線，力用矯系統(tǒng)，咪機(jī) 2001J204 內(nèi)切物 4.52Mpii g 中驚大優(yōu) 52WKt611。*1皿 1 總體流程設(shè)ihm渡鼎，交JKBI.墻空心系鯉.分廣設(shè)坤化賓航.分帝塔系軸.X輒.敏仁仃黎曲喜岷

19、機(jī) i(HJ4m2H 內(nèi)JK端.軾 5.2MTa. 乳 KHMJ*a 10 出口席目 Mm-小帕餐切o * 總體之計(jì)，過(guò)罐器，交樂(lè)UL增雁機(jī).空冷親統(tǒng).甘廣彩甄化系統(tǒng)，分值塔嘉解.廊覽機(jī) 2O(k51 內(nèi)樂(lè)物 455MJ 石化行業(yè)對(duì)氧、氮產(chǎn)品的壓力要求一般在 4.0MPa（G 下同）到 10.0MPa 之間,其所需的空分設(shè)備規(guī)模也多數(shù)在 30000m 處等級(jí)以上， 對(duì)空分設(shè)備的各種產(chǎn)品的要求繁多，往往會(huì)同時(shí)要求生產(chǎn)不同流量、多種壓力等級(jí)的氧氣和氮?dú)狻Ｒ虼藢?duì)于石行行業(yè)的用戶來(lái)說(shuō)，采用內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備是較好的選擇。 冶金行業(yè)一般對(duì)氧、氮產(chǎn)品的壓力要求在 3.0MPa 左右。由于杭氧成功應(yīng)用了自行

20、設(shè)計(jì)制造的氧氣透平壓縮機(jī)，所以常規(guī)的外壓縮流程空分設(shè)備仍然是冶金行業(yè)用戶的主要選擇。當(dāng)然，如果冶金行業(yè)的用戶同時(shí)要銷(xiāo)售液體產(chǎn)品，內(nèi)壓縮流程也是可供選擇的方案。 5 .明國(guó)內(nèi)外大型天然氣液化設(shè)備的技術(shù)水平和發(fā)展方向。 縱觀世界 LNG 技術(shù)與裝備的發(fā)展，經(jīng)歷了裝置規(guī)模由小到大、工藝技術(shù)不斷進(jìn)步、設(shè)備性能逐步提高、控制水平突飛猛進(jìn)、成套能力日益增強(qiáng)的過(guò)程。從 1976 年，由原機(jī)械工業(yè)部投資組建四川深冷設(shè)備研究所開(kāi)始，我國(guó)天然氣液化工藝技術(shù)不斷發(fā)展，尤其到 2008 年，以中海油大型 LNG 技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目為依托，國(guó)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備制造優(yōu)秀企業(yè)密切合作，于 2010 完成了大型天然氣液化工藝及關(guān)鍵設(shè)

21、備技術(shù)包括液化工藝包、冷箱、冷劑壓縮機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器、儀控系統(tǒng)、部分低溫閥等的研發(fā)，走出了一條LNG 裝備國(guó)產(chǎn)化之天然氣液化設(shè)備 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)四川空分設(shè)備（集團(tuán)）有限責(zé)任公司副總經(jīng)理謝波路。從 2010 年至今，包括華氣安塞 200 萬(wàn)方/天，張家口國(guó)儲(chǔ) 100 萬(wàn)方/天，山東泰安 260 萬(wàn)方/天，內(nèi)蒙古興圣 200 萬(wàn)方/天、 湖北黃岡新捷 500 萬(wàn)方/天等多套國(guó)產(chǎn)化的百萬(wàn)方級(jí)天然氣液化裝置已經(jīng)調(diào)試投產(chǎn)。 目前，受限于當(dāng)前國(guó)際油價(jià)的波動(dòng)和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響，國(guó)內(nèi)管道大 然氣液化需求呈下降趨勢(shì)，但是作為海上油氣資源開(kāi)發(fā)的新型應(yīng)用設(shè)備一一海上浮式液化裝置近年來(lái)受到重視并相繼進(jìn)行

22、了大量研制工作；為節(jié)能減排，對(duì)于化 工尾氣、焦?fàn)t尾氣的回收處理也是天然氣液化領(lǐng)域的一個(gè)分支；此外隨著頁(yè)巖氣 開(kāi)采技術(shù)的成熟，都將對(duì)我國(guó)天然氣的氣源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。 新形式下，應(yīng)該積極實(shí)施我國(guó)天然氣“利用海外”發(fā)展戰(zhàn)略，走出國(guó)門(mén)，開(kāi)發(fā)利用海外資源，液化世界天然氣，確保我國(guó) LNG 進(jìn)口戰(zhàn)略通道建設(shè)和運(yùn)行安 全，為我國(guó)能源的安全和清潔作出更大貢獻(xiàn)。 天然氣液化行業(yè)至今已歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，液化裝置的規(guī)模和所采用的工藝流程均發(fā)生了顯著變化。液化工藝技術(shù)日漸成熟，且工藝多樣、百家爭(zhēng)鳴，除 Lique 巾 n流程尚未得到應(yīng)用外，C3MRAP-XTMMRMFC 等混合冷劑流程及優(yōu)化級(jí)聯(lián)流程均在大型液化

23、裝置上得到成功應(yīng)用。裝置規(guī)模不斷擴(kuò)大，單線生產(chǎn) 能力不斷提高，從建設(shè)初期不足 0.5Mt/a,發(fā)展到今天的單線產(chǎn)能最大 7.8Mt/a。然而，裝置規(guī)模的發(fā)展并不是一味追求規(guī)模最大化，而是在朝著根據(jù)實(shí)際情況兼 顧操作靈活性、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力及設(shè)備檢維修停產(chǎn)等方面問(wèn)題，追求項(xiàng)目全生產(chǎn)周 期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益最大。目前在建和擬建的大型液化裝置規(guī)模在 3.06.5Mt/a 較寬泛的范圍內(nèi)。止匕外，現(xiàn)今海洋天然氣資源的開(kāi)發(fā)和極地地區(qū)天然氣資源的開(kāi)發(fā)是天然氣資源開(kāi)發(fā)利用的新動(dòng)向，隨之刺激了液化工藝技術(shù)和裝置建設(shè)的進(jìn)一步。 第七章低溫液體的儲(chǔ)藏與運(yùn)輸技術(shù) 3 .低溫容器的結(jié)構(gòu)有何特點(diǎn)？低溫傳輸管道有哪些主要技術(shù)？

24、對(duì)于低溫壓力容器首先要選用合適的材料，這些材料在使用溫度下應(yīng)具有良好的韌性。經(jīng)細(xì)化晶粒處理的低合金鋼可用到-45C,2.5%鍥鋼可用到-60C, 3.5%鍥鋼可用到-104C,9%鍥鋼可用到-196C。低于-196C 時(shí)可選用奧氏體不銹鋼和鋁合金等。為了避免在低溫壓力容器上產(chǎn)生過(guò)高的局部應(yīng)力，在設(shè)計(jì)容器時(shí)應(yīng)避免有過(guò)高的應(yīng)力集中和附加應(yīng)力；在制造容器時(shí)應(yīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)，以防止容器中存在危險(xiǎn)的缺陷。對(duì)于因焊接而引起的過(guò)大殘余應(yīng)力，應(yīng)在焊后進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力處理。絕熱保溫貯槽分為真空粉末絕熱型和常壓粉末絕熱型，粉末絕熱，利用低熱導(dǎo)率的粉末、纖維或泡沫材料來(lái)減少熱量傳入。分兩種形式：一種是在大氣壓下應(yīng)用普

25、通粉末絕熱（堆積絕熱），絕熱層較厚，并充入干燥氮?dú)饩S持正壓，以防止水分進(jìn)入和冷凝，最低可時(shí)適用于液氮溫度以上；另一種真空粉末絕熱，即對(duì)填裝粉末的空間抽真空，減少了氣體傳熱，同時(shí)粉末顆粒也削弱輻射傳熱，使絕熱效果更好。 真空粉末貯槽為雙層圓筒結(jié)構(gòu)、內(nèi)筒及其配管均用奧氏不銹鋼制造，外殼用炭鋼制造，夾層充滿膨脹珍珠巖（又稱珠光砂）同時(shí)設(shè)置了經(jīng)過(guò)特殊處理的吸附劑，并抽成高真空度（0.56Pa）,容量為 200m3 以下。工作壓力較高（四車(chē)間鋼包底吹量?jī)蓚€(gè)儲(chǔ)槽工作壓力為 2.0Mpa）,槽外有氣化器，既可使槽內(nèi)升壓便于充車(chē)，又可直接送出壓力氣。按用途可分為固定式和運(yùn)輸式兩種，固定式主要用于低溫液體的貯存

26、，它安裝在低溫液體的生產(chǎn)地、使用點(diǎn)或供應(yīng)站；運(yùn)輸式將低溫液體從生產(chǎn)地或供應(yīng)站運(yùn)往使用點(diǎn)，常有陸運(yùn)、水運(yùn)等形式，他們分別稱為槽車(chē)、拖車(chē)及槽船。 低溫液體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，如果整個(gè)輸送過(guò)程完全維持為單相的液體狀態(tài)，那么這種流動(dòng)稱為平相流動(dòng)”。也就是說(shuō)單相流動(dòng)，要求低溫液體輸送到用戶時(shí)剛好處于飽和狀態(tài)。考慮到輸液管道的外熱影響，因此液體在進(jìn)入輸液管時(shí)應(yīng)當(dāng)是處在過(guò)冷狀態(tài)，否則滿足不了這一要求。為實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的單相流動(dòng)，一般采用 液體經(jīng)加壓預(yù)冷后再送入管道進(jìn)行輸送，其原理流程見(jiàn)圖 1。先將壓力為 PR溫度為 TR的飽和液體從點(diǎn) R 加壓至 PS壓力的點(diǎn) H（TH）,然后采用部分未經(jīng)加壓的液體（PR,TR）進(jìn)

27、行冷卻，使溫度從 TH降至 TG,此時(shí)液體已被過(guò)冷，然后送入輸液管道。在輸送過(guò)程中由于外熱及阻力降力的關(guān)系，液體的壓力從自降至 PL,溫 度由 TG升高至 TL并達(dá)到飽和狀態(tài)。線段 GL 即為液體在輸送過(guò)程的狀態(tài)變化 線，最后液體從飽和狀態(tài)點(diǎn) L 等烙節(jié)流至 O 點(diǎn)進(jìn)入貯液槽。 為減少低溫液體在輸送過(guò)程中的冷量損失，目前在工程上采用下列幾種絕熱方式：（1）包扎多孔絕熱材料；（2）粉末真空；（3）高真空或高真空多層絕熱。雖然采取了這些絕熱措施，低溫輸液管仍存在著；金屬元件引起的熱傳導(dǎo)、真空夾層中殘留氣休分子運(yùn)動(dòng)引起的熱傳遞和內(nèi)外管溫差產(chǎn)的熱輻射，這三部分 熱流造成的冷損失。 第八章低溫制冷機(jī)與熱

28、力循環(huán) 4 .舉例說(shuō)明低溫氣體循環(huán)和液化循環(huán)的原理區(qū)別、技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)合。 低溫氣體循環(huán)最典型就是逆布雷頓制冷循環(huán)。逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)是以無(wú)環(huán)境公害的空氣為循環(huán)工質(zhì)利用空氣狀態(tài)在制冷機(jī)內(nèi)的循環(huán)變化實(shí)現(xiàn)把熱量從低溫物體不斷轉(zhuǎn)移到高溫物體的機(jī)器。基本循環(huán)包括等嫡壓縮、等壓冷卻、等嫡膨脹和等壓吸熱 4 個(gè)過(guò)程。實(shí)際的空氣制冷循環(huán)主要可分為開(kāi)式制冷循環(huán)和閉式制冷循環(huán)，具體采用的循環(huán)可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的流程形式。 主要組成部件包括：壓縮機(jī)、換熱器、膨脹機(jī)、低溫室以及連接管道等。圖 7 為逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)熱力過(guò)程原理圖。在極限回?zé)徇^(guò)程中，空氣的溫度經(jīng)過(guò)冷凝器和回?zé)崞骱罂梢缘竭_(dá) 4,，是由于

29、回?zé)嵝实拇嬖诳諝庵荒芙?jīng)回?zé)崞鞅焕鋮s到 4,空氣經(jīng)過(guò)理想絕熱膨脹過(guò)程后可以到達(dá)狀態(tài)點(diǎn) 5，但是實(shí)際過(guò)程并不能完全達(dá)到可逆，因此膨脹后只能到達(dá)狀態(tài)點(diǎn) 5,點(diǎn) 5 的計(jì)算需要考慮到膨脹機(jī)的等嫡效率。空氣從膨脹機(jī)中出來(lái)后進(jìn)入用冷裝置，被用冷裝置加熱到狀態(tài)點(diǎn) 6,6 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度就是制冷溫度，然后空氣進(jìn)入回?zé)崞髦斜患訜嶂翣顟B(tài)點(diǎn) 1,后進(jìn)入壓縮機(jī)，壓縮過(guò)程不是完全的可逆過(guò)程，所以空氣被壓縮至狀態(tài)點(diǎn) 2 而不 是 2,然后空氣進(jìn)入冷凝器被定壓冷卻至狀態(tài)點(diǎn) 3,再進(jìn)入回?zé)崞鞅欢▔豪鋮s 至 4,從而完成了一個(gè)完整的循環(huán)過(guò)程。 圖 7 逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)熱力過(guò)程示意圖 逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)采用空氣作為工

30、質(zhì)，通過(guò)壓縮機(jī)等嫡壓縮，經(jīng)后冷卻器冷卻，回?zé)崞鹘禍兀谕钙脚蛎洐C(jī)內(nèi)等嫡絕熱膨脹并對(duì)外作功，獲得低溫氣流來(lái)制取冷量。由于工質(zhì)空氣的多變指數(shù)較大，在相同工況下壓比較大，傳熱溫差增加，不可逆損失增大；在相同壓比下消耗功多，使得逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)在常溫區(qū)的效率略低。隨著高速透平膨脹機(jī)特別是氣體軸承透平膨脹機(jī)和高效緊湊換熱器的發(fā)展，透平逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)的效率得到顯著提高，可獲得很低的制冷溫度和很寬制冷量范圍，具有高的可靠性。因此近幾十年來(lái)，逆布雷頓空氣制冷機(jī)得到了很大的發(fā)展，主要應(yīng)用于飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)、列車(chē)空調(diào)、環(huán)境試驗(yàn)室、石油化工加工、食物保鮮及快速冷凍等領(lǐng)域。 氣體的液化循環(huán)有很多種，包括節(jié)流

31、液化循環(huán)、帶膨脹機(jī)的液化循環(huán)。而節(jié)流液化循環(huán)又可以分為一次節(jié)流液化循環(huán)和有預(yù)冷的一次節(jié)流液化循環(huán)。帶膨脹機(jī)的液化循環(huán)又可以分為克勞特循環(huán)、柯林斯循環(huán)和卡皮查循環(huán)。這里主要介紹一下克勞特循環(huán)。 1902 年克勞德首先將活塞式膨脹機(jī)應(yīng)用于制冷循環(huán)，開(kāi)創(chuàng)了液化氣體的新方法。在這循環(huán)中由于大部分高壓氣體經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)的絕熱膨脹，使氣體的內(nèi)能以 功的形式排出而大大提高了制冷循環(huán)的效率。 從流程圖 8 中可見(jiàn)， 先用壓縮機(jī)將氣體壓縮成高壓氣體， 經(jīng)過(guò)冷卻水， 取走壓縮熱，形成等溫壓縮過(guò)程，然后進(jìn)入熱交換器 E1,冷卻后的氣體分成兩部分，其中 mv部分進(jìn)入膨脹機(jī)中絕熱膨脹，另外（1-M）部分進(jìn)入熱交換器 E2

32、中。進(jìn)入膨脹機(jī)的氣體從高壓P3 膨脹到低壓 Pe,溫度由 T3 變成 T&膨脹后的低溫氣體返回到熱交換器 E2 的低壓側(cè)，與 E2 中高壓側(cè)的高壓氣體進(jìn)行熱交換，然后通過(guò) E1 返回壓縮機(jī)的吸氣口。在 E2 中被冷卻的（1-M）部分高壓氣進(jìn)入熱交換器 E3 高壓側(cè)，與節(jié)流后的低壓氣體再進(jìn)行熱交換，進(jìn)一步降低溫度，這部分氣體離開(kāi) E3 后，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流，節(jié)流后的氣體進(jìn)入容器 V,然后返回E3E2、E1 的低 壓側(cè)，最后到壓縮機(jī)的吸入口，這樣幾次循環(huán)以后在 E3 的末端積蓄起冷量，使 高壓氣再經(jīng)過(guò)時(shí)將冷卻到臨界溫度以下，再節(jié)流時(shí)就有部分氣體被液化。 圖 8 克勞特循環(huán)流程圖 圖 9 克勞

33、特循環(huán) T-s 圖 氣體液化循環(huán)由一系列熱力過(guò)程組成，其作用在于使氣態(tài)工質(zhì)冷卻到所需的低溫，并補(bǔ)償系統(tǒng)的冷損，以獲得液化氣體（或稱低溫液體）。這不同于以制取冷量為目的的制冷循環(huán)。在制冷循環(huán)中制冷工質(zhì)進(jìn)行的是封閉循環(huán)過(guò)程；而對(duì)液 化循環(huán)來(lái)說(shuō)，氣態(tài)低溫工質(zhì)在循環(huán)過(guò)程中既起制冷劑的作用，本身又被液化，部分或全部地作為液態(tài)產(chǎn)品從低溫裝置中輸出，應(yīng)用于需要保持低溫的過(guò)程（如在低溫試驗(yàn)中作為冷卻劉）或用來(lái)進(jìn)行氣體分離過(guò)程（如液態(tài)空氣分離為氧、氮等）C 液化氣體可用于低溫試驗(yàn)、低溫環(huán)境的模擬、器官移植等等。 5 .脈沖管制冷機(jī)的工作原理和主要特點(diǎn)。分析說(shuō)明其主要優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。 脈管制冷是周期性地對(duì)一端封閉

34、的管子充氣壓縮一放氣膨脹而獲得低溫的 一種方法。基本脈管制冷機(jī)如圖 10 所示。 脈管通常是內(nèi)一根低導(dǎo)熱率材料制成的薄壁管子（參看圖 10）,一端與稱為層流化的冷器剁他近，并形成氣體的封閉端。層流化冷卻 2B 巒許多尺寸相同的通 道織收，每一通道流阻大體相同，休證從冷卻器出來(lái)的氣流為層流。它也可以用個(gè)目流化正件加上一一個(gè)普通換熱器紀(jì)成。管子的另一瑞與層流化元件及熱交換器相連，熱交換器又與回?zé)崞骷斑M(jìn)、排氣閥相連。層汰化正件是一種多孔物，其作用是使氣流通過(guò)后消除紊亂度而成層梳。層流化元件厚度約 smm,它 hf 以是 由金屬屑制成的燒結(jié)金屬，也可以由粉版狀非金 J6 物加工版。 脈管的工作過(guò)程如下

35、：打開(kāi)進(jìn)氣閥，在穩(wěn)定工況下由壓縮機(jī)來(lái)的高壓氣體經(jīng)回?zé)崞鞅焕鋮s到制冷溫度 T,，然后通過(guò)熱交換器及崖坑入件進(jìn)入脈管。 進(jìn)入脈管的氣流是一股平行于管子鈾線的層流氣流，它一邊向右移動(dòng)，一邊使管內(nèi)原有 氣體壓縮；同時(shí)自己也經(jīng)受不同程度的壓縮，溫度依次升高，形成溫度梯度。溫度分布如圖 10 實(shí)線所示。進(jìn)入冷卻器時(shí)，氣流具有溫度 Tmo這實(shí)質(zhì)是個(gè)充氣過(guò)程。接著，是靜止期。氣體在冷卻器中被冷卻，溫度降到 T.隨后打開(kāi)徘氣閥進(jìn) 行放氣。離開(kāi)冷卻器進(jìn)入脈行的氣流同樣也是層流，在它向左運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，氣體膨脹，溫度下降。溫度分布如圖 10 所示。當(dāng)氣體回到熱交換器時(shí)，其溫度 Ta 低于進(jìn)氣時(shí)的溫圖 10 基本脈管制冷

36、機(jī) 度 T0,在熱交換器中向外輸出冷量，然后再經(jīng)回?zé)崞鳎鋮s其填料，氣體本身被加熱，溫度升高到接近室溫，從排氣閥排出。至此完成一個(gè)循環(huán)。為了減少紊亂混合和保證良好傳熱，要求進(jìn)氣和徘氣期的時(shí)間盡可能短，靜止期足夠長(zhǎng)。以上牙述為單級(jí)脈管。為了獲得更低溫度，還可做成多級(jí)。 脈管的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件。因而振動(dòng)很小，壽命長(zhǎng)，可靠性好。 而且制造、 維護(hù)部比較方便。 它的缺點(diǎn)是每一級(jí)的溫降小。 如單級(jí)脈管只能達(dá)到 170K左右，為了達(dá)到 80K,需用三級(jí)脈管用聯(lián)。要達(dá)到 20 x 的低溫就需要 6 級(jí)。因此，對(duì)于20K 以下的低溫，一般不推薦使用脈管。但是脈管制冷機(jī)比常規(guī)回?zé)崾娇諝庵评錂C(jī)

37、（如G-M 機(jī)，斯特林機(jī)）突出的優(yōu)越之處在于簡(jiǎn)單，無(wú)低溫運(yùn)動(dòng)部件，特別適宜在高空應(yīng)用（對(duì)可靠性、壽命、振動(dòng)要求高），它用以作為紅外器件、低溫電子器件冷源的前景日益明朗。 第九章低溫制冷技術(shù)展望 1.科技進(jìn)步使得學(xué)科之間交叉融合，那么低溫制冷技術(shù)還可能形成哪些交叉和邊緣學(xué)科？ 低溫技術(shù)是一門(mén)發(fā)展迅速的現(xiàn)代科學(xué)。它為許多技術(shù)部門(mén)和基礎(chǔ)科學(xué)服務(wù)，形成了許多獨(dú)特的邊緣學(xué)科，正在改變一些古典學(xué)科的面貌。如超導(dǎo)技術(shù)、低溫 電子學(xué)、低溫生物學(xué)、低溫醫(yī)學(xué)等都形成了新的邊緣學(xué)科，又如低溫的技術(shù)處理，低溫粉碎等形成了一個(gè)新的工藝方法。 參考文獻(xiàn) 1楊小燦，邱昌明.R12 替代工質(zhì)的研究及實(shí)現(xiàn)步驟J.制冷學(xué)報(bào),19

38、91,01:21-25. 2薄達(dá).低溫液體輸送管的技術(shù)探討J.深冷技術(shù),1993,06:6-9. 3郭耀君，謝晶，朱世新，王金鋒，湯元睿.超低溫制冷裝置的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展J.食品與機(jī)械,2015,01:238-243. 4葉斌，馬斌，侯予.大型氮低溫制冷系統(tǒng)研究進(jìn)展J.低溫工程,2010,04:18-23. 5毛紹融，朱朔元,周智勇盧杰.大型空分設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展J.深冷技術(shù)，2009,S1:26-31. 6禹林濤.法液空工程制造業(yè)務(wù)的重大成功J.氣體分離,2005,02:1. 7顧福民.國(guó)外大型空分設(shè)備發(fā)展歷程回顧與展望J.冶金動(dòng)力,2003,05:31-38+41. 8毛紹融，周智勇.杭氧特

39、大型空分設(shè)備的技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展J.深冷技術(shù),2005,03:1-6. 9謝波.天然氣液化設(shè)備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)J.氣體分離，2015,03:18. 10王際強(qiáng)，陳杰.大型低溫液體貯槽絕熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.深冷技術(shù),2011,02:37-41. 11吳廷珊.林德公司小型空分設(shè)備簡(jiǎn)況J.深冷技術(shù)，1981,06:21-32. 12孫郁,侯予,趙紅利，陳純正.逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)的性能分析J.低溫工程,2006,01:27-30+39. 13白紅宇.HT-7U 超導(dǎo)托卡馬克氨制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析及設(shè)計(jì)研究D.中國(guó)科學(xué)院研究生院（等離子體物理 研究所）,2002. 14G.Petitpas,S.M.Aceve

40、s.ModelingofsuddenhydrogenexpansionfromcryogenicpressurevesselfailureJ.InternationalJournalofHydrogenEnergy,2013,3819:. 15G.Manimaran,M.Pradeepkumar,R.Venkatasamy.Influenceofcryogeniccoolingonsurfacegrindingofstainlesssteel316J.Cryogenics,2013,:. 16HuiDong,LiangZhao,SongyuanZhang,AihuaWang,JiujuCai.

41、UsingcryogenicexergyofliquefiednaturalgasforelectricityproductionwiththeStirlingcycleJ.Energy,2013,63:. 17Y.Hou,H.L.Zhao,C.Z.Chen,L.Y.Xiong.DevelopmentsinreverseBraytoncyclecryocoolerinChinaJ.Cryogenics,2005,465:. 18JaeHongPark,YongHaKwon,YoungSooKim.ThedesignandfabricationofareverseBraytoncyclecryocoolersystemforthehightemperaturesu