華科大低溫技術原理與設備講義00緒論

能源與動力工程學院制冷及低溫工程教研室低溫技術原理與設備§0緒論

本章討論的問題:1、何為低溫科技2、低溫科技的應用3、低溫科技的發(fā)展（內(nèi)、外）概況4、低溫科技的國內(nèi)外差距5、我國低溫科技的近期、長期奮斗目標§0-1低溫技術

低溫：120k及以下--甲烷的液化溫度、標準沸點111.7k,120k及以上—制冷國際會議約定超低溫:0.3K

以下。低溫技術是指用各種獲得低溫的方法使氣體液化，或者使其一物體或空間達到并保持所需的低溫。

世界物質(zhì)的，物質(zhì)是運動的，運動是規(guī)律的，規(guī)律是可以認識的，認識了可以被應用（為人類造福）。如何應用……§0-2低溫技術的應用高新技術富國技術

低溫技術的應用相當廣泛主要有三種方式

一、分離氣體：1、空氣分離：生產(chǎn)O2，N2，Ar，H2，Ne,He，Ke，Xe2、油田氣及石油裂鮮氣：生產(chǎn)乙烯，丙烯3、天然氣：生產(chǎn)甲烷，乙烷He4、其它

二、液化氣體燃氣（LNG）石油氣LO2

90.2KLN2

77.4KLAr87.3KLH2

20.4KLHe

4.2KLKe78.8K 三、提供并保持低溫環(huán)境空間技術紅外技術超導技術生物醫(yī)學生物 醫(yī)療 機械制造農(nóng)業(yè)食品交通

氣體的應用從空氣中提取氧、氮和稀有氣體是低溫技術的一個重要方面。特別是為了獲得氧氣，所以，國內(nèi)的專業(yè)廠稱為制氧機(集團)公司（杭州、哈爾濱、邯鄲、吳縣、江西）或空分設備(集團)（四川、開封）。

一、氧：1、鋼鐵

氧主要用于煉鋼和冶煉有色金屬。在鋼鐵生產(chǎn)中，氧氣用來強化冶炬過程用作轉(zhuǎn)爐氧氣頂吹，平爐及電爐吹氧，以及高爐的富氧鼓風，切割，焊接以及燒通出鋼口和出鐵口等。特別是純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煉鐵已被各國普遍采用，成為一種最佳的煉鋼方法。治炬時間（包括輔助時間）只需40分鐘。這種方法與其它方法相比具有速度快，產(chǎn)量高，品種多，質(zhì)量好，投資省等優(yōu)點。

（a）轉(zhuǎn)爐頂吹用氧量每煉一噸鋼需要高純度的氧氣（99.5%O2,99.1%O2）50-60m3/h各種轉(zhuǎn)爐需要配備的制氧機容量（b）平爐吹氧煉鋼的耗氧量（P=5-6，濃度95%O2

工藝氧）

500T的平爐約需氧氣3000m3/h（c）高爐（21%O2以上）鼓風煉鐵——提高爐生鐵產(chǎn)量，降低焦碳消耗。若不用富氧鼓風時，一噸鐵需要600公斤焦碳，而600公斤焦需用一噸煤，而在開煤礦中采煤時，平均每四噸煤中才有一噸可用來煉焦。

如用重油噴射加25%O2富氣空氣鼓風，可以大大降低焦鐵比，每一噸鐵只需350㎏的焦碳據(jù)統(tǒng)計，高爐中富氧純度每提高1%，生鐵產(chǎn)量可以提高4-6%，焦鐵比可降低5-6%。 B在化學工業(yè)中的應用

在合成氨工廠，氧作重油和粉煤的氣化劑

合成氨工業(yè)對空分裝置能力的要求

C氧在國防及空間技術中的應用液氧是火箭燃料的助燃劑（氧化劑）—US載人登月飛船用的火箭，發(fā)射一次用了 2500TO2航空、航天中、液氧化作呼吸用。

在噴氣式戰(zhàn)斗機中，用作加速劑

D其它方面的應用煤的地下氣化合成燃料的生產(chǎn)磁流體發(fā)電氣焰開采巖石2氮

氮的主要用戶是化肥工業(yè)。氮氣是生產(chǎn)合成氨的原料氣。如硝酸銨含氮36%，硫酸銨在火箭技術中用作燃料氧化劑的含氮21%，尿素含氮46.7%。

液氮壓送劑

氮氣用于吹除火箭的各個系統(tǒng)液氮用作低溫冷源：H2，He恒溫器）

原子能工業(yè)中用純N2作保護氣洗滌導彈冷卻裝置。

在醫(yī)學和畜牧業(yè)方面保存和運輸血漿、牲畜的精液，低溫手術刀食品工業(yè)中，液N2快速冷凍食品，N2氣水果保鮮。低溫化學工藝：長期保存高活性，不穩(wěn)定物質(zhì)（如臭氧，自由荃等）的工藝

生產(chǎn)同質(zhì)異性產(chǎn)品（如H2O4）的反應

以及新的化合物（如氮，氙及氟的化合物）的合成等都必須在LN2溫度下進行。

超高純氮氣

制造環(huán)境保護氣計算機手機電子產(chǎn)品電子元氣件集成電路3、氫H2（氕H、氘D、氚T）

液H2用于火箭技術，主要作為火箭燃料，如US載人登月飛船用的火箭發(fā)射一次需LH290T。用泥漿式液一固H2

混合物作宇宙飛船的燃料，有便于攜帶、體積小和延長保存時間等優(yōu)點。我國的LH2火箭居世界前列，現(xiàn)在可對外服務。中子源（冷凍靶）新能源（清潔燃料）LH2汽車電動汽車4、稀有氣體大型空分裝置還可附加一些設備提取稀有氣體（全提取空分裝置） A．氬Ar

它在工業(yè)上的用途很廣，單晶硅的生產(chǎn)，稀有金屬一鈾，鈦，鋯，鍺等的冶煉以及收音機制造、造船、原子能工業(yè)，機械工來都要用氬作保護氣（氬弧焊）用Ar充填燈泡，日光燈和霓虹燈、電子管，可以激發(fā)光源。B、氖氣（紅光）Ne它的導電性高，主要用于充填電子管、鈉蒸汽燈，螢光燈和水銀燈，它們用作港口、機場和水陸交通的航標。在各種測量儀器上用作顯示裝置。（沸點27K）（氖還可用于研究基本粒子執(zhí)道的火花室的充填介質(zhì)）

C．氦He(4He、3He)

He在國防尖端技術中的應用最為突出。一個模擬宇宙的試驗艙，操作溫度為4K，壓力為133.3×10-10Pa,每周要消耗1500升LHe作為冷卻劑。He是目前達到最低溫的一種介質(zhì)（4.2K，2.2K發(fā)生相變，成為超流He）。在LHe溫度下，某些金屬R→0而成為超導體。利用超導材料可制造電機，計算機記憶系統(tǒng)。建立強磁場一磁懸浮列車一超導磁分離。一核磁成像。

在低溫電子學上將He用于人造衛(wèi)星期的通訊具有干擾小，精確度高，放大率特別大等獨特的優(yōu)點。且這些電子元件可以做得極小，一根直徑與頭發(fā)差不多的材料，可以做一個真空管。

氦氣具有很強的擴散性因此是最好的真空檢漏劑，火箭、導彈發(fā)射時，He被用作燃料（液H2，LO2）的壓送劑，He還用于氣冷式原子能反應堆中的載熱劑，還用于等離子體工業(yè)，氣體激光（氣體等塞），雷達探測，高空攝影等技術，在醫(yī)學方面，He與O2的混合作呼吸劑可醫(yī)治潛水病。因而海軍，深海打撈部門也使用He，He的舉力比氫（H2）小8%且安全，可用來充填飛船。

He主要從天然氣，核裂變物質(zhì)中提取，價高（200元/標m3G）3He地球上稀少，價高（普通氣體萬倍）月球上豐富單一工質(zhì)最低溫度（百mK級）稀釋制冷機（mK級） D．氪（Ke）Kr

用來充填高級電了管和燈泡，氪燈的透射率特別高，適用于越野戰(zhàn)車的照射燈，在測量宇宙輻射方面，用來充填游離室，在醫(yī)學上，利用氪對X射線滲透性較小的特性，可診斷人體內(nèi)部的空腔。E．氙（xian）Xe

（蘭光）氙氣具有極高的發(fā)光強度，其放電的光強度超過太陽光，充填的長弧氙燈有小太陽之稱，因而于充填閃光燈私有霧航空導航燈最為理想。醫(yī)學上，氙氣用作無副作用的深度醉劑，高壓氙燈還用來消毒。

用氪、氙混合氣充填電子管燈泡比相同功率的氬燈省電20-25%壽命長2-3倍。用氣體制冷機提供低溫環(huán)境主要為紅外服務、紅外攝影、偵察、精密制導，反道彈導彈系統(tǒng)（攔截系統(tǒng)）等，也可用于常規(guī)式器。此類制冷機主要有斯特林制冷機G-M制冷機威勒姆制冷機沙爾文制冷機單機提供多級冷源。

絕對零度（0K）問題能否實現(xiàn)追求10-8-10-14K§0-3低溫技術發(fā)展狀況低溫技術的發(fā)展始于19世紀末。

年代

達到溫度

介質(zhì)

188790KLO2

188377KLN2

189820KLH2

19084.2KLHe

19191KLHe減壓

19330.27K絕熱去磁

10-8~10-14—目前最低溫度

1914開始申請專利爾后建廠（天然氣液化）

1931提出用駁船運LNG

1939建立了逐級式（三級）循環(huán)

1941350×106Nm3/day2%Ni

400×106Nm3/day3.5%Ni

低溫貯運設備始于1898年，1905年西德制造了可置于車中的LO2容器

LNG船試航成功可供低溫的9%Ni等材料的發(fā)明

美國APCI-逐級式裝置占世界上80%

我國的發(fā)低溫技術發(fā)展狀況：

解放前，我國的低溫技術是一個空白，國內(nèi)只有幾臺進口的小型O2設備。維修也受外國人控制。低溫技術的發(fā)展始于解放后?，F(xiàn)有八廠二所，它們是杭州制氧機廠，哈爾濱、吳縣、江西、邯鄲、開封、四川、自貢機械一廠，杭州制O2機械研究所，四川空分設備研究所。

1953年

哈爾濱制氧機廠制成兩臺30m3/h制氧機，從此結(jié)束了我國不能生產(chǎn)制O2機的歷史，創(chuàng)建了國自己的制氧機制造業(yè)。

1956年

杭州通用機械廠一杭州制氧機廠前身生產(chǎn)了50m3/n制氧機和12升LO2/h移動式制氧車。1958年杭氧廠正式建立生產(chǎn)了150m3/n，并成功地制造出兩臺采用高低流程的空分裝置3350m3/n制氧機，隨后又相繼建立了開封、邯鄲，自貢等廠。

1968年

我國自行設計制造了一臺全低壓空分裝置3200m3/n制O2機（開封廠）和6000m3/n（杭）。

1970年

又設計制造出多種規(guī)格型號的制O2機。如

300m3/h 邯鄲

600（800）m3/h 哈爾濱

1000m3/h 開封

1500m3/h，1000m3/h 杭州60年代末到70年代初又相繼建立了四川、江西廠。

從而形成了我國自己的空分裝置產(chǎn)品系列。

天然氣、石油氣的分離裝置70年代起步，現(xiàn)有裝置10萬m3/day，50萬m3/day，（四川廠）

加速發(fā)展40000Nm3/ho2成功運行

§0-4 差距大型空分裝置（50000Nm3/h）

空分裝置節(jié)能、自動化、機電-體化

長壽命、高可靠性

天然氣（油田氣）液化分離設備制冷機制冷系統(tǒng)制冷器件其他

§0-5 奮斗目標

近期（八·五）

立足6000-10000m3/h，開發(fā)了30000m3/h（國產(chǎn)化率11%~30%，爭取最終達70%）

90%的大、中型空分設備達到及降80年代水平，其余達70年代中、末期水平

小型空分設備達到80年代初期水平

稀有氣體提取技術達到70年代末期水平

天然氣分離與液化設備達到

70年代中期水平

低溫貯運設備達到

80年代水平

溶解乙炔設備達到