低温复习资料.docx

一、范德瓦尔方程可按V的降幕排列写成：V3 - （b + RT）V2 + av - ab二0P p p在临界状态：从液体T气体状态的转态，没有比容的变化，且不需加气体潜热两种状态 无法区别由上分析知C点既是极值点，也是拐点，则有crRT=b + crPcr（嚳）Ter22 p)2v 2 Ter）=0解得：3v2crpcr+ 旦)(v - b) = RTv 2 cr crcrabV 3 =- cp cr、 微分节流效应和积分节流效应根据气体节流前后比焓值相等这一特征， 令（5-3）a h叫做微分节流效应，有时也称作焦耳一汤姆逊系数，可以理解为气体在节流时单位压降产生的温度变化对于正效应，所a h〉0，对于负效应，a h〈0压降△ p=p2—pl为一有限数值时，节流所产生的温度变化叫做积分节流效应，可按下式计算出 住理想气体的微分节流效应为零制冷区40制热区K 5-3氟的转化曲线T = ftp）三、转化温度与转化曲线：在一定的压力下，气体具有某一温度时，微分节流效应可以等于 零，这个温度叫做转化温度已知气体的状态方程时，转化温度可以由方程（5—4）计算得 到以下通过范德瓦尔方程分析转化温度的变化关系。

对于 l 摩尔气体，遵守范德瓦尔方程，则有将上式代 入方程（5 — 4 ）中，并令a h = 0，得示转化温度与压力的关系，它在T—p图上为一连续曲线转化温度与压力的关系曲线称作转化曲线虚线是按式（5—7）计算的，实线是用实 验方法得到的图中的Tinv'为上转化温度，Tinv”为下转化温度两者的差别是由于范 德瓦尔方程在定量上不准确引起的由上图以及理论分析可知，转化曲线将T—p图分成了 制冷和制热两个区域，并存在一个最大转化压力，即对应该压力，只有一个转化温度，大于 该压力，不存在转化温度，小于该温度，存在两个转化温度，分别称为上转化温度和下转化 温度转化曲线外，是制热区， ha 〈0，节流后产生热效应，转化曲线内，是制冷区， ha 〉0， 节流后产生冷效应因此，在利用气体节流制冷时，气体参数的选择要保证节流前的压力不 得超过最大转化压力，节流前的温度必须处于上下转化温度之间等温节流效应：气体经过 等温压缩和节流膨胀之后之所以具有制冷能力，是因为气体经等温压缩后比焓值降低，气体的制冷能力是等温压缩时获得的，又通过节流表现出来等温节流效应是等温压缩和节流这 两个过程的综合四、绝热节流制冷循环：简单绝热节流制冷循环称作林德 （ Linde ）循环，系统组成如图5—5所示。

图5 —6为循环的T-s图系统由压缩机、冷却器、逆流换热器、节流阀和蒸发器组 成对于理想循环，制冷工质在压缩机里从低 压pl压缩到p2,经冷却器等压冷却至常温（点 2）上述过程可近似地认为压缩与冷却过程同 时进行，是一个等温压缩过程，在T—s图上简 单地用等温线1'—2表示然后经逆流换热器 器冷却至状态3，经节流阀节流后到状态4并进 入蒸发器在蒸发器中，节流后形成的液体工 质吸收被冷却物体的热量（即冷量）蒸发为蒸 气处于饱和状态的蒸气回流至换热器中用于五、等熵膨胀制冷：高压气体绝热可逆膨胀过程，称为等熵膨胀气体等熵膨胀时，有功输 出，同时气体的温度降低冷却高压正流气体，在理想情况下，本身复热到温度T1,然后被吸入压缩机，完成整个循环 绝热节流制冷循环用于气体的液化，又称为节流液化循环优点：可靠性高、组成简单、便 于微型化，轻量化缺点：该绝热节流制冷循环的性能系数低，经济性较差，这是因为，作 为节流过程，是典型的不可逆热力过程：此外，在热交换器中，存在由换热温差引起的不可 逆损失对 于 理 想 气 体 ， 膨 胀 过 程 的 温 差产生冷效应这是制冷的重要方法之一常用微分等熵效应aS 来表示气体等熵膨胀过程中温度随压力的变化，其定义 为：;对于实际 气体，如图，由于等熵膨胀过程有外功输出，所以必须使用膨胀机。

当气体在膨胀机内膨胀 时，由于摩擦等熵过程的温差、漏热等原因，使膨胀过程成为不可逆，产生有效能损失，造 成膨胀机出口处工质温度的上升，制冷量下降工程上，一般用绝热效率sn来表示各种不5-11 !可逆损失对膨胀机效率的影响，其定义为： _即为膨胀机进出口的实际比焓降hpr与理想比焓降（即等熵焓降）hid之比％ = lir + , 即制冷量为等温节流效应与膨胀功之和 比较微分等熵效应和微分节流效应两者之差为：■5-121因为v始终为正值，故a s>a h0因此，对于同样的出参数和膨胀压力范围，等熵膨胀的温降比节流膨胀的要大得多 对于气体的绝热膨胀，从温度效应及制冷量来看，等熵膨胀比节流膨胀有效得多除此之外， 等熵膨胀还可以回收膨胀功，因而可以进一步提高循环的经济性在实用时尚有如下一些需 要考虑的因素：1）等熵膨胀比节流膨胀要有效得多，除此之外，等熵膨胀还可以回收膨胀 功，因而可以进一步提高循环的经济性用节流阀，结构比较简单，也便于调节；2）等熵 膨胀则需要膨胀机，结构复杂，且活塞式膨胀机还有带油问题；3）在膨胀机中不可能实现 等熵膨胀过程，因而实际上能得到的温度效应及制冷量比理论值要小，这就使等熵膨胀过程 的优点有所减小；4）节流阀可以在含液量大的气液两相区工作，但带液的两相膨胀机其带 液量尚不能很大；初温越低，节流膨胀与等熵膨胀的差别越小，此时，应用节流较有利。

六、气体液化的热力学理想循环是指由可逆过程组成的循环，在循环的各过程中不存在任 何不可逆损失如图3-4所示，设欲液化的气体从与环境介质相同的初始状态P「［（点1） 转变成相同压力下的液体状态片、T（点0）,气体液化的理想循环按下述方式进行:先将气 体在压缩机中等温压缩到所需的高压p2，即从点1沿1—2线到达点2 （p2、T1）所示状态； 然后，在膨胀机中等熵膨胀到初压p1，并作外功，即从点2沿2—0线到达0（p「T0）所示 状态而全部液化此后，液体在需要低温的过程中吸热气化并复热到初始状态，如图 3-4 中的0—3—1过程，使气体恢复原状不过这一过程不是在液化装置中进行循环所耗的功等于压缩功与膨胀功的差值w = T （s - s ） - （h - h ）表明，气体液化的理论最小功min 1 1 0 1 0仅与气体的性质及初、终状态有关气体液化循环的性能指标：单位能（功）耗w0表示获w0 =-得1kg液化气体需要消耗的功 y ［w——加工1kg气体循环所耗的功（kj/kg加工气体）；y——液化系数，表示加工1kg气体所获得的液化量］制冷系数为液化气体复热时的 单位制冷量q与所消耗单位功w之比，即£二qo每加工1kg气体得到的液化气体量为ykg， 0wy （h - h ）故单位制冷量可表示为q二y（h - h ）（kJ/kg加工气体）故：£ = 1 o ；循环效率0 1 0 w（或称热力完善度）F0M说明实际循环的效率同理论循环效率之比。

低温技术中广泛应用循 环效率来度量实际循环的不可逆性和作为评价有关损失的方法循环效率定义为实际循环的£制冷系数（£ ）与理论的制冷系数（£ ）之比，即：FOM =亠显然，FOM总是小于1pr th £thFOM值越接近于1,说明实际循环的不可逆性越小，经济性越好循环效率可以用不同的方 式表示由于相比较的实际循环与理论循环的制冷量必须相等，因此式（3-23）可写成wFOM = （q w ）（q w ） = m-于是，循环效率可表示为理论循环所需的最小功与实 0 pr 0 min wpr际循环所消耗的功之比此外在实际液化系统中反映部件的性能参数有如下一些：（1）压缩 机和膨胀机的绝热效率；（2）压缩机和膨胀机的机械效率；（3）换热器的效率；（4）换热器 和管道的压降；（5）设备与环境的换热量七、克劳德系统： Claude 系统是利用气体绝热膨胀，即使气体进入膨胀机膨胀并对外作功 获得大的温降及冷量1kg温度T1、压力p1 （点1‘）的空气，经压缩机K等温压缩到p2 （点2），并经换热器I冷却至T3 （点3）后分成两部分：一部分Vekg的空气进入膨胀机E 膨胀到P1 （点4）,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V二（1 - V ） kg的空气经ypr(h / 一 h ) + V (h 一 h ) 一 (q + q )1 2 e 3 4 2 3h / 一 h10th e换热器II、III冷至温度T5 （点5）后，经节流阀节流到p1（点6），获得y kg液体，其余pr（V -y ） kg 饱和蒸气返流经各换热器冷却高th pr压空气。

性能指标的计算：设系统的跑冷损失为q ；不完全热交换损失为求得实际液化系数32—Ah + V (h — h ) — XqT2 e 3 4 循环的单位制冷量h/ 一 h10q = y (h/ - h ) =-Ah + V (h - h ) - Xq衡量气体在膨胀机中实际膨胀过程偏离等0, pr pr 1 0 T2 e 3 4熵膨胀过程的尺度，称为膨胀机的绝热效率（1），它可用膨胀中膨胀气体实际焓降与等熵 sh - h h - h膨胀焓降之比来表示，即1 =t^ 亠=3 4Claude循环比Linde-Hampson循环的s h - h A h3 4 s s实际液化系数和单位制冷量大在Claude循环中，制冷量主要由膨胀机产生，其次为等温 节流效应八、精馏塔及其物料衡算、二元精馏、双级精馏塔连续 多次的部分蒸发和部分冷凝称为精馏过程空气的精馏过 程是在精馏塔中进行目前我国制氧机中所用精馏塔主要 是筛板塔如图4.10 所示，在直立圆柱形筒内装有水平放 置的筛孔板，温度较低的液体由上块塔板经溢流管流下来， 温度较高的蒸气由塔板下方通过小孔向上流动，与筛孔板 上液体相遇，进行热质交换，也就是进行部分蒸发和部分 冷凝过程。

连续经多块塔板后就能够完成精馏过程，从而 得到所要求纯度的氧、氮产品精馏原理：部分蒸发需外界供给热量，部分冷凝则要向外界 放出热量；部分蒸发不断地向外释放蒸气，如欲获得大量高纯度液氧，则需要相应地补充液 体；而部分冷凝则是连续地放出冷凝液，如欲获得大量高纯度气氮，则需要相应地补充气体 如果将部分冷凝和部分蒸发结合起来，则可相互补充，并同时获得高纯度的氧和氮精馏实 质：有三个容器I，II，III，其压力均为98.1kPa在容器I内盛有含氧20.9%的液空，容 器II和III分别盛有含氧30%及 40%的富氧液空将空气冷却到冷凝温度（82K）并通入容器 III 的液体中由于空气的温度比含氧40%的液体的饱 和温度（80.5K ）高，所以空气穿过液体时得到冷却，就 发生部分冷凝；而液体被加热，就发生部分蒸发当气液 温度达到相等时，与液体相平衡的蒸气中含氧只有14%02 将此蒸气引到容器II,由于30%O2富氧液空的饱和温度 （79.6K）比容器III中的温度低,，所以从容器III引出 的蒸气（80.5K）又继续冷凝，同时使容器II中的液体蒸 发当蒸气与30%O2的液体达到平衡状态时蒸气浓度又继续冷凝，同时使容器 II 中的液体蒸发。

当蒸气与 30%O2 的液体达到平衡状态时蒸气浓度就 变成9%02将此蒸气由容器II再引入容器I,再进行一次部分蒸发和部分冷凝过程，则蒸 气中氮又增加，含氧仅6.3%O在上述过程中，在气相中氧浓度减少的同时，液体中氧则增 加这样多次进行下去，最后可获得足够数量的高纯度气氮和液氧这就是利用精馏过程分 离空气的实质双级精馏。