低温原理与设备试题

低温技术原理与装置试题(开卷)2007年11月姓名班级成绩一、简答题（每小题5分，共40分）1、简述低温工质状态参数与热量参数的主要求取方法。答：低温工质状态参数的主要求取方法有：利用状态方程、相关图表（手册）、简化公式等。对于实际气体热量参数的计算主要是计算它同理想气体的偏差，对热量参数的计算一般采用三参数法。根据所采用的数据的不同，有以下两种方法：临界压缩性系数法，偏心因子法。2、自由焓及其在相平衡与传质过程中的应用。答：自由焓又称为吉布斯函数，其数学表达式是GTsPVUTsHsdTVdpdGmax21WGG在可逆等温过程中系统所做的最大的功等于其自由焓的落差。在等温及等压条件下进行的过程，且无其他功时，012GG（“＝”为可逆过程。“＜”为不可逆过程）在低温技术中，自由焓可用来判断过程的可逆性，也称势力学势。3、相平衡计算的主要任务是什么？答：主要是为了计算混合工质在多相共存的状态下，达到汽液相平衡时，求解各工质的泡点温度和压力、露点温度和压力，闪蒸中的气化分率或冷凝分率，以及焓熵等。得到在某一状态下混合物工质的温度、压力、汽液相各组分浓度等基本物性参数。在此基础上，可以对混合工质的热力性质进行计算，以便为混合工质制冷系统分析提供基础数据。4、简述等温节流效应及其应用。答：等温节流效应0→1等温压缩过程，1→2节流，2→0等压吸热过程，q0=h0－h2=h0－h1=－ΔhT，q0=－ΔhT所吸热量即制冷量称为等温节流效应（图略）。应用等温节流效应来计算气体制冷机和液化装置的制冷量都很方便。5、康诺瓦罗夫定律是怎样应用于精馏过程的？答：对于较高蒸气压的组分，它在气相里的成分大于它在液相里的成分，这就是康诺瓦罗夫第一定律。康诺瓦罗夫第一定律的另一说法：对于较低沸点的液体，它在气相里的成分大于它在液相里的成分。如果在二元溶液的相平衡由线中有极值存在，那么在极值点上液体与蒸气的组成相同。这就是康诺瓦罗夫第二定律。康诺瓦罗夫第一定律是精馏原理的基础。精馏是先将气体混合物冷凝为液体，然后按各组分蒸发温度的不同将他们分离。当液体蒸发时，把产生的蒸汽连续不断从容器中引出，这种蒸发过程叫部分蒸发，将所产生的冷凝液连续不断从容器中导出，这种冷凝过程称为部分冷凝。连续多次的部分蒸发和部分冷凝称为精馏过程。6、简述液氦的λ相变及超流氦的特性与应用。答：从HeI变化到HeII成为液氦的λ相变。HeII具有其它液体所没有的特性，即超流性。HeII可看作是具有正常粘度的正常流体和粘度为零的超流体的混合物。正常流体与超流体的比例决定于温度（图略）。图中n流体的密度，s是超流体的密度，是HeII的密度。在点上，全部流体都是正常态的，1/n；而在OK时，全部流体都是超流体，1/s。超流体实际上没有粘度，所以HeII的总粘度随温度降低而减少。超流体可以无阻碍地通过极细的狭缝和小孔；并在和任何固体表面接触时会形成一层薄膜（其厚度约为2×10-5mm），此液膜能够相当快地蠕动到整个固体表面。HeII这种蠕动薄膜现象造成用抽真空方法难于使液氦（4He）达到很低的压力，负压气化4He所能获得的温度极限不低于0.5K。此外，HeII还具有喷泉效应（或称热-机械效应）、传递热波（即第二声波）以及在HeII和固体表面间存在着额外的界面热阻（卡皮查热阻）等异常特性。7、简述获得低温的方法。答：在低温技术中，获得120～1K的低温，常用压缩气体节流法、等熵膨胀法、4He减压蒸发法、绝热放气制冷。获得1K以下的低温，常用氦稀释制冷、顺磁盐或核绝热退磁制冷、3He减压蒸发制冷、3He绝热压缩制冷、综合制冷等方法。此外，还有固体升华制冷、吸附制冷，工质等压混合制冷、利用宇宙空间低温热汇（2～4K）辐射制冷等方法。低温制冷的方法概括为：相变制冷、气体绝热节流、气体等熵膨胀、绝热放气、绝热退磁。8、为什么说板翅式换热器是高效紧凑式换热器？答：1．传热效率高由于翅片对流体的扰动，使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于制造板翅式换热器金属的高导热性，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。2．紧凑由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达1000~2500m2/m3。3．轻巧由于紧凑且多由铝合金制造，所以显得轻巧。4．适应性大板翅式换热器可以适用于气—气、气—液、液—液间各种不同流体的换热，以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足不同的换热需要。工业上可以定型成批生产，以降低成本，扩大互换性。二.比较简单可压缩系统和简单磁性系统的状态描述及热力过程?(10分)三.证明二元汽液两相系在T’=T”,P’=P”时的相平衡条件为,gi’=gi”(i=1,2)。(10分)证明：在气相中，组分1的质量为1M，组分2的质量为2M，在这种情况下，吉布斯函数不仅与P，T有关，还与1M，2M有关，即),,,(21MMTPGGG的改变量应为：12121112,,,,,,,12()()()()TMMPMMPTMPTMGGGGdGdpdTdMdMPTMM前面已导得不变组分系统基本热力学状态方程sdTvdpdGVPGT)(，STGP)(STGVPGMPMMMT2121)(,)(,在变质量系统中我们曾导得：2,1)(gMGTMP2211dMgdMgsdTvdpdG2211dMgdMg同理，对于液相有'2'2'1'1'dMgdMgdG2211'2'2'1'1'dMgdMgdMgdMgdGdGdG*系统的约束条件：各组分间无化学反应，即21,MM为常数每种组分质量守恒11'1,MMM011'1dMdMdM，1'1dMdM2212MMM2'2dMdM将约束条件代入式（*）得'22'2'211'1'1dMgdMgdMgdMgdG'22'2'11'1)()(dMggdMgg平衡时0dG，动态平衡'2'1,dMdM不等于零，则只有1'1gg，2'2gg四.试设计一种中压或低压空分装置，画出原理流程图，该流程基于哪种液化循环？对流程作简要说明？(13分)答：中压空分装置采用克劳特液化循环，空气（1）经压缩机等温压缩到（2），并经热交换器Ⅰ冷却至T3后分成两部分，一部分Ve进入膨胀机到p1（t），温度降低并作外功，而膨胀后气体与返流气汇合流入换热器Ⅱ、Ⅰ以预冷高压空气；另一部分经换热器Ⅱ、Ⅲ冷至T5后，经节流阀节流到p1，获得Zprkg液体，其余（Vth－Zpr）饱和蒸汽返流经各换热器冷却至高压空气。五.试设计一种变压吸附制氧机，画出原理流程图，对流程作简要说明。(12分)答：PSA制氧机分加压吸附常压解吸（HP）和常压吸附真空解吸（VSA）两种方法，流程分两塔、三塔及多塔。分别实用于对产气量和纯度要求不同的场合。原料空气由压缩机或风机加压后，经过空气预处理装置除去油、尘埃等固体杂质及大量的水,并冷却至常温，经过处理后的压缩空气由进气阀进入装有干燥剂和分子筛的吸附塔，空气中的氮气、二氧化碳、水等被吸附，流出的气体即为高纯度的氧气，当吸附塔达到一定的饱和度后，进气阀关闭冲洗阀打开，吸附塔进入冲洗阶段，过后冲洗阀关闭，解吸阀打开进入解吸再生阶段（真空解吸流程抽真空），这样即完成了一个循环周期。如图所示,PSA制氧机的工艺流程比较简单,空气经由鼓风机1由塔底进入吸附塔2,这时空气中的氮、水份、二氧化碳、碳氢化合物等被塔内的吸附剂(分子筛)吸附,氧气则由塔顶的管道输入氧气缓冲罐11备用,当塔2中的吸附质达到一定的饱合度时,切换阀4、6、8自动关闭,切换阀5、7、9自动开启,吸附塔3开始工作,吸附塔2则通过真空泵减压将吸附质脱附排出,吸附剂恢复吸附能力。如此两塔(或多塔)进行周期切换,即可连续不断的获得所需氧气。若需提高氧气使用压力或进行储备,则需在氧气缓冲罐后加装氧压机12和储氧罐13。以上过程均通过程控系统指令自动运作,稳定而又可靠。PSA制氧机流程图1—鼓风(空压)机;2、3—吸附塔;4～9—自动切换阀;10—真空泵;11—氧气缓冲罐;12—氧压机;13—储氧罐六.根据实习、设计、教材、课堂教学和电教片所获得的知识，简述精馏计算的主要任务、双级精馏塔的结构与主要部件、空塔速度和溢流强度对塔内流动与传热传质过程的影响。答：以双级精馏塔为例：双级精馏塔由上塔、下塔和冷凝蒸发器组成。上塔（下塔）溢流斗筛板孔填料塔——填料及个管道阀门，（用于尺寸不大的精馏塔）板式塔——塔板等。以板式塔为例：经过压缩、净化并冷却后的空气进入下塔底部，自下而上流过每块塔板，至下塔底部就可以得到一定纯度的气氮。下塔塔板数越多，气氮纯度越高。氮进入冷凝蒸发器的冷凝侧时，被液氧冷却成液氮，一部分作为下塔回流液，沿塔板流下，至下塔塔釜便得到含氧36％～40％的富氧液空；另一部分聚集在液氮槽中，经液氮节流阀后送入上塔顶部作上塔的回流液。下板塔釜中的液空经节流阀后送入上塔中部，沿塔板逐块流下，参加精馏过程，只要有足够多的塔板，在上塔的最下块塔板上就可以得到纯度很高的液氧，液氧进入冷凝蒸发器的蒸发侧，被下塔的气氮加热蒸发。蒸发出来的气氧一部分作为产品引出，另一部分自下而上穿过每块塔板进行精馏，气体越往上升，其中氮的浓度就越高。存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vr