上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 低温原理及应用 第五讲 气体液化2 2018年春季 黄永华博士、教授 答疑： 邮箱huangyh@sjtu.edu.cn;电话：34206295 或预约办公室：机动A楼432室
低温原理及应用 第五讲 气体液化2 2018年春季 黄永华 博士、教授 答疑: 邮箱 huangyh@sjtu.edu.cn ; 电话: 34206295 或预约 办公室：机动A楼432室
5.1用于氖和氢的预冷林德一汉普逊循环 ·氖、氢和氦气体最高转化温度 气体 最大转化温度 低于环境温度。 (K) He4 45 ·通过选取合适的流体的预冷系 统就可以使进入基本林德一汉 H2 205 普逊液化器的气体温度低于转 化温度。 Ne 250 具有三相点温度低于氖和氢最大转化温度的任何流体都能用作冷却剂
5.1 用于氖和氢的预冷林德－汉普逊循环 • 氖、氢和氦气体最高转化温度 低于环境温度。 • 通过选取合适的流体的预冷系 统就可以使进入基本林德－汉 普逊液化器的气体温度低于转 化温度。 气体 最大转化温度 (K) He4 45 H2 205 Ne 250 具有三相点温度低于氖和氢最大转化温度的任何流体都能用作冷却剂
用于氖和氢的预冷林德一汉普逊系统 N2系统 可以作为预 冷介质的流体： b 氟、氧、空气、 甲烷、氩和氮。 补充气体 液氮槽 通常液氮是 最便宜而且最 安全的低温介 质，因此，氢 和氖的液化系 统常用液氮作 为预冷剂。 液体 图3.22适用于液化氖和氢的液氮预冷林德一汉普逊系统
图3.22 适用于液化氖和氢的液氮预冷林德－汉普逊系统 可以作为预 冷介质的流体： 氟、氧、空气、 甲烷、氩和氮。 通常液氮是 最便宜而且最 安全的低温介 质，因此，氢 和氖的液化系 统常用液氮作 为预冷剂。 用于氖和氢的预冷林德－汉普逊系统
用于氖和氢的预冷林德一汉普逊系统的热力学分析 在氮预冷槽以下的氢系统的部分是一个简单林德一汉普逊系统， 液化率为： h7-h4 y- h7-hy N系统一“ 液氮的需要量： 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，针对没有漏 热的稳定流动， 补充气休 w 0=rinzhe +(ri-rin )h +ri hr -ringha -rith 液氮质量流量 压缩机的氢或 液化产品 氖的质量流量 质量流量 波体 0
• 在氮预冷槽以下的氢系统的部分是一个简单林德－汉普逊系统， 液化率为： y h h h hf 7 4 7 用于氖和氢的预冷林德－汉普逊系统的热力学分析 液氮的需要量： 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，针对没有漏 热的稳定流动， N2 1 N2 2 0 ( ) m h m m h m h m h mh c f f f a y h h h hf 7 4 7 液化产品 质量流量 液氮质量流量 压缩机的氢或 氖的质量流量
用于氖和氢的预冷林德一汉普逊系统的热力学分析 单位质量压缩氢或氖所对应的氮蒸发率为： z=m lm 联立上述两式得： h2-hi hi-hs 2= he-ha +y ne-ha 测单位质量液化氢或氖下氮的蒸发率为： i2= 2/m- mf m/m
单位质量压缩氢或氖所对应的氮蒸发率为： N2 z m m / 用于氖和氢的预冷林德－汉普逊系统的热力学分析 z h h h h y h h c a h h f c a 2 1 1 . N2 N2 . . . / f / f m m m z y m m m 联立上述两式得： 则单位质量液化氢或氖下氮的蒸发率为：
10.0 工质：氢 预冷剂：液氮 =1 otm T,294K 预冷温度 液化率 等原 P=80 atm 40 atm 受预冷槽的温度 限制（在63.2K以上） 9.0 8. 60 65 70 75 80 槽温度，K 图3.23在液氮预冷林德一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
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. 受预冷槽的温度 限制（在63.2K以上） 预冷温度 液化率
5.2用于氖或氢的克劳特系统 压缩机 液氮槽 补充气体 LN2 (m-mr） 比液氮 预冷的 me 林德一汉普逊 系统 循环效率 成 提高 膨胀机 50%75% 降温并不主要依赖于节流阀， 因此可用于氢或氖的液化。 J-T 阀 液体 图3.24生产液氢或氖的液氮预冷克劳特系统
图3.24 生产液氢或氖的液氮预冷克劳特系统。 比液氮 预冷的 林德－汉普逊 系统 循环效率 提高 50%～75% 5.2 用于氖或氢的克劳特系统 降温并不主要依赖于节流阀， 因此可用于氢或氖的液化
5.3氦制冷的氢液化系统 氨压缩机 液氮预冷槽有两个用途 R.He M M 氦制冷循环 氢或氖首先被压缩 液氨槽 补充气体 LN 改进的克劳德循环 主压缩机 但氦并不液化 (温度比液氢液氖低) W (m-m） 膨胀机 液体 图3.25氦气制冷的氢液化系统
图3.25 氦气制冷的氢液化系统 5.3 氦制冷的氢液化系统 氢或氖首先被压缩 氦制冷循环 改进的克劳德循环 但氦并不液化 （温度比液氢液氖低） 液氮预冷槽有两个用途
氦制冷系统与高压系统的比较 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 缺点： ·需用两台压缩机
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 缺点： • 需用两台压缩机 氦制冷系统与高压系统的比较
氨制冷的氢液化系统 氢或氖仅压缩到足于克服实 氢压缩机 际系统中经过热交换器和管 道的不可逆压降。 液氨槽 300 kPa~800kPa 补允气体 LN. 系统对氦制冷机压头不太敏 感。 主压缩机 (m-m） ·对于氦气压力为1MPa,当包 含产生液氮所需耗功时，实 际系统中单位质量液化耗功 氢膨胀机 约为11000kJ/(kgLH2),循环 液体 效率为0.11
• 氢或氖仅压缩到足于克服实 际系统中经过热交换器和管 道的不可逆压降。 300 kPa ～800kPa • 系统对氦制冷机压头不太敏 感。 • 对于氦气压力为1MPa，当包 含产生液氮所需耗功时，实 际系统中单位质量液化耗功 约为11000kJ/(kg LH2 )，循环 效率为0.11。 氦制冷的氢液化系统