第一章-2 低温发展史及获得方法

低温发展史及获得方法巨永林上海交通大学制冷与低温工程研究所机械与动力工程学院A楼412室13816471805，[e-mail]制取和运输冰块原始制冰机(1880年)DeliveryofCold(1900)UnloadingbargesintolocalicestorageLocaldeliverybyicewagonThelocalicemanHomeiceboxIceharvestingUserSourceUnloadingbargesintolocalicestorageLocaldeliverybyicetruckThelocalicemanIceplantElectricpowerplantHomeiceboxUserPowerlinesDeliveryofCold(1920)UnloadingbargesintolocalicestorageLocaldeliverybyicetruckThelocalicemanIceplantElectricpowerplantHomerefrigeratorUserPowerlinesFirstcouplingofrefrigeratortoapplicationDeliveryofCold(1930)RefrigeratorProblems$714$4501922Cost1922Model-TFord1922RepairEvery3monthsAveragesalary:$2000/yr1935RepairToxicrefrigerantleaksledtosomedeathsAdvancesRepairmanboredInstituteofRefrigerationandCryogenics1877Pictet(法)空气液化器SirJamesDewar1890年：低温真空夹套容器，保持低温Dewar（杜瓦）低温杜瓦InstituteofRefrigerationandCryogenics1895Linde(德)空气液化器DeliveryofCold(Cryogenics)AirLiquefactionandSeparation100t/dofO2•TypicalPlant•USProduction3000t/d(1955)1910Plant2t/dO2WeldingWelding,O2steelfurnace(1954)[e-mail]1895LindeO2liquefier10L/hrLinde-2stage-10Lhr1895.jpg1950sPlantInstituteofRefrigerationandCryogenics1908年：首次成功地把称为永久气体的氦液化，获得4.2K（-2690C）的低温源卡梅隆•昂纳斯1910：获得1.04K，超流体1911：发现水银电阻在4.2K时突然消失，即超低温使物质变成了新物态——超导体。Onnes宣布这一发现时，还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。HeliumLiquefaction(1950s)Collinsheliumliquefier•Invented1946;commercial1947•4L/h(original)•2Expansionengines(Kapitza)•400unitsworldwide(2005)•Allowed4KresearchworldwideCollins2-1946.jpgCollinsHeliqschematic.tifCollinsHeliquefier-ADL.jpgInstituteofRefrigerationandCryogenics20世纪上半叶1902Claude(法)实用空气液化系统，AirLiquide1907Linde(德)公司世界上第一个空气液化工厂1908Onnes(荷)氦液化，凝聚态物质研究之路，至今仍为物理研究主流方向(NobelPrize)1911Onnes(荷)发现超导性1926Goddard(美)液氧推进剂火箭1926Giaugue&Debye(美)绝热去磁(NobelPrize)1928Keesom超流性(NobelPrize)19331K低温磁制冷1934Kapitza(俄)氦液化膨胀机(NobelPrize)1937美低温粉末绝热球罐1942德V-2低温液体推进剂火箭试验成功InstituteofRefrigerationandCryogenics20世纪下半叶1957美国液氢火箭1958高真空多层绝热1954Gifford和McManhon(美)G-M制冷机1963Gifford和Longsworth(美)脉管制冷机1964两艘LNG船开始服役1966Hall(英)3He/4He稀释制冷机(NobelPrize)1972BCS理论:采用量子力学理论解释超导性和超流性这些独特而有趣的现象(NobelPrize)1985Klitzing量子霍尔效应(NobelPrize)1987Muller和Bednorz(瑞士)氧化物高温超导体(NobelPrize)；朱经武(美），赵忠贤（中）,高温超导热1990DeGennes磁有序态(NobelPrize)1997Chuetal.激光冷却捕获原子(NobelPrize)InstituteofRefrigerationandCryogenics1、相变制冷（液体、固体）低温获得方法2、膨胀制冷—节流，放气3、热电制冷、辐射制冷、吸附制冷4、磁制冷、氦3稀释制冷InstituteofRefrigerationandCryogenics1、相变制冷-液体汽化在制冷技术中最常采用的方法，此方法简单有效液体气化的制冷量ssThhrqv0压力↓，沸点↓，气化潜热↑，制冷量↑。为增大制冷量，液体在减压下气化是有利的。蒸汽压缩制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、蒸汽喷射制冷；氦液化装置中用液氢、液氮预冷氦气；低温恒温器保持物体低温；液氮冷刀；液氦抽气制冷（3He减压气化制取mK级低温）等。InstituteofRefrigerationandCryogenics原理：以固体制冷剂向高真空空间升华来获得冷量。其工作温度取决于制冷剂种类、系统压力和热负荷。如果改变蒸汽流量，从而改变系统背压，就可以保持一个特定的温度。制冷量srq0应用：冷却红外或射线探测器、机载红外设备等优点：1)升华潜热较高；2)储存密度较大；3)固体制冷剂温度较低，可提高红外探测器的灵敏度相变制冷-固体升华InstituteofRefrigerationandCryogenics常用固体制冷剂固体TKrskJ/kgρkg/m3固体TKrskJ/kgρkg/m3H213.9~8.351.1900Ar83.8~47.8205.31710Ne24.5~13.5105.41490CH490.7~59.8494.2520N263.1~43.4152.0940CO2216.6~125566.41700CO68.1~45.5295.01030NH3195.4~1501837.5800InstituteofRefrigerationandCryogenics大多数实际制冷或液化系统都利用节流过程（焦耳-汤姆逊）来获得低温。气体通过节流阀时，由于局部阻力。压力显著降低，称为节流。截流时间短，可看作绝热，如再忽略动能和势能变化，可将节流过程看作等焓过程。h1=h2由于摩擦阻力存在，实际节流过程是一个熵增的不可逆过程2、节流—无外功输出膨胀过程气体-节流InstituteofRefrigerationandCryogenics焦耳-汤姆逊系数hJT)PT(理想气体的焓值仅是温度的函数，气体节流时温度保持不变，而实际气体的焓值是温度和压力的函数，节流后温度会发生变化1[()]PJTpTCT理想气体：=0JTInstituteofRefrigerationandCryogenicsT()PT0JT节流时温度降低T()=PT=0JT节流时温度不变T()PT0JT节流时温度升高节流过程的物理特征InstituteofRefrigerationandCryogenics实际气体的节流膨胀p2InstituteofRefrigerationandCryogenics转化温度TabRbi212()2223[21]9iabTPRba转化温度与压力的关系()()PabRT2范德瓦尔状态方程气体转化温度与转化曲线InstituteofRefrigerationandCryogenics气体的最大转化温度气体最大转化温度(K)气体最大转化温度(K)He445氩Ar794H2205O2761氖Ne250CH4939N2621CO21500空气603NH31994CO652转化温度低于环境温度的气体不能通过单独节流获得液化！预冷+节流或采用膨胀机InstituteofRefrigerationandCryogenics25微分节流效应：以焦-汤系数表示。积分节流效应：等温节流效应：121221ppadpaTTThmpphhTphhhhhhTTcq1020210节流效应气体经等温压缩和节流膨胀之后具有制冷能力，是因为气体经等温压缩后焓值降低(在压缩过程中不但将压缩功转化成的热量传给了环境介质，且将焓差h0-h1也以热量的方式传给了环境介质)。气体的制冷能力是在等温压缩时获得的，但通过节流才能表现出来，故等温节流效应是这两个过程的综合。对空气、氧、氮、烷等常见气体，当提高节流前压力或降低节流前温度时，-ΔhT值增加。InstituteofRefrigerationandCryogenics有外功输出的等熵膨胀节流膨胀过程不能回收膨胀功，如采用带膨胀机的等熵膨胀循环则可以回收膨胀功。克劳特液化系统、斯特林制冷机和维勒米尔制冷机等就是用绝热膨胀的原理实现制冷的。微分等熵效应：等熵膨胀时温度随压力的变化率。InstituteofRefrigerationandCryogenics气体等熵膨胀时温度总是降低的等熵膨胀过程中，du+dw=duk+dup+dw=0。有外功输出dw0，膨胀后气体的内位能增大dup0，这些都需要消耗能量，只能由内动能来补偿duk0，所以温度必然降低。对于理想气体1121121ppTTTTsheTsqwhhhhhhhq02110200制冷量等熵膨胀的温差及制冷量随初温增高、膨胀比增大而增大InstituteofRefrigerationandCryogenics28节流与等熵膨胀的比较膨胀机能回收功，提高循环经济性。但节流阀也有优点节流与等熵膨胀的比较：1)节流阀简单，易于调节；膨胀机复杂，带油问题。2)膨胀机实际不能等熵，优点打折扣。3)节流阀可在两相区工作，但两相工作的膨胀机要求很高。在使用绝热膨胀得到低温的场合中，也常配合使用节流阀，特别是在低温段。4)初温越低，两者差别越小，宜选用节流阀。InstituteofRefrigerationandCryogenics气体绝热放气制冷绝热放气：容器内高压气体绝热排放过程中，容器内的气体对排出容器的气体做功，则容器内的气体温度下降气体-绝热放气InstituteofRefrigerationandCryogenics对于绝热放气而言，降压后必产生温降，不存在升温的现象。其输出功一般不能利用。压比一定时，绝热指数越大，温降越大，所以像氦这样的单原子气体可获得较大温降。随着压比增大，温降增大，但增长幅度越来越小，因此经济的压比不宜过大，为3-5。绝热放气特点这种获得低温的方式常用于小型低温制冷机和深低