低温原理讲课教案
第一章 低温工程的性质
通常指Ts?120K的工质为低温工质
与制冷工质的不同：1、即可作为制冷工质，又可作为原料、产品。 2、可以是相变制冷，可能是单相制冷。 3、单靠加压不能液化。
低温与普冷的区别：1、可能是闭式循环，也可能是开式循环。 2、高低温热源温差较大，须采用回热系统。 以120K为界以下：
（1）烃类：烷、烯、炔 约120K（Ts）
石油气（戊，已烷）， 天然气（甲烷）
（2）空分成分：O2ArN2 约80K
（3）超低温： H2, 20K, He, 4.2K
§1-1 低温工程的种类
120K级的低温：天然气（广义）的液化分离-----------石化行业 80K级的低温： 空气的液化分离 -----------制氧行业 20K级以下的低温：氢气的液化，氦的液化。
低温工程的性质：
??用以燃烧（1）甲烷CH4，天然气的主要成分：??化学产??民用??汽车 H2Ts?111.7KM?16(2)(3)(4)氧O2氮N2氩Ar
M：32M：28M：40Ts:90k??Ts:77k?空气主要成分Ts?87k??——炼钢???——保护气?——焊接保护气?
（5）氖Ne M:20 Ts:27k 来自空气，
灯炮气
（6）氢H2 M:2 Ts:20k 来自煤、天然气， 燃料 （7）氦He M:4 Ts:4.20k 来自合成氨尾气、天然气 所指的低温技术：
（1） 获得纯净的低温介质（分离技术） （2） 获得低温液态工质 （液化技术）
（3） 利用低温工质获得所需的低温温度（低温制冷技术） （4） 利用低温制冷获得高真空（低温泵） （5） 低温工质的储藏与运输 （6） 低温绝热技术。
§1-2 空气及其组成气体的性质 空气=干空气+水蒸气 干空气：N2O2ArCO2......
制冷剂
78% 21% 1%
二元：N2 + O2 三元：N2 + O2 + Ar
可写作理想气体对待，M=28.97， Ts?78.9(泡点)/81.7(露点) 在相平衡（汽/液）情况下：
液体中，N2：59% O2：40% Ar：1% （1）N2：安全，无味无毒，保护气体，
LN2
是极好的冷源介质，保存生命（生物），预冷和保护层（LN2,LHe）
（2）O2：助燃，促进动植物生命新陈代谢，很活泼。 易于爆炸，在空分装置，输氧管道，…。
LO2是无色，炼钢助燃，火箭发动机，焊接，切割??。
（制氧机的名字来源）
（3）Ar，隋性气体（不氧化），作为保护气体或切灯泡气，空气含量大。 （4）Ne：很好的制冷剂，安全可靠（Ts?27k）
所谓的空分：就是从空气中提取N2、O2、Ar以及Ne ??。
主要是低温分离，此外还有常温分离方法： 分子筛变压吸附（SPA）， 膜分离等。
§1-3 氢的性质
（1）性质最为复杂的低温工质有三个同位素 H D T。 H：0个中子，1个质子；D：1个中子，1个质子
氢是H2和HD的混合物，而HD仅占0.026~0.032%的比例。
H2的密度最小，Cp最大，?最小、?最小，扩散能力很强，可以渗透金属 。 H2：a、制冷工质 b、洁净燃料 c、重氢的原料
不易处理，易燃易炸，易泄漏。
（2）正氢与仲氢
Ortha-Hydrogen 正氢，双原子同向旋转Para-Hydrogen 仲氢，双原子异向旋转平衡氢( e- ) = OH2?PH2?f(T)
正常氢（标准氢）(n- ) = 75%OH2?25%PH2 （O—P）正—仲转化，放热反应，汽态时要催化。 转化热 > 汽化潜热，液态时可自动转化，但很慢。
LH2的储存：由于转化热放出，易于汽化，故生产LH2时加催化剂。促使O→p
转化。（n→e的放热，和n→P的放热）
所以H2的性质有多种
正常氢（n?H2），平衡氢（e?H2），仲氢（p?H2） 同位素有D2
正常氘（n?D2），??。
§1—4 氦的性质
3He4He氦有两种同位素
M?3Ts?3.19??4?4.2k??主要是天然气中提取
通常指的氦为4He，同为3He含量很少。
氦是最难液化的气体，很长时间被认为是永久气体。
氦有两个三相点，在25bar以下得不到固体He，但存在一个高阶的液态相变
LHeⅠ?LHeⅡ：叫做超液氦，中间的线叫入线。
入转变点约2.17K，“?”显示了Cp的变化关系—突变，无
HeⅠ?HeⅡ气化潜热
HeⅡ 特性：（1）超流性??0,“爬膜”、“喷泉”
（2）超导热性???。 当T?2.17时， HeⅠ/HeⅡ的混合物存在。
T?， HeⅡ越高。
[超导特性是固体导电特性（电阻为0，抗磁性=?）] 超导与超流均为量子特性。
phonon声子 photon光子 quantum量子。
第二章 获得低温的方法
§2-1 获得低温方法有物理法
（1）相变制冷（液体气化，固体融化，固体升华，液体抽气）
(2)压缩气体绝热节流 （3）等熵膨胀 （4）辐射制冷 （5）涡流制冷 （6）热电制冷，（7）吸收制冷 吸附制冷。
§2-2 绝热节流
低温制冷装置中，主要是绝热节流和等熵膨胀（主动） 什么是节流过程：h1?h2
h?h(p,T) 理想气体h?f(T)
焦一汤效应，节流后的温度变化效应（实际气体）
??微分节流效应 ?2?? ?? 理想气体?TT?2p?h?2T??vv积分节流效应 ?T??p2p1?hdp
T不变T降低 T增加??h?0??1???T???v??h??????v????h?0?T???P?hcp?????T?p????0?h????v??dh?cdT??T????v?cpp??T?p?????????? 取决于节流前的气体状态。
三种情况内在机理，dh?du?d?pv??0，即du??d(pv)
u?u动?u势，节流后du势?0，但d(pv)不定， du动??du势?d(pv)也不确定。
转化温度与转化曲线
根据微分节流效应 ?n????p??关系，可以求出?h?0时的状态
??h此时??h?0??Tinv为转化温度
实践证明，当p?pmax时出现一个转化温度的节流前如果是p?pmaxTinv?T?Tinv\'??T?曲线
，则节流后产生制冷效果。