西安交通大学2022年《高等低温技术学》期末作业

2023年《高等低温技术学》期末作业1、试从淡薄气体特性及传热、受力角度说明克鲁克斯辐射计的工作原理并定性说明辐射计转速与真空度的关系。答：克鲁克斯辐射计主体是一个高度真空的玻璃泡，里面悬挂着四个叶片，每个叶片一面为黑色，另一面为白色。黑色一面吸取率更大，比白色吸取更多的辐射热，因此黑色四周温度更高，叶片两侧形成一个温度差，由淡薄气体热分子压力效应可知，这一温差将导致两侧形成压力差，黑色侧压力更高，分子将从黑色侧沿叶片边缘流向白色侧，从而带动叶片旋转。为保持这一温差，叶片两面往往会涂有隔热层。辐射计能正常工作，必需使玻璃泡内为高度真空的淡薄气体。假设玻璃泡内不是真空，叶片会由于空气阻力过大而无法转动；假设玻璃泡内完全真空，就没有分子运动来撞击叶片，也无法转动。2、将氮气视为抱负气体，计算0.1MPa,250~350K的运动粘度，并和NISTRefProp数据做比照，从输运系数微观机理动身分析可能导致差异的因素。氮气分子直径〔kineticdiameter〕365pm。答：由气体动理论知内摩擦系数=1l

c，故运动粘度

1lc，3 m 3mc

，分子平均自由程l kT ，8kTBmB因此代入k 1.381023,P0.1MPa,T250~350K,d3651012m求得：BkTkTB4RTM

0.84105~1.40105m2s。由NIST数据查得：氮气运动粘度=1.1510-5~2.0910-5m2s由于分子动理论是将氮气分子看作抱负的小球，分子速率承受统计方法，运动粘度的结果与试验值存在差异，需加修正。p3、从TdS方程动身，推导并比较气体节流、液体节流的温度效应。答：气体节流可看成是绝热的，前后焓值不变。由 Tds方程有pdhTdsvdp，将其次Tds方程代入得dhcp

vdTT(T)

dpvdp，对于等焓过程得节流温度效应为h是如此。

(T)ph

1cp

[T(v)T

v]。液体节流也45m90%，承受多层蒸气冷却屏技术实现液氢日均蒸发1%，计算确定需要的蒸气冷却屏层数。答：为简化计算，取内罐设计压力0.6MPa，设计温度20K，外部为室温300K70kgm3r460.5kJkg1。mV90%4r390%4123.34kg，由日蒸发量3为1%可得：漏热量qmr1000219.77W。243600n层蒸气冷却屏，第i层冷却屏的温度为T(i1,2,…,n，i取内壁温度为T0

=20K，外壁温度为Tn1

300K。内壁向第一层冷却屏传热为q0,1

q1,2

，以此类推，第n层冷却屏向外壁传热为q

n,n1

，且q0,1

q1,2

...q

n,n1

q。由辐射传热可得：1q 10,1

1+11 1 0 0 11q 1,2

1 1 2 1+ 11 2q n,n1 1n

……1 1 1n1

n1

T4)n因多层绝热缠绕层常承受双面镀铝薄膜加间隔材料复合而成，故取 ... 0.05，5.67108Wm2K4，联立上式有0 1 n1 铝1n q1

121

n1

T41，代入得n3.24层冷却屏。05、什么是接触热阻？什么是卡皮查热阻？说明他们的区分。答：复合系统中，热量会由较高温的物体流到较低温的物体。温度分布在在不同材料的交界面上有明显的温度落差，这就是由于接触面之间存在接触热阻。卡皮查热阻指的是两电介质之间的界面热阻。因最早由卡皮查提出，所以也叫卡皮查热阻。产生的主要缘由是由于处于接触的两种物质的电子特性以及振动特性不一样。当载热子〔声子或者电子，视物质特性而定〕试图穿过接触界面时，会发生散射。散射后的载热子的运动状况就完全取决于接触界面物质可用的能量状态。界面热阻不同于接触热阻，即使在原子层面上接触完善的界面，也会存在界面热阻，而对于接触热阻来说，更多的热阻是来自于界面的不接触局部。6、分析说明氦的主要相变特性、相图分布、氦工质与其他流体的主要区分，如何获得不同状态的氦。答：氦属于稀有气体，在大气中含量很少，大约只有5ppm，但在有些地方的自然气中含量很大，达1%以上。我们提及的氦往往指的是He4。氦是最难液化的气体，只有预冷到很低的温度〔到达转化温度以下〕才有可能通过压缩和节流的方法使其液化。同其他纯物质一样，氦的气液相变属于一阶相变，因而听从克拉贝隆-克劳修斯方程。但是，当He4沿气液平衡曲线被冷却到T=2.172K，p=5.0515kPa状态时会消灭相变，属于高阶相变，该状态点称为点。He4的相图可分为四个区域，除气体区和固体区外，还有HeIHeII区，并以线上端为液-固-液三相点，下端为液-气-液三相点。HeI的性质同一般的低温液体没有原则上的差异，称为常流氦，HeII称为超流氦。7、氦制冷有哪些方法？说明这些方法的制冷工艺过程以及所能够获得最低温度。答：氦制冷可分为气体膨胀制冷、氦制冷机制冷、液体抽气蒸发制冷、He3压缩制冷、He3-He4稀释制冷。其中，氦制冷机制冷主要承受气体制冷机，节流制冷器和脉管制冷器等，可到达100K以下3~5K以下的低温，以满足干冰制造、气体液化、红外探测、低温超导等方面的需要；液氦抽气蒸发制冷应将液体注入设备的液氦储槽或低温恒温器中，令其吸热蒸发，并用压缩机或真空泵不断抽除0.7K低温；He3压缩制冷是将He3沿溶解曲线绝热压缩，则有局部液体固化，从而使温He3-He4稀释制冷顾名思义是利用其稀释时的2~3mK的低温。8、从制冷原理、工质种类、传热特性、循环原理、装置设计等角度比较室温磁制冷、绝热退磁制冷ADR、核磁制冷有何主要区分。答：室温磁制冷，制冷剂承受Gd作为磁工质，世界上首个室温磁Astronautics，传热需要传热流体，驱动方式为永磁体，到达1.5，运行周期不到1s〔高频；绝热退磁制冷，热汇承受液氦或小型低温制冷机，顺磁盐向热汇放热，退磁降温，传热需要热开关，驱动方式为超导体，运行周期几百秒〔长周期。9、借助超流体的二流体模型理论来解释超流体的热机械效应。HeIIHeI无异，由正常原子组成且具有正常的粘性，称为常流体，另一种由“分散”了的超流原子组成，称为超流体，超流原子具有零点能和零点熵，但不具有粘性。热机械效应指的是超流体中热能同机械能的相互转换过程，设AB，下部用一个毛细管连通，毛细管直径很小只有超流体能通过，两容器中盛有HeII，温度一样，液面一样。现给A施加肯定压力∆p，BA上升∆HB升温∆TA液B降低∆H，且两次试验∆p和∆T的比值是一样的，此为热机械效应，可用二流体模型解释。二流体模型认为只有超流体可以通过毛细管，且流淌时是不带熵的，因而毛细管起到“熵过滤器”的作用，液氦中的超流局部经毛细管流出时不带走熵，马上其热量遗留在A中施加压力时A中局部超流体流出向A中遗留了肯定的热量，故A中温度上升；而BB中温度降低。在其次个BAB中产生液面差。10、针对第I类超导体，说明超导转变过程以及磁场〔内部磁场和外部磁场〕对超