制冷与技术课件

低温原理与技术第一节气体液化与分离第二节低温制冷机第三节低温绝热1.基本概念

(3.1)系统的性能参数单位质量气体的压缩功单位质量气体液化功液化率三者之间的关系是:循环效率FOM(热力完善度):通常以理想循环所需的最小功与实际循环液化功比值作为评定的标准。

压缩机和膨胀机的绝热效率压缩机和膨胀机的机械效率换热器的效率换热器和管道的压降系统与环境的热交换(3.2)实际性能参数2.热力学理想系统图3.1热力学理想液化系统.(a)T-S图，(b)系统图。稳定物流的热力学第一定律:通常动能和势能的变化相对于焓变而言小得多:理想系统时:

等熵过程:液化气体的理论最小功:(3.3)(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)表3.1液化气体的理论最小功(初始点P=101.3kPa，T=300K)气体名称沸点(K)理论最小功(kJ/kg)氦－33.198178氦－44.216819氢20.2712019氖27.091335氮77.36768.1空气78.8738.9一氧化碳81.6768.6氩87.28478.6氧90.18635.6甲烷111.71091乙烷184.5353.1丙烷231.1140.4氨239.8359.13.简单林德－汉普逊系统图3.2林德－汉普逊系统.图3.3林德－汉普逊循环的T－S图

气体的液化率依赖于：大气条件下(点1)的压力和温度,从而决定了和；等温压缩后的压力，由决定。我们无法改变环境状态,因此系统的性能取决于压力要使液化率最大，则必须使最小：热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到:(3.8)(3.10)图3.4用氦或氢作工作流体简单林德－汉普逊系统的启动过程

简单的林德－汉普逊循环不能用于液化氖、氢和氦:

1.由于这些气体的转化温度低于环境温度，所以无法降温启动。

2.用林德－汉普逊系统能够获得降温，通过低温下节流后完全都是蒸汽，没有气体被液化。

图3.5即使氢或氦的简单林德－汉普逊系统能按正确方向启动，它仍不能传递足够的能量以获得液体林德－汉普逊系统的耗功:单位质量耗功:单位质量的液化功:(3.11)(3.12)(3.13)4.带预冷林德－汉普逊系统

预冷林德－汉普逊系统:

对简单林德－汉普逊系统，当热交换器入口温度低于环境温度时，可以改善简单林德－汉普逊系统的性能指标。图3.6液化率随热交换器入口温度变化关系.图3.7预冷林德－汉普逊系统

图3.8预冷林德－汉普逊循环的T-S图应用热力学第一定律定义制冷剂的质量流率比:液化率:带预冷系统的最大液化率:(3.14)(3.15)(3.16)(3.17)假定主压缩机是可逆等温的,附加压缩机是可逆绝热的.单位质量加工气体压缩耗功:(3.18)图3.9液化率与极限液化率随制冷剂流率的变化。图3.10带预冷林德－汉普逊系统单位质量氮气液化功5.林德双压系统图3.11林德双压系统图3.12林德双压系统T－S图

取热交换器，两个气液分离器，二个节流阀，作为热力分析系统，针对稳定流动，根据能量守恒原则，可得液化率为:

中间压力蒸汽流率比：热力学第一定律应用于两个压缩机，单位质量气体的压缩耗功为:(3.19)(3.20)(3.21)图3.13林德双压系统液化功6.复迭式系统复迭式系统是预冷系统的展开，由其它制冷系统来预冷。优点第一个用于生产液空的液化装置系统的性能好所需压力降低缺点系统的每一级循环都必须完全不漏，以防止流体渗漏图3.14复迭式系统7.克劳特系统图3.15克劳特系统图3.16理论克劳特系统T－S图

取热交换器、节流阀、气液分离器作为能量分析系统，该系统没有外部热功交换，对该系统应用热力学第一定律:膨胀机的流量比率:

进膨胀机质量流量占总流量比例:液化率:净耗功:(3.22)(3.23)(3.24)(3.26)(3.25)图3.17克劳特循环单位质量液化功8.卡皮查系统卡皮查循环：带有高效率透平膨胀机的低压液化循环。它采用低压力，等温节流效应及膨胀机焓降均较小。图3.18卡皮查系统.海兰特循环：带高压膨胀机的气体液化循环。实际上它也是克劳特循环的一种特殊情况。图3.19海兰特系统9.海兰特系统10.采用膨胀机的其它液化系统

双压克劳特:原理与林德双压系统相似。

通过节流阀的气体被压缩至高压经过膨胀机循环气体仅压缩至中压

图3.20双压克劳特系统自动制冷复迭系统:工作时重组分先冷凝，轻组分后冷凝的特性，将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温度级的冷量，使天然气对应组分冷凝并全部液化。11.液化系统

图3.21混合制冷剂液化天然气系统12.各种液化系统的性能比较表3.3以空气为工质，＝300K，P＝101.3kPa液化系统的比较续上表：13.用于氖和氢的预冷林德－汉普逊系统

图3.22适用于液化氖和氢的液氮预冷林德－汉普逊系统单位质量压缩氢或氖所对应的氮的蒸发率:取三个换热器、液氮槽、液氢或氖的储罐和节流阀作为分析系统，针对没有热漏的稳定流动:单位质量液化氢或氖下氮的蒸发率:(3.28)(3.29)(3.30)(3.31)图3.23在液氮预冷林德－汉普逊系统中每液化单位质量氢所需氮的蒸发率与液氮槽温度的关系.14.用于氖或氢的克劳特系统

图3.24生产液氢或氖的液氮预冷克劳特系统15.氦制冷的氢液化系统

采用氦制冷系统与高压系统相比:优点:相应地降低了使用压力缩小了压缩机的尺寸减小了系统材料的壁厚不足:需用两台压缩机

氦制冷机采用改进的克劳特系统，在循环中氦气并不被液化，但达到的温度比液氢或氖更低。压缩氦气经液氮槽预冷，进入膨胀机膨胀产冷降温，冷氦气返回以冷却高压的氢或氖，以使其液化。图3.25氦气制冷的氢液化系统氢液化器中正－仲氦转换

氢可能存在两种不同的状态:正氢和仲氢在平衡氢中正氢的浓度主要取决于氢的温度:

在常温下，平衡氢是75%正氢和25%仲氢的混合物在液氢的标准沸点时，氢的平衡组成几乎全部为仲氢，占99.8%。当氢气经过液化系统时，气体不可能在热交换器内保持足够长的时间以建立起一定温度下的平衡氢组成，结果是液氢由接近环境温度下的正仲氢组成。图3.26正仲氢转化布置16.考林斯氦液化系统

早期氦液化器采用液氢作为预冷剂,如带预冷林德－汉普逊系统可以用来液化氦气。考林斯氦液化器是克劳特系统的进一步发展具有低温工程里程碑。取除氦压缩机及膨胀机外的所有部件作为分析系统，对该稳定流动系统应用热力学第一定律:(3.32)图3.27考林斯氦液化系统图3.28西蒙液化系统17.西蒙氦液化系统图3.29西蒙液化系统的T－S图假定厚壁容器传入热量可逆，同时容器材料的比热符合德拜表达式:容器的熵变为:存在漏热:液化率:满液体部分的容积比:(3.33)(3.35)(3.37)(3.39)(3.42)3.1.2气体分离和纯化系统

1.热力学理想分离系统半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全地通过，而其他气体无法通过。使用这种装置，气体混合时就可以获得输出功，输入同样的功就可以把他们分开，因此，该过程是个可逆过程。

如图3.30左边的活塞只允许气体A通过，右边的活塞只允许气体B通过，通过把两个活塞移动到一起，由气体A和B组成的混合物就可逆地被分离成纯净的气体A和气体B。图3.30热力学理想分离系统模型.理想气体混合物分离的理论功:分压比=质量比:种组分理想气体混合物耗功:分离系统的分离效率为:(3.45)(3.46)(3.48)(3.49)2混合物的性质(1)相律

单组份物质以两相出现时(例如液氮和气氮)，并非所有热静力学参数都是独立的。对于一组相态，在物性之间存在一个蒸气压力方程的关系式。

对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应用Gibbs相规律(1878年发现)来描述状态所需要独立变量的数目。T=C-P+2

T:描述体系状态所需要独立变量的数目

C:存在组分数

P:存在的相数图3.31典型双组分温度－成份图(a)压力低于两种组分的临界压力(b)压力在两种组分的临界压力之间(c)共沸混合物(2)温度-浓度图

图3.32两组分混合物的冷凝图3.33氧－氮混合物的温度－浓度图

相平衡曲线具体形式取决构成混合物分子之间的内作用力。

对于分子内作用比较弱的液体混合物，如稀溶液一样，可用著名的Raoult定律表式：

:第j组分在液相上部气相中的分压

:在混合物温度下第j组分的蒸汽压

:在液相中第j组分的摩尔百分数(3.51)

所有浓度下都服从Raoult定律的混合物称为理想的溶液。若在液体混合物上部蒸汽相也可以看作理想气体，则蒸汽相的分压与总压力之间关系由定律Gibbs-Dalton决定:蒸汽相中第j组分的摩尔分量:理想气体混合物的分压之和等于总压:对于两组分混合物，，因此，服从Raoult定律双组分混合物式:(3.52)(3.53)(3.54)(3.55)图3.35氮－氩混合物的温度－浓度图图3.35氮－氩混合物的温度－浓度图(3)平衡常数气相和液相中摩尔百分比之间的关系可以用平衡常数表达:理想气体和液体的平衡常数:双组分混合物的液相和气相组成由每个组分的平衡常数来确定：可求得液和气相中组分的摩尔百分比：(3.56)(3.57)(3.58)(3.59)

在典型氮－氧混合物系统的焓－浓度图中可以看出露点线(饱和蒸汽)和泡点线(饱和液体)。(4)焓－浓度图图3.36101.3kPa下氮－氧混合物的焓－浓度图3.1.3气体的分离原理

1.简单冷凝或蒸发过程3.闪蒸计算2.精馏原理4.精馏塔的理论塔板数计算5.最小理论塔板数6.精馏塔的类型和结构1.简单冷凝或蒸发过程

通过部分冷凝能实现混合物的分离过程的效率主要取决于温度－浓度图上相分离曲线的形状。对沸点相差较大的物质所组成混合物通过部分冷凝能达到有效的分离，而对沸点相近物质所组成的混合物该法将失去分离作用。

事实上通过简单的冷凝并不能把空气分离成纯组分，仅能达到部分分离，不能满足许多实际的应用。而氮－氦混合物，氨－氢混合物等由于沸点相差很大，完全可以通过部分冷凝法实现满意有效的分离。

二元组分相变过程的主要特性:对于某一成分的二元混合物，在一定压力下，开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发结束时温度是不断变化的，这一点与纯组分不同。在冷凝或蒸发过程中，液相和气相的浓度是连续变化的。通过部分冷凝或蒸发可以有效地分离沸点相差很大的二元混合物，但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效的分离。2.精馏原理精馏就是以部分蒸发和部分冷凝用逆流方式进行复迭分离的过程。图3.38精馏塔的原理图3.39精馏过程中温度－浓度图图3.40气泡通过塔板时热质交换情况塔板效率:塔板上的浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比图3.41板效率的定义1946年Geddes分析了气泡与液体之间质传递的情况，得到了塔板效率式:提高塔板效率的因素:小气泡(小)长接触时间(大)大的总质交换系数(3.61)3.闪蒸计算闪蒸计算的步骤如下:第j组分质量平衡:能量守恒:离开系统液体物流的百分比:蒸汽相的摩尔百分比之和等于1:(3.62)(3.63)(3.64)(3.65)(3.66)混合压力已知，则仅含一个未知量即混合物温度。计算步骤如下:

假定一个在露点和泡点之间的一个温度露点和泡点的温度由混合压力及供料摩尔百分比决定计算液体百分比用蒸汽相的摩尔百分比之和等于1验证若等于1，则求解结束，开始假定的混合物温度正确若不等于1，重新假定混合物温度，重复上述步骤4.精馏塔的理论塔板数计算方法之一是1921年Ponchon和1922年Savarit建立的，它是一适用于所有情况的精确方法，但应用该法需要详细的焓值数据。另一方法是1925年McCable和Thiele建立的，它在应用时仅需要平衡浓度数据。有两种基本方法用来计算精馏塔内所需的理论塔板数:我们在讨论时使用McCable-Thiele方法,因为它最适合于低温场合。图3.42理想塔板计算公式推导中所用的系统

Vn定义为离开第n块塔板的蒸汽流率

Ln定义为离开第n块塔板的液体流率取第n块板上方塔的部分作为分析系统，应用质量守衡定律可以得到:对低沸点组分应用质量守衡定律得:应用热力学第一定律得:产品流率与蒸汽相流率的比值:精馏段的操作线方程:提馏段的操作线方程:(3.67)(3.68)(3.69)(3.71)(3.73)(3.74)求McCabe－Thiele解的理论塔板数平衡线:蒸汽相的摩尔百分比对与蒸汽相热平衡液相中氮的摩尔百分比图.

图3.43McCabe－Thiele法的解

当顶部和底部产品纯度相当高时,在整个浓度范围内单个McCabe－Thiele图由于在x=0和x=1附近变得相当小而该法不实用。对产品纯度要求很高的情况下，为操作线进口段发展一个简单分析表达式来计算理论塔板数。

当底部产品为气相，当底部产品为液体时，M等于理想塔板数加1(因子1代表沸腾器的表面)。M是理论塔板数为:

精馏段理论塔板数的简单分析表达式:(3.75)(3.76)5.最小理论塔板数

当操作线的斜率接近1时，给定分离过程的理论塔板数达到最小，因为这时在塔底到塔顶之间取的步数最少。

理论塔板最小数可以利用45度对角线作为操作线在McCabe-Thiele图上求得，或使用Fenske-Underwood式求得:(3.77)

最小回流比发生在两条操作线和供料线与平衡线相交于同一点的状态下。虽然该条件下回流比最小，但所需的理论塔板数是无穷大。

在实际系统中，应在最小理论塔板数(固定产品流率下无穷大制冷量)和最小制冷量的塔板数(无穷大理论塔板数)之间取一折中值。图3.44所需理论塔板数的说明6.精馏塔的类型和结构(1)筛板塔

筛板塔是由塔板组成。塔板由筛孔板、溢流装置组成。图3.45筛板塔的结构原理图图3.46圆形泡罩的结构

在塔板上按等边三角形排列许多泡罩。泡罩边沿有齿缝，浸没在液体中。塔板上液层高度由溢流堰保证．上升蒸汽通过泡罩齿缝形成喷射穿过液层时，一部分蒸汽穿过液层鼓泡，形成泡沫，并使液体分散成液滴和雾沫；另一部分蒸汽则夹带着泡沫，液滴和雾沫上升到塔板上的空间。在这个空间里进行两相的接触，这是热质交换的主要区域。(2)泡罩塔泡罩塔板在目前空分装置中主要用在以下两种情况:

下塔最下面一块塔板，不易被二氧化碳颗粒堵塞。负荷变化大，这时采用筛孔塔板和泡罩塔板相间的混合结构方案。

操作十分稳定，即使气体负荷发生较大变动，对操作也影响不大泡罩塔拦液量大，特别适用于从塔板上抽出或加入液体泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固体颗粒堵塞对塔板水平度要求一不象筛板塔那么严格。泡罩塔的优点泡罩塔板的缺点是:结构复杂，耗材大，造价高，流阻大，在设计工况下塔板效率不如筛板塔。(3)浮阀塔浮阀:在浮阀塔内每层板上除有溢流斗外，尚在板上开有许多大孔，每个孔中装一个可活动的阀。

浮阀的特点:可以在一定范围内自由升降可以自动调节蒸汽通路的面积，以适应蒸汽量的变化没有蒸汽通过时，浮阀下落盖住阀孔最大优点是变产量时塔板效率不会有很大降低

图3.47浮阀结构示意图a)型结构简单制造方便省材料；b)型阀孔为文丘里型，阻力小，适用于减压系统；c)型操作弹性范围大，适用于中型实验装置。(4)填料塔填料塔由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、再分配器、气液进口管等组成。填料可使气液两相高度分散，扩大相间接触面积。喷淋装置可使液体均匀地喷洒在填料层上。支撑栅板支撑填料层，使蒸汽均匀地通过填料层。再分配器使液体能够均匀地润湿所有填料，可避免液体沿筒壳流动而使中间填料得不到润湿。填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得到了广泛使用。它们具有比表面积大、传质效果好、阻力小、密度小、金属耗量少等优点。3.2.4变压吸附一些具有代表性的工业过程中的绝大多数都采用了变压吸附(PSA)循环。一个典型的PSA系统是由三到四个相互连接的吸附器组成，它可使原料进料和产物出料连续流动。对吸附质有大的吸附能力有高度的选择性能再生和多次使有足够的机械强度化学性质稳定供应量大价格低工业吸附剂性质

目前主要有以下几种吸附剂:活性炭、硅胶、活性氧化铝和沸石分子筛。

作为吸附剂的沸石分子筛有下列特点：(1)有极强的吸附选择性。(2)在气体组分浓度低(分压低)的情况下，具有较大的吸附能力.图3.48微孔径分布图3A型沸石b)4Ac)5Ad)10Xe)13Xf)分子筛炭g)活性炭在一定温度和压力下，当脱附速度和吸附速度相等时，便达到吸附平衡。在平衡条件下吸附物质的多少用吸附量表示。吸附平衡数据表示方式主要有三种:吸附等温线，吸附等压线和吸附等量线，最常用的是吸附等温线。图3.49五种类型的吸附等温线Skarstrom循环：最早的无热吸附，它是两床设备。循环过程为：在吸附阶段后，第一床被泄压到大气压，同时，受压缩的原料混合气被送到第二床以充压，然后在进料压力下开始吸附阶段。一部分由第二床出来的纯化气以逆流方式通过第一床，在低压(大气压)下吹扫床层，使吸附剂活化，以准备下一次循环。Skarstrom循环的两个有用点:

为“保存吸附热”应保持短的循环和低产量。用于低压吹扫气的体积至少不少于高压原料气的体积。

图3.50Skarstrom变压吸附循环Guerin－Domine循环可以根据待分离混合气体的性质，改变吸附床的数目、相互连接方式和操作方案。在这个循环中每个床包含三个阶段:图3.51Guerin－Domine循环用空气使A床加压，(而B床正被抽空)通过B床使A床泄压(两床气都往下流动)收集氧气A床抽气在下半个循环中A和B的作用相反而完成一个吸附分离循环。

这三个参数不能同时兼顾，要获得高纯度的产品，产量就要降低，势必引起另外两个参数的降低。

由于在于吸附床中有死空间，死空间中的产品是无法回收的，在降压过程中白白放空，从而使产品回收率下降，产品气压越高，损失就越大。

变压吸附循环经过许多专家完善，发展了许多成熟的构想，在降低能耗及克服死空间方面作出很大的改进。变压吸附分离的性能指标通过三个参数来衡量:

产品纯度产品回收率吸附剂的生产能力

快速变压吸附

从PSA开发初期就已认识到，由于吸附热和脱附热引起床内温度波动的方向都不利于分离过程。当床几乎在等温下操作才能实现最好的分离。在工业上成功地用单沸石床小规模生产氧气，循环周期小于30秒，所以吸附与脱附在等温条件下实现。图3.52快速变压吸附分离氧3.1.4膜分离技术

用膜分离技术进行气体分离的优点：

分离过程中没有相变,过程简单,可在常温下进行操作,减少能源的消耗。与传统的空分装置相比，能耗低。要下降(30～60)％。特别是分离共沸物质,有独特的优越性.

重量轻，占地面积小，纯度高，工作压力的范围宽。氮气纯度可达99.9%,生产的氮气非常干燥，露点温度可达-100℃。

效率高，每kg膜纤维连续的生产能力比变压吸附要大。没有运动部件，几乎用不着维护，因此维护费用少,高效率和高可靠性降低了操作运行费用。

设备简单、机动性好，只要有一个压缩空气的气源，就可以连续地工作，而且可以省去贮运气体或液体的设备。膜分离设备中的关键是膜组件:

从气体分离的机理分:多孔型膜和非多孔型膜。从材料性质分:有机膜（高分子膜）和无机膜。从膜组件的结构型式分:中空纤维型和平板型两种。用于空气分离装置的膜组件主要是中空纤维型。图3.53膜组件的结构中空纤维型的膜组件是由上百万根空心纤维组成的纤维束。膜的特性:对某些气体有优先渗透或溶解的能力。图3.54气体分离模型

气体膜分离装置是通过膜壁对气体渗透来实现的。用于气体分离的膜有两种类型:多孔型膜和非多孔型膜。膜的性能要求:

具有很高的气体渗透通量和高的选择性，能在高压下工作，抗杂质的能力要强，而且要长期保持高的效率。

从膜渗透出来的气流中,可应用在很多方面:

制药工业养殖业，能促进鱼的生长助燃富氧空气在燃烧中可以减少散射和增加效率家庭富氧疗法对呼吸困难的病人的护理是有利的废料的处理,在发酵过程和环境废料的处理过程中，富氧空气可以增加细菌的活性空间技术燃料系统的惰化食品工业水果和蔬菜的保鲜3.1.5空气分离系统

1.林德单塔系统

图3.55林德单塔气体分离系统图3.56为单塔系统精馏工作过程图。林德单塔分离系统是最简单的空气分离系统之一，采用的是基本的林德－汉普逊液化系统，用精馏塔代替了储液器，当然也可以用其他液化系统来为塔内提供液体.林德的单塔系统有两大缺点:1)仅能得到纯氧产品2)污氮放空浪费了大量的氧

2林德双塔系统

采用两个精馏塔，下塔氮气液化作为下塔回流液通过上塔氧的沸腾来实现，上塔沸腾氧蒸汽作为上塔的上升蒸汽。下塔产生多余的液氮节流到上塔顶部作回流液。图3.57林德双塔空气分离系统图3.58林德－弗兰克空气分离系统3林德－弗兰克系统

林德－弗兰克系统采用蓄冷器和氨预冷及膨胀机，分离系统的液化部分是氨预冷的双压克劳特液化系统.4海兰特系统

海兰特系统可以得到液氮和液氧产品。图3.59海兰特空气分离系统成份体积百分比重量百分比氮78.08475.521氧20.94623.139氩0.93412.288二氧化碳0.0330.050稀有气体0.0030.002稀有气体容积ppm重量ppm氖18.1812.67氦5.240.724氪1.140.295氢0.500.035氙0.0860.3905氩分离系统

大气中不仅仅是氧和氮的混合物，而是9种气体所组成的混合物。稀有气体主要是体积比为0.93％的氩。

氩气的沸点介于氧和氮之间，空气进入塔后，经过精馏，将在上塔中间某些部位形成氩的富集区。表3.5干燥空气的组成

氩气分离系统通常由两部分组成:（1）粗氩子系统（2）纯化子系统图3.59粗氩子系统在工业上用于氩纯化的子系统有两种:

粗氩经化学除氧和低温精馏除氮后成为纯氩低温精馏除氮和低温吸附除氧而得到纯氩图3.60氩纯化子系统1图3.61氩纯化子系统2(1)粗氖子系统:

获得粗氖的气体混合物，其组成为:46%氖、19%氦、33%氮和2%的氢。

6氖分离系统

惰性气体氖的沸点仅高于氦和氢，蒸发潜热大，适合在低温实验室内作制冷剂；电导高，在真空下通电发红光，因此长期以来用来充填信号装置。

氖分离系统由两个子系统所组成图3.62粗氖子系统

(2)纯化子系统把粗氖－氦混合气送入纯化子系统，然后加氧在触媒炉内氢气与氧气燃烧形成水蒸汽。接下来粗氖－氦气进入冷却器，水蒸汽被冷凝，在干燥器内被吸附掉。图3.63氖纯化子系统

7氢分离系统

从混合气中分离氢的低温系统，主要用来从焦炉煤气或富氢的副产品气中分离氢。

工业氢原料气之一是焦炉煤气，一种由氢、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷和其它一些碳氢化合物所组成，因为氢的沸点与其它组份相差非常大，所以从混合物中分离氢用不着精馏塔，采用简单的冷凝－蒸发过程就可以满足分离的要求。组成物大气下沸点（K）体积百分比（%）H220.346.5N277.413.1CO81.66.3O290.21.0CO2194.73.2CH4111.726.2C2H6184.51.0碳氢化合物──2.6其它──0.1表3.6典型的焦炉煤气组成及组成物的沸点图3.64林德－布卢尔氢分离系统

对于氢分离系统加以改进，该系统有别于林德－布卢尔系统。其不需要附加液氮，而采用膨胀机来制冷。图3.65氢分离系统8氦分离系统目前工业上从天然气中提取氦的主要方法有三种

冷凝法:将天然气逐级冷却，使各种烃类分凝，得到浓缩氦。用冷凝法可获得浓度为50～90％的粗氦。

膜分离法:利用各种气体对有机薄膜透气性能上的差异，使氦从天然气中分离出来。

扩散法:利用氦所具有的高热扩散性使天然气中的氦浓缩，所用的扩散元件为石英玻璃毛细管。天然气分离氦系统，和从焦炉煤气中分离氢一样，天然气中的主要成份与氦气的沸点相差非常大，不需要精馏塔，只需采用简单的冷凝—蒸发器来分离就足够了。图3.66天然气分离氦系统9.气体纯化方法

在各种低温气体分离系统中，去除少量杂质的方法主要有两种:（1）冷凝纯化，如从空气中去除水，二氧化碳；（2）物理吸附，如从空气中分离氩。

（1）冷凝纯化

气体纯化最简单的方法是通过冷却将混合气中杂质气体冷凝或冻结。这种方法的分离效率取决于制冷温度下的杂质气体的分压。若气体间的蒸汽压非常接近（例：氧和氮），则冷凝纯化法无效。若气体间蒸汽压相差很大（例：水蒸汽和空气），那么这种方法对去除杂质气体非常有效。

(2)物理吸附

吸附(固体对气体)：当气体与固体接触时，在固体表面或内部发生容纳气体的现象。解吸或脱附：已被吸附的原子或分子返回气相或液相中去。吸附可分为物理吸附和化学吸附两类:

物理吸附是气体分子靠范德瓦尔力吸附在固体吸附剂上，它类似蒸气的凝聚和液化。化学吸附:其作用力与化合物中原子之间的作用力相似，吸附后气体分子与固体表面原子之间形成吸附化学键。

气体分离系统中遇到的主要是物理吸附。硅胶、活性炭、活性氧化铝这些吸附剂具有多孔性结构，它们都具有很大的有效表面积，在低温下对气体具有很好的吸附性能。

在许多系统里，冷凝纯化和物理吸附纯化组装在一个单元内。待纯化的气体首先通入换热器内冷却，在该换热器中，把来自于压缩后纯化气体中的水和油被冷凝或冻结下来。经过换热器的干燥气体通入低温下的等温吸附器内吸附掉杂质气体。图3.67组合式纯化器第二节低温制冷机3.2.2膨胀机制冷系统3.2.1焦耳-汤姆逊制冷系统3.2.3斯特林制冷机3.2.4维尔米勒制冷机3.2.7脉冲管制冷机3.2.6吉福特-麦克马洪制冷机3.2.8热声制冷机3.2.9吸附式制冷机3.2.10磁制冷3.2.11稀释制冷机3.2.5索尔凡制冷机3.2.1焦耳-汤姆逊制冷系统焦耳-汤姆逊(Joule-Thomson,简写为J-T)制冷机:不使用膨胀机的液化系统，依赖于焦耳-汤姆逊效应来产生低温。图3-68林德-汉普森制冷机运用热力学第一定律:换热器效率定义为:制冷量可由工质物性与热交换器效率来表示：系统所需功为:林德-汉普森制冷机的COP为:(3.78)(3.79)(3.80)(3.81)(3.82)图3-69林德-汉普森制冷的热力循环图图3-70预冷型林德-汉普森制冷机。预冷的重要作用:对于比液氮所能得的温度更低的场合，合适可行的工质只能为氖、氢和氦。由于常温下节流会产生热效应，为了系统能够起动降温，必须将气体温度降低到转化温度以下以保证节流制冷。图3-71预冷型林德-汉普森制冷机的热力循环图。运用热力学第一定律，可得到:定义预冷制冷剂质量流量比为:由低温换热器和蒸发器得:制冷量可表示为:引入低温换热器的效率:(3.83)(3.85,3.86)(3.87)(3.88)(3.89)(3.90)更低的温度可用三级复迭制冷机得到，以氮（或氩），氢（或氖）和氦为工质。图3-72三级J-T液氦制冷机。3.2.2膨胀机制冷系统

克劳德液化系统或考林斯液化系统作制冷系统。对三个换热器，膨胀阀和蒸发器应用热力学第一定律，忽略环境漏热和动能，势能变化，可得制冷剂的吸热量:制冷量的表达式可由膨胀机绝热效率表示:若假设膨胀功用来压缩气体，则所需净功为:(3.91)(3.92)(3.93)图3-74克劳特制冷机的热力循环图3-76图3-75所示系统的热力循环3.2.3斯特林制冷机

斯特林制冷机:由带活塞的汽缸，位移器和回热器组成。在回热器中实现的是等容过程的热交换。图3-77斯特林制冷机

图3-78理想斯特林制冷机的热力循环

由热力学第一定律，对循环来说Wnet=Qr+Qa,因而理想的斯特林制冷机的性能系数为:工质为理想气体:理想斯特林制冷机的性能系数为:(3.94)(3.95)

斯特林制冷机的成功，绝大部分是依靠系统中所使用的回热器的效能。若回热器效率低于100％，这就意味着，气体制冷机在冷源的制冷量将有一部分消耗在将制冷机气体冷却到冷源温度的过程中。低温源吸收的实际的热量为:换热器效率定义为:假定工质为理想气体，在理想情况下从冷负荷中取走的热量为:

换热器效率的不完善性而致理想制冷量损耗所占的比重:(3.96)(3.97)(3.98)3.2.4维尔米勒制冷机

图3-79维尔米勒制冷机示意图图3-80理想维尔米勒制冷机的热力循环T-s图

高温热源加热为:

低温热源吸热为:

中间温度热源的放热量为:

因为系统的净传热量为零:COP:(3.99)(3.100)(3.101)(3.102)3.2.5索尔凡制冷机

索尔凡(Solvay)制冷机:是计划采用膨胀机实现空气液化的第一个系统。图3-81索尔凡制冷机图3-82索尔凡制冷机中单位质量气体在T-s图上的流程假设膨胀过程输出的功用于压缩过程，则系统所需净功为:

从低温源取走的热量为:(3.103)(3.104)压缩机耗功膨胀过程的输出功3.2.6吉福特-麦克马洪制冷机系统包括压缩机、两端密封的气缸、气缸中的位移器，和回热器。

图3-84G-M制冷机中单位质量气体在T-S图上的流程

图3-83G-M制冷机示意图

系统所需净功为:

从低温源带走的热量为:因为膨胀过程中膨胀腔的体积保持不变，me/m可表示为密度比:回热器效率沿着位移器的导热和壳体漏热气体与回热器往复换热回热器中存在的一定容积(3.105)(3.106)(3.107)影响G-M制冷机性能的因素在Solvay和G-M制冷机中，回热器是关键部件。一台较好的制冷机，其回热器效率需高达98%以上。图3-85回热器示意图Solvay和G-M制冷机有共同的优点阀门和位移器活塞密封可在室温下实现，因此不存在低温密封问题。通过使用回热器代替通常的换热器，可得到很高的换热效率，系统可使用稍稍不纯的气体为工质。由于气体在回热器中来回流动，回热器中的杂质可在吸入过程中积存下来，在排气过程中清除出去。相同表面积下，回热器的造价比换热器低。

Solvay系统与G-M系统相比有两大优点:

Solvay系统COP总是比G-M系统高，因为工质在对外作功过程中，可带走更多能量；

G-M系统中，需要一个小马达来移动位移器，而在Solvay系统中，由膨胀气体来移动活塞。G-M系统与Solvay系统相比也有优点:

位移器两端压差小，所以在G-M系统中经位移器的泄漏很少；在G-M系统中位移器和曲柄不用承受很大的力，因此驱动机构可以十分简单，很少有振动的问题。G-M系统的突出优点之一是它可实现多级化。多级系统中的所有阀门都在室温下工作，三个位移器由一个驱动机构操纵。图3-86三级G-M制冷机三个位移器由同一个驱动机构驱动，在此制冷机中可同时制取三种不同的温度。3.2.7脉冲管制冷机

脉冲管制冷机省去了常规气体制冷机中的冷腔膨胀活塞，采用一根低热导的管子来代替，具有结构简单、运转可靠、冷头振动小、寿命长、成本低等优势。图3-87脉冲管制冷机的演变与发展1.基本型脉冲管制冷机2.小孔型脉冲管制冷机3.双向进气脉冲管制冷机4.多路旁通脉冲管制冷机5.双活塞脉冲管制冷机6.四阀式脉冲管制冷机7．多级脉管制冷机本节内容:

基本型脉冲管制冷机

最初的基本型脉冲管制冷机的制冷流程由压缩机、切换阀、回热器、冷端换热器、导流器、脉冲管本体以及脉冲管封闭端的水冷却器所组成。图3-88基本型脉冲管制冷机原理图1—切换阀；2—回热器；3—冷端换热器；

4—脉冲管；5—水冷却器；6—导流器。

基本原理是利用高低压气体对脉冲管腔的充放气而获得制冷效果的。

基本型脉冲管制冷机利用充放气获得低温的方法实质上是西蒙膨胀制冷的一种型式。基本型脉冲管制冷机与西蒙膨胀过程的不同点:

脉冲管制冷机运行时，脉冲管气体轴向存在一温度梯度，入口端温度低，封闭端温度高；而西蒙膨胀的容器内气体温度均匀；充气完毕后，脉冲管取走热量的方式是靠封闭端的水冷换热器；而西蒙膨胀的热量是靠整个容器表面与外部环境的对流换热。

基本型脉冲管制冷机除了压缩气源和切换阀是室温运动部件外，在低温处无任何运动部件，因此其结构简单、运行可靠，但是其制冷效率低。带有切换阀的基本型脉冲管制冷机:由于气体在通过阀门时有节流损失而降低了制冷效率。可逆基本型脉冲管制冷机:直接利用活塞在气缸内往复运动，使制冷系统内产生压力波动而导致脉冲管内气体的压缩和膨胀过程。

图3-89可逆基本型脉冲管制冷机原理图1—活塞2—水冷却器3—脉冲管4—负荷换热器5—回热器图3-90相同压比下带切换阀式脉冲管与可逆基本型脉冲管内部压力波图。a-基本型脉冲管b-可逆基本型脉冲管.常规气体制冷机的冷腔膨胀活塞与压力之间有一定的运动相位差，冷端可获得制冷的膨胀功。其中的能量平衡有:脉冲管冷端的焓流表示一周期内脉冲管冷端向热端传输的能量，可称之为脉冲管的毛制冷量。

脉冲管传递热量的能力（即制冷能力）取决于P和u1在相位上能否接近，以及两者振幅的大小。

可逆基本型脉冲管制冷机的最主要特点是:将上一个循环的能量存储起来，在下一个循环，其所需的能量一部分来自马达，另一部分则由储存的能量提供，这样就能大大减少外部所需的能量而提高热效率。(3.108)(3.109)图3-91基本型脉冲管的能量传递及压力与流速的相位关系2.小孔型脉冲管制冷机

小孔型脉冲管制冷机中由于小孔和气库的加入，制冷机理发生了变化，运转频率也大幅度提高。

考察脉冲管热端的焓流变化，因为气库的容积大，其压力基本稳定为系统的平均压力，热端的气体流向取决于脉冲管与气库的压差。

小孔对P和u的振幅有调节作用，小孔开度增大，压力振幅减小，流速振幅增大。这样小孔型脉冲管中冷端气团可以向斯特林制冷机中的膨胀活塞一般获得一定的相位需求，利用膨胀功制冷。

脉冲管由冷端向热端的泵热能力大大增强。(3.110)3.双向进气脉冲管制冷机无功气体:在小孔型脉管制冷机中，通过回热器的气体中有一部分气体并不产生制冷效应，降低了回热器效率。这部分不作功的气体在脉管中来回震荡，既不通过小孔进入气库，也不从冷端换热器进入回热器。这些气体柱塞随时间膨胀和收缩，但并不产生制冷。图3-92双向进气型脉管制冷机.a)无阀压缩机驱动b)有阀压缩机驱动4.多路旁通脉冲管制冷机

多路旁通方案对制冷过程的影响主要在于它在旁通点处形成了一次膨胀制冷过程。在多路旁通处一股焓流由回热器流入脉冲管中，旁通点成为制冷部位。其在低温区性能优越的主要原因是脉冲管旁通部位加一换热器以利于制冷，出现两次膨胀制冷过程。图3-93多路旁通脉冲管制冷机中的能量传递5.双活塞脉冲管制冷机双活塞脉冲管制冷机能克服小孔调节作用对于P和u的相位匹配并不是完美的缺陷，采用一配气活塞来调节脉冲管中P和u的相位。配气活塞与产生压力波的主活塞之间存在一定相位差，两者的运动规律如下:(3.111)(3.112)6.四阀式脉冲管制冷机图3-94四阀式脉冲管制冷机的当量P—V图

四阀式脉冲管制冷机理可以由脉冲管中P和u的变化来说明。根据四个阀门的开关变化，脉冲管压力和脉冲管热端阀门两端的压力变化可定性表示，图中压差的正负对应气体的流向。图3-95四阀式脉冲管中压力与小孔两端压差的关系7．多级脉管制冷机

为获得更低的制冷温度，可以采用多级脉管制冷方案。脉管制冷机冷端无运动部件，不存在机械运动的耦合，易于进行多级布置。图3-96三级脉冲管制冷机结构示意图。1压缩机，2旋转阀，3气库，4小孔阀，5双向进气阀，6第一级蓄冷器，7第二级蓄冷器，8第三级蓄冷器，9第一级脉冲管，10第二级脉冲管，11第三级脉冲管，12第一级冷头，13第二级冷头，14第三级冷头，15回热管，16辐射屏，17真空罩。图3-97两级脉管制冷机结构示意图。1压缩机，2旋转阀，3气库，4小孔阀，5双向进气阀，6第一级蓄冷器，7第二级蓄冷器，8第一级脉管，9第二级脉管，10第一级冷头，11第二级冷头，12辐射屏，13真空罩。图3-98双小孔型二级脉管制冷机示意图。1第一级蓄冷器，2第一级脉管，3第二级蓄冷器，4第二级脉管，5、6气库，7、9双向进气阀，8、10小孔阀，11第二小孔。3.2.8热声制冷机

热声制冷机的基本工作原理:谐振管内的气体受到声压作用产生绝热压缩和膨胀。处于热声板叠左端的气团受到驻波的压缩，温度升高，向板叠放热；在热声板叠的右端，由于驻波低压相的绝热膨胀,气团的温度低于当地板叠温度，气团从板叠吸热.热声制冷机与热声驱动器的不同之处，是热声板叠上的温度梯度不同且具有较小的温度梯度。图3-99热声制冷机原理图

谐振管的底部带有一个球体，模拟管端是开口的。驱动器为一动圈式扬声器，装于热端换热器的顶端。驱动器活塞处正是驻波压力的波谷，以便向谐振管传输最强的声功，同时驱动器产生的热量可直接被换热器排除。压力波的波节在谐振管与球体连接的扩口处。图3-100热声制冷机实验装置图1.磁声线圈2.冷却水夹套3.活塞4.冷端换热器5.塑料棒6.热声板叠7.热端换热器

热声驱动器是一种没有机械运动部件的新型压力波发生器。脉管制冷机则是除了室温下的机械压缩机之外，在低温区没有运动部件。因此若采用热声驱动器取代脉管制冷机常规的机械压缩机就能构成从室温至低温均没有运动部件的新型制冷机。图3-101热声驱动的脉管制冷装置

驻波型热声机的运行是基于内部不可逆性的热力学循环，其气体和板叠之间的不可逆换热导致的熵产限制了驻波热声机的效率，其热力学效率往往不可能很高。行波热声机其过程是可逆的,因此行波热声机的效率在理论上高于具有本征不可逆性的驻波热声机。驻波和行波的区别:相同:

由于速度是位移对时间的导数，故速度振荡与位移振荡都是相差90度相位。不同:不同之处在于驻波的压力振荡与位移振荡同相，而行波的压力振荡与速度振荡同相。行波声场中的声速波形和声压波形一致，相位差为零；而驻波声场中的声速波形和声压波形相位差90度。图3-102声波的位移、速度、压力振荡的相位关系图(a)驻波(b)行波3.2.9吸附式制冷机

用于低温温区的吸附制冷工质对只能采用低温气体工质，吸附剂也主要采用活性炭、分子筛或一些化学吸附物质。

由于采用J-T节流制冷方式，解吸出的气体必须先经预冷至转化温度以下，否则不可能实现低温气体工质的液化。图3-103常用吸附式制冷工作对及其工作温区本节内容:1．吸附式低温制冷机的相平衡及吸附率方程2．吸附制冷循环及其热力计算3．低温吸附式制冷机的设计原则4．典型的吸附式制冷机1．吸附式低温制冷机的相平衡及吸附率方程

对低温气体的吸附可以由Polanyi吸附势理论表述:对于活性炭吸附氖气和氮气吸附势方程为:饱和压力ps(Pa)和温度T(K)的关系可以表示为:采用经验拟合所得到的吸附率方程经验关系式为:(3.113)(3.114)(3.115)(3.116)表3-7示出了各种低温气体对应于活性炭(椰壳炭)的吸附率方程常数。式中下标T表示整个吸附剂所占体积内的吸附，下标E则表示吸附剂有效吸附体积内的吸附。气体

M/b

H2xExT4.4

10-25.6510-20.5630.7310.0600.063NeXExT0.640.460.5390.3880.1520.128N2XExT0.550.560.7580.7720.1180.108表3-7活性炭对几种低温气体吸附率方程常数图3-104活性炭和沸石吸氮的等温吸附线。a)13x-N2,b)C-N2图3-105LaNi5-H2的等温吸附线图3-106LaNi4.8Sn0.2Hx、ZrNiHx和VHx的等吸附率图(Van’tHoff图)2．吸附制冷循环及其热力计算

温度降低和压力升高可以使得吸附率增大。吸附床可以用作为压缩机，也可以用作为抽气泵。图3-107分子筛对氮气的吸附等温线及其吸附式制冷循环过程的表示吸附式制冷机的制冷量:(3.117)图3-108采用2组吸附器的J-T节流图3-109J-T节流吸附式制冷机的T-S图1吸附剂质量m的确定

气体质量流量，该值与吸附床温升过程及吸附床中吸附剂质量m有关:

一般来说，m是吸附剂温度T和吸附床压力p的函数。温升速率是与吸附床结构设计紧密相关的参量，如果设计中通过加强吸附床导热(传热强化)，可以显著地增大温升速率，从而减小吸附剂质量需求。同样，如果所选择的吸附剂对气体工质的吸附等压线很陡(即吸附率随温度变化很敏感)，则也可以有效地减小对吸附剂质量的需求。

(3.118)2．吸附器容器质量的确定

可以根据筒体最大内压P和金属材料胡克应力

来关联吸附器质量ms与吸附剂质量m之比:(3.119)3.加热功率设计

压缩过程中，与加热面相对的百叶窗开启，而与冷源相对的百叶窗关闭，这样，热量就传递给了吸附床热压缩机；

在减压降温过程中，与加热面相对的百叶窗关闭，而与冷源相对的百叶窗开启，这样热量就从压缩机传递给了外部。如果忽略加热气体本身所消耗的热量吸附热可以根据Clausius-Clapeyron方程来计算(3.120)

如果吸附床加热解吸通过一恒温源T*向吸附床热辐射来实现，设吸附床热压缩机温度为Th，辐射传热面是黑体，面积为Ah,辐射角系数为1，则:

吸附热压缩机冷却时，吸附单位质量气体所需排放的热量。假设吸附床向绝对零度的环境中进行热辐射，得:(3.121)(3.122)(3.123)图3-110气体吸附式压缩机的百叶窗设计图3-111吸附床压力和温度对热量需求的关系图3-112吸附压缩机温度对换热面积的影响4．温度循环设计

制冷工质确定后，吸附压力(低压)就受制冷温度限制，可以认为是一个设计常数。因此只有解吸压力可调。解吸压力越高，系统气体流量需求就越小，当然T4温度也越高。

如果T2固定(冷却温度)，则有一温度循环，,这是吸附剂为了获得气体吸附浓度差，所必需的；对应的在解吸过程中为了解吸出气体，造成对应的吸附浓度差，过程3-4也经历了一个温度循环。循环温差加大或T2降低均会促使循环吸附量的提高。从质流量角度看，T2越低越好，但从传热角度看T2高可以有效地减小传热面积。吸附式制冷机循环最大温差为。5.循环时间

吸附剂吸附气体，实现吸附率差所需的时间为:

根据具体吸附式制冷机的构成方式可确定其相应的循环周期计算方法。低温吸附式制冷机往往采用了2台、4台、8台吸附器，以充分地回收热量，提高吸附式制冷的效率。相应的循环时间表示方式也有所不同。(3.124)6.制冷系数吸附式制冷循环的制冷系数:

早期的空间用低温吸附式制冷机中，较多地考虑采用余热对吸附器加热、采用对外层绝对零度空间的热辐射对吸附器进行冷却，很少用回热循环。然而近年来，在低温吸附式制冷机研究开发中已经较多的受吸附式空调制冷的影响，高效回热循环方面已经有成功实例。图3-113吸附式制冷机与机械式制冷机的比功耗比较(3.125)7．回热回路设计回热措施即使高温吸附床降温的显热和吸附过程中产生的吸附热传递给低温吸附床，提供低温吸附床部分热量（回热量）。

回热循环的制冷系数COP与基本循环制冷系数COP的关系为:

吸附式制冷系统中还采用回质循环方式，即在高压解吸吸附床与低压吸附吸附床之间串接了一连接管道和阀门，使二台吸附器平衡在一接近于平均压力的中间压力下，这样会造成高压解吸床解吸更充分(受抽吸)，而低压吸附床则产生了附加吸附，因而循环吸附率变化可以增大，制冷量可以提高。(3.126)

具有传热流体的吸附筒结构，在不锈钢筒内它充填了泡沫铜活性炭，吸附筒外钎焊了盘管换热器，管内流体为氦气。为了强化传热，泡沫铜吸附床也与吸附筒内壁通过钎焊连接成一体。利用这种方式的吸附筒可以方便地构筑回热型吸附式制冷机，以提高吸附式制冷机的制冷系数。图3-114回热型吸附式制冷机所采用的吸附筒结构

采用回热型吸附式系统需要构建加热/冷却流体回路，以实现对多个吸附床之间的热量传递。图3-115多吸附床回热型吸附式制冷机的换热流体回路构成

回热型吸附式制冷机换热流体回路的工作充分利用了换热流体的热量，使得外部输入热量或向外界耗散的热量有较大幅度的减小，因而这种回热型多床系统制冷系数可以有较显著的提高。图3-116加热/冷却流体回路设计(8台吸附器)3．低温吸附式制冷机的设计原则如果可能，尽量采用化学吸附代替物理吸附，化学吸附往往在高温热源下工作，其效率较高，这样的话排热系统可以做得较轻。如果采用物理吸附，尽可能采用沸点高的气体作为工质，这样其与吸附剂间的范德瓦尔斯吸附力会大些，因而不需要过高的操作压比。吸附剂应具有吸附率大、吸附空隙容积小的特性，这样可以减小对总耗能的需求，并使得制冷效率得到提高。尽量在较高温度水平对吸附式压缩机进行冷却，吸附式压缩机散热应通过热辐射或对流方式进行，尽量避免采用其它形式制冷源来冷却。对制冷气流应尽可能降低温度，甚至在其到达J-T节流阀前使其液化，这样可以有效地提高J-T节流冷却装置的节流效果。JPL的LaNi5-H2吸附式制冷机用节流系统，节流阀的开启度由节流阀上、下流的压差和弹簧的预紧力所决定，其原理和开启压力可调节的自动旁通阀(或自动压力调节阀)一样，这种调节阀的优点是比小孔节流阀的抗堵性能好。图3-117JPL氢制冷系统节流阀。1-金属-聚四氟乙烯圈，2-可动阀芯，3-弹簧力调节螺母，4-温度计，5-液氢罐，6-加热器(模拟热负荷)，7-解冻加热器。

氢吸附式制冷机节流阀结构，它采用了侧向出气形式，节流阀的通量通过弹簧预置，显然它也需要一定的压差驱动。图3-118AESC氢制冷系统节流阀。1-调节螺母，2-锁紧螺母，3-后盖，4-弹簧，5-球体(6.35mm)。

热开关型吸附器，加热器在吸附筒中心，筒外为低温热沉，吸附筒和热沉之间为气体间隙型热开关。气隙式热开关与各种热开关相比，非常适用于吸附式压缩机。图3-119热开关型吸附筒结构示意图。1-气体间隙式热开关(0.25~2.5mm),2-加热器，3-吸附剂，4-辐射屏，5-热沉，6-进气阀，7-排气阀4．典型的吸附式制冷机(1)活性炭-甲烷物理吸附制冷机(110K-150K)在110K-150K温区内，从长寿命、无振动角度考虑，采用活性炭-甲烷物理吸附制冷机是比较有效的。图3-120活性炭-甲烷物理吸附制冷机

提高吸附式制冷机的热效率，可以通过回热设计来实现回热型制冷循环，对于C/CH4吸附式制冷机，采用回热设计比功率获得了较大提高。

制冷机采用了四台吸附式压缩机，吸附压缩机的加热解吸和冷却吸附由特定设计的流体回路实现，并采用回热。图3-121：2W，137K回热型吸附式制冷机(2)镨铈氧化物(Pr1-nCenOx,PCO)化学吸附制冷机采用活性炭/甲烷作为第一级吸附式制冷，PCO-O2是一种非常稳定的化学吸附工作对，其循环工作次数在上万次时，吸附性能也不会有明显衰减图3-122PCO-O2化学吸附式制冷机

采用活性炭-氪气(C/Kr)物理吸附压缩机作为第一级、PCO-O2是作为第二级的低温吸附制冷系统，制冷机以PCO为吸附剂，以氧气为制冷剂，其吸附方式为化学吸附，吸附/解吸完全可逆。图3-123：二级80K/140K吸附式低温制冷机系统(3)金属吸氢材料吸氢的化学吸附式制冷机(14K-30K)

金属吸氢材料-氢吸附式低温制冷机他们采用了LaNi5作为吸附剂吸附氢气，获得了20K的低温。图3-124金属吸氢材料吸氢吸附式制冷机图3-125：25K吸附式制冷机系统。1-吸附床；2-斯特林制冷机；3-电控箱；4-传输杆；5-高电子迁移晶体管接收放大器，6-冷头，7-J-T节流阀，8-热交换器，9-波导管，10-高压容器，11-低压床。25K吸附式制冷机系统以四个吸附床构成吸附压缩机，采用作为吸氢材料，并构造了附加吸附压缩机以通过冷却和加热来控制吸附压缩机中气相空间热开关以免去阀门的操作。(4)SH2金属吸氢材料吸氢化学吸附低温制冷机(7K-10K)

为了获得7K-10K的低温，可以通过对LH2的减压来实现，通过低压吸氢材料(如钯)吸氢可以将氢气饱和蒸汽压降得很低。

如采用两只液氢杜瓦，通过采用热开关进行切换，就可以使得低温器件连续保持在10K温度下。图3-126SH2金属吸氢材料吸氢10K间断式氢气吸附式低温制冷系统，采用了60K左右的冷源预冷，以为吸附剂使氢气在24-30K的J-T中间制冷级循环，并采用ZrNi吸氢材料达到真空低压（压力小于2毫米汞柱)，通过对液氢的吸附使液氢降温并固化，最后通过固态氢的升华达到10K的低温。图3-127：10K间断式氢气吸附式低温制冷系统。LPSB-低压ZrNi吸附床,HPSB-高压吸附床(5)其它低温吸附制冷机

采用低压吸氢材料吸附氢气，使得液氢固化，固态氢气升华制冷的特殊办法，就必须采用氦制冷工质，让高压氦气通过20K或更低温度预冷。磁制冷，采用顺磁盐材料绝热去磁。采用氦机械压缩机让氦在室温下排热，系统采用多重复叠制冷可以满足氦制冷要求。要获得4K-5K的低温，有2种可能的办法:3.2.10磁制冷

顺磁物质可代替气体或液体，磁场可代替流体的膨胀来得到低温。图3-128实现绝热去磁过程的装置

热去磁过程只能在极低温下实现，若要实现显著的温降，晶格热必须远小于顺磁盐的磁极熵。在极低温下，晶格熵为:最大偶极子熵为:为确保绝热去磁过程成功的温度条件为:温度上限T0为:(3.127)(3.128)(3.129)要维持温度低于1.0K所采用的绝热去磁制冷机如图，制冷循环为卡诺循环但由于环境漏热及磁场变化需一定时间的不可逆性,引入了绝热过程的熵增和理想等温过程的温升。图3-129磁制冷机图3-130磁制冷机的热力循环图3-131磁制冷机的实际和理想性能理想状况下，从储存盐中吸热量为:理想情况下，工质盐对外放热为:对整个循环应用第一定律，循环净功为:理想磁制冷机的COP同卡诺制冷机的相同。磁制冷机可以在失重状态下运行。(3.130)(3.131)(3.132)3.2.11稀释制冷机

稀释制冷机用超流氦-4稀释氦-3的办法来制冷。图3-132氦-3/氦-4稀释制冷机

气体（纯氦-3）由真空泵压缩，后在换热器和4.2K的液氦浴中冷却。压缩气体然后通过1.2K的氦浴冷却而冷凝。液氦-3经一毛细管膨胀，进一步在冷却。液体进入混合室（氦-3在0.005K和0.050K间与氦-4混合）之前在另一换热器中冷却。图3-132氦-3/氦-4稀释制冷机图3-133氦-3/氦-4混合物的相图

在混合室中，液体分离成两相—氦-3的稀释相和氦-3的浓相。氦-3分子从浓缩相膨胀到稀释相（向稀释相扩散），混合物的温度下降，而混合室从低温区吸热以维持定温。制冷原理与技术

第一节集中式空调系统第二节半集中式空调系统第四章空气调节的原理和技术第四章

空气调节原理与技术

依据对空气处理设备设置情况的分类方法，本章在将空调系统分成集中式、半集中式和分散式三种系统的基础上，对空气调节的原理与技术给予介绍。

第一节集中式空调系统

本节主要介绍空气调节的基础知识、空调系统负荷的确定、新风量与总风量的确定、空气处理及其设备、空调系统、空调房间气流组织的主要内容。

一、空气调节的基础知识为什么首先要全面了解空气的性质

空气调节的主要任务，就是在所处自然环境下，使被调节空间的空气保持一定的温度、湿度、流动速度以及洁净度、新鲜度。湿空气的概念湿空气的基本状态参数湿空气的焓湿图湿球温度焓湿图的应用本节主要介绍以下内容1.湿空气的概念大气由一定量的干空气和一定量的水蒸气混合而成，我们称其为湿空气。

注意

空气环境内的空气成分和人们平时说的“空气”，实际是干空气加水蒸气，即湿空气。2.湿空气的基本状态参数压力密度含湿量相对湿度焓露点温度

由于空气和水蒸汽所组成的湿空气也应遵循理想气体的变化规律，所以适用以下公式本小节将以以上公式为基本介绍或压力由道尔顿定律分压定律

湿空气的总压力为p

或水蒸汽分压力大小直接反映了水蒸汽含量的多少

从气体分子运动论的观点来看

密度湿空气的密度＝干空气密度+水蒸气密度单位容积的湿空气所具有的质量，称为密度

含湿量在湿空气中与lkg干空气同时并存的水蒸汽量称为含湿量

由Vg=Vq=VTg=Tq=T

，以及Rg=287J／(kg·K)Rq＝46lJ／(kg·K)

当大气压力B一定时，水汽分压力只取决于含湿量d相对湿度湿空气的水蒸汽压力与同温度下饱和湿空气的水蒸气压力之比

湿空气的相对湿度与含湿量之间的关系可导出

焓干空气的焓

+水蒸汽的焓

tCtCigpgpq..2500+==（1+d）千克湿空气的焓为

或露点温度

温度下降到使得空气的d值等于表中某一饱和含湿量值时，这个所对应的温度称为该未饱和空气的露点温度。

换言之，露点温度就是当湿空气下降到一定温度，有凝结水出现时的温度

出现结露现象无结露现象3.湿空气的焓湿图

湿空气的焓湿图是在不同的大气压力B下，纵坐标是其焓值，横坐标是含湿量值。焓湿图组成等焓线等湿线1.d2.等温线等相对湿度线3.5.4.水蒸汽分压力线热湿比线0102030500030002000100006000-2000dAdBABiAiB空气状态变化在i-d图上的表示ABB`用线确定空气终状态4.湿球温度湿球温度的概念在空气调节中至关重要

湿球温度是在定压绝热条件下，空气与水直线接触达到稳定热湿平衡时的绝热饱和温度，也称热力学湿球温度。理论上绝热加湿小室

稳定流动能量方程式

twPPt1,d1i1t2,d2i2等湿球温度线

AdAdStBtSBSiSiS

已知干湿球温度确定空气状态

5.焓湿图的应用湿空气的焓湿图不仅能表示其状态和各状态参数，同时还能表示湿空气状态的变化过程，并能方便地求得两种或多种湿空气的混合状态。湿空气的加热过程

湿空气状态变化过程等焓减湿过程等焓加湿过程湿空气的冷却过程变化过程的特征表湿空气的加热过程湿空气的冷却过程等焓减湿过程等焓加湿过程ABA

BA

CCEA

EA

DD等温加湿过程A

F冷却干燥过程AG多变过程

FGⅠⅡⅢ

Ⅳ

象限热湿比状态参数变化趋势过程特征idtⅠε>0＋＋±增焓增湿，喷蒸汽可近似实现等湿过程Ⅱε<0＋－＋增焓，减湿，升温Ⅲε>0－－±减焓，减湿Ⅳε<0－＋－减焓，增湿，降温i-d图中不同象限内湿空气状态变化过程的特征过程图不同状态空气的混合态在i-d图上的确定两种状态的空气混合规律

dAiAdBiBiCdCBCAACB过饱和区空气状态变化过程图

ADCBictDid100%二、空调系统负荷的确定

室内外空气计算