论文总字数：19790字

摘 要

现有的液氮储 罐所采用的热 防护结构，仍存在大 量的漏热。本文意在依据膨胀制 冷的原理，解决以大型液 氮储罐为例的低温液态工质的储罐漏热而产生的冷量浪费问题和液氮汽化而产生的超压问题。在外界热维护结 构与储罐内部发 生热量交换时，储罐内液氮吸热，不断蒸发成氮 气。被蒸发的氮 气存于储 罐内，大大提高储 罐内压力。同时，由于液 氮储罐的容积很大，耐 压程度低，容易出现危 险状况。因此被 蒸发的低温氮 气不得不放 空泄压，保证液氮储 罐的安全。低温氮气被排 空是一种冷量 的浪费，因为低温氮 气具备一定的压 力和较低的温度，膨胀至安全排 放时的氮 气时，会释放氮气显热。可以在高压低温氮 气至可安全排放的氮 气之间的过程中，设计合理的设备回 收低温氮 气冷量。

本文根据 绝热膨胀制 冷原理，节流膨胀原理，分别以刚性容器、索尔文制冷机、节流膨胀阀为核心装置，实际适合的制冷装置原理图。对各个原理图进行分析，分解单个循环流程。列出单个过程的工质物性变化方程。从而计算出理想状态下各装置的理论制冷量。依据实际，分析各流程实际情况与理论之间的差别，分别计算或者预估冷量损失大小，整合后得出各设备的实际制冷量。

本文通过对三种不同的制冷机制冷过程，制冷量的分析，对比得出制冷效率高的热力学流程。在比较实际制冷量时，理解冷量损失对实际制冷量的影响。

关键词：绝热膨胀；索尔文制冷；节流膨胀；变质量热力系统；

Abstract

The thermal protection structure used in existing liquid nitrogen storage tanks will cause a lot of heat leakage. The purpose of this article is to solve the following problems based on the relevant principles of refrigeration: Liquid nitrogen storage tanks, for example, waste the heat generated by the leakage of high-pressure liquid pure material storage tanks. When the heat exchange between the external thermal maintenance structure and the inside of the storage tank occurs, the liquid nitrogen in the storage tank absorbs heat and continuously evaporates into nitrogen gas. The evaporated nitrogen is stored in the tank, which greatly increases the pressure in the tank. At the same time, due to the large volume of the liquid nitrogen storage tank, the degree of pressure resistance is low, and dangerous conditions are prone to occur. Therefore, the evaporated nitrogen has to be vented and pressure relief to ensure the safety of liquid nitrogen storage tanks. The evacuation of cryogenic nitrogen is a waste of refrigeration because cryogenic nitrogen has a certain pressure and a lower temperature, and has a higher energy than nitrogen when it is safely discharged. Between the high-pressure, low-temperature nitrogen and safe-emission nitrogen, a well-designed facility recovers cryogenic nitrogen refrigeration.

Based on the adiabatic expansion cooling principle and throttling expansion principle, this article uses rigid containers, Solon refrigerators, and capillary expansion throttle valves as the core devices. Analyze each schematic and decompose a single cycle. List the physical property change equation for a single process. Thus, the theoretical cooling capacity of each device under ideal conditions is calculated. According to the actual situation, analyze the differences between the actual conditions and theories of each process, calculate or estimate the amount of cold loss separately, and obtain the actual cooling capacity of each device after integration.

This paper compares the cooling process and cooling capacity of three different chillers, and compares the thermodynamic processes with high cooling efficiency. When comparing actual cooling capacity, understand the effect of cooling loss on the actual cooling capacity.

KEY WORDS：Adiabatic expansion; SV refrigeration; throttling expansion; variable mass thermal system;

目 录

一、 绪论 1

1.1. 选题的背景和现实意义 1

1.2. 索尔文制冷机的发展现状 2

1.3. 液氮储罐的发展现状 2

1.4. 液氮储罐漏热量计算校核 3

1.5. 研究内容与研究方法 3

二、 绝热膨胀的热力学设计 5

2.1. 绝热膨胀的工作原理与热力学分析 5

2.2. 以绝热膨胀原理设计制冷机 5

2.3. 用刚性容积实现的绝热膨胀制冷热力学计算 6

2.3.1. 绝热充气过程 6

2.3.2. 刚性容器里的热交换器 7

2.3.3. 绝热放气过程 8

2.4. 刚性容器阀门冷量损失的分析 8

三、 索尔文膨胀制冷 10

3.1. 索尔文制冷机的工作原理与装置设计 10

3.2. 理想状态下的索尔文制冷机热力学计算 11

3.2.1. 绝热升压充气过程（1-2-3） 11

3.2.1. 等压进气过程（3-4） 12

3.2.2. 等熵放气过程（4-5） 12

3.2.3. 等压排气过程（5-1） 13

3.3. 索尔凡制冷机的冷量损失的分析和计算 13

3.3.1 膨胀机示功图损失 14

3.3.2 热损失 16

3.3.3 空容积损失 17

四、 节流膨胀 19

4.1. 节流膨胀的热力学分析 19

节流装置的设计与冷量损失分析 19

五、 不同制冷方式的比较 21

5.1 理想状态下绝热膨胀与节流膨胀的比较 21

5.2 三种装置的制冷量比较 21

致谢 23

绪论

选题的背景和现实意义

在低温技术发展的100多年的历史里，伴随着低温技术的持续进步，与气体工艺相关的行业取得了迅猛的发展。其中，在机械、石油、化工等行业运用广泛的液态纯净物，例如液氧，液氮，液氦，LNG等，逐步发展，其应用逐步扩展至其他高精尖领域；例如新能源开采、环保、造船维护维修、交通、生物制药、航天等等。从市场的角度不难看出，低温液体的需求量迅猛递增。从而带动了深冷行业，特别是储存高压低温液体的大型绝热容器的高速发展。

在部分小型化工厂中，氮气的需求量较小^[23]。外购液氮替代专业产氮装置，储存于液氮储罐中。使用的氮气是液氮储罐中液氮经气化器处理的氮气。在需要氮气时进行输出汽化操作，控制液氮经汽化送出至各用气点。在液氮储罐中，由于低温液体工质沸点较低，在储存过程中因漏热无法避免各类蒸发损耗^[24]。液氮储罐中被蒸发的氮气存于储罐顶部，大大提高储罐内压力。同时，由于液氮储罐的容积很大，耐压程度低，容易出现危险状况。因此被蒸发的低温氮气不得不放空泄压，保证液氮储罐的安全。低温氮气被排空是一种冷量的浪费，因为低温氮气具备一定的压力和较低的温度，与安全排放时的氮气相比，具有更高的能量。在高压低温氮气至可安全排放的氮气之间，设计合理的设备回收低温氮气冷量。

能源是经济发展和社会进步的永远绕不开的话题。从远古时代人们发展至今。有且仅有人类走出森林。这与远古人类收集火种，学会将内能转换为其他的能量。当今时代，人们对能源的需求量也越来越高。随着人们生产力发展，生活水平提高，能源利用率逐步成为了人们更关心的一个问题。如何用能，如何用好能。并且谁能够更快更好地提高能源利用率，减少过程中不必要的熵增，谁能在商业时代抢占更多的市场。随着现代科学深度和广度上的探索与加深，空间学家对于地球以外的星系等诸多未知领域的探索也越来越多。在外太空探索领域，其中我国在载人空间站、北斗导航系统、载人登月、深海探测等重大专项工程都有所建树。在项目中，都会用到大型液氮储罐。液氮储罐在使用的过程中可能出现上述问题。由于受能源运输成本等诸多条件因素的限制，我们就需要尽现有技术在尽可能不改变系统工作效率等前提下最大程度地提高氮 气的利用率。本文设计意图利用高压低温氮 气，通过不同的方式将这部分氮气冷却后，再让它与饱和高压氮 气发生热量交换，通过设计的装置分析不同阶段的氮气经过何种热力过程，根据不同的热力过程计算出每膨胀1kg高压氮 气可以回收到的液氮量。这项工作可以提高所有大型液氮制冷设备的能量利用效率，为航空航天等相关事业提供强有力的理论依据及参考。

在低温装置中，制冷装置保持正常工作状态，维持恒定低温温度，需要不断补充冷量。利用高压气体压降制冷的方法有：绝热膨胀‘节流膨胀’自由膨胀^[9]。节流膨胀是运用最广泛的方式。常用的实现节流膨胀的机械有节流膨胀阀和毛细管^[10]。本文运用节流膨胀阀实现以节流膨胀为核心原理的装置设计。自由膨胀与所选工质的多变指数的取值相关。本文中未作详细讨论。绝热膨胀过程理论上没有熵增，所以以其为核心原理的流体机械不断发展突破。为与节流膨胀进行比较，采用刚性容器与进排气阀实现最简单的绝热膨胀过程。此外，以索尔文制冷循环为核心，设计适合给出条件的制冷设备，分析相对复杂的制冷过程。

索尔文制冷机的发展现状

1886年，索尔文循环由索尔文提出^[1]。由于斯特林循环的压缩过程，膨胀过程和传热过程均是在内完成的。机械部件过于集中，存在设备机振动大、工质之间污染等问题。索尔文制冷机则将以上提到的三个过程分别布置在不同的装置内完成，再由软管连接，其中膨胀过程的推移活塞由机械驱动。因此循环结构复杂，一直未被推广使用^[1]。上个世纪七十年代，美国公司APO^[2]改进索尔文制冷机，机械驱动被取代。改进后采用的波动腔，巧妙利用冷热腔压差推动气缸内推移活塞运动。

我国开始索尔文制冷机的研究与西欧其他国家相比，入门较晚。70年代末，引进了第一台索尔文制冷机及制冷机低温泵^[1]。索尔文制冷机结构简单、性能可靠、操作和维修容易的特点，才开启国内的索尔文制冷机的研制工作。1985年，核工业西南物理研究院的罗吉友等人^[3]研制出全国首台双极索尔文制冷机；1992年，由浙江大学低温实验室牵头，联合杭州制氧机研究所，中国科学院低温技术中心，北京科技大学和西安交通大学^[4]合作实现液氦温度的索尔文制冷机。该制冷机采用自行制备的新型磁性材料^[4]来提高低温蓄冷器的工作效率。同年，杭州制氧机研究所^[5]完成双极索尔文循环制冷机，可在300k至20k温区提供冷量。在国防军工、航天技术机械电子、医疗设备等行业和科学研究领域都有深冷机械的身影，改进的新型制冷机的发展有利于这些行业的进步

液氮储罐的发展现状

作为一种带压特殊容器，低温储罐运用于低温液化气体的运输储存工作。原有的传统压力器具，高压气瓶，被逐步取缔。低温储罐密封对环境的压力要求低；储存运输过程中，泄露少，效率高的特点，常常被用于化工、生物医疗等高精行业的气体储运。

由于低温储罐所储运的低温液化气体沸点极低（如液氮-196℃，液氧-182.96℃，液氦-268.9℃）^[11]，在运输或非密闭储存时，液氮储罐的保温性能和承载效率是工艺要求的重要指标。其中，良好的保温能力是低温储罐制作工艺的核心关键。而稳定的承载能力则是液氮储罐在运输过程中安全的重要保证。而低温储罐不仅带压且罐内温度低于常温，所以要求更为复杂，对于绝热的保证和安全性的考虑更多重要。例如：低温液化气体吸热后极易汽化膨胀，使得储罐内压力升高，不仅导致储存效率的降低，而且罐内压力过高会使得储罐安全性降低，易造成安全事故。

液氮储罐漏热量计算校核

现已知条件如下，液氮储罐容量为60立方，日损失为1%，液氮储罐的安全排放压力为8bar，经过膨胀制冷机后的排放压为1.1bar。根据热 物性数据库，氮的绝热指数为K=1.4,压力为8bar时，氮 气的沸点为101.12k，压力为1.1bar时，氮 气的沸点为78.49k。

氮的汽化潜热计算：

表 3-1氮气汽化潜热计算表

温度 (K)	压力 (bar)	密度 (kg/m3)	比容 m3/kg	定容比热容 (kJ/kg-K)	定压比热容 (kJ/kg-K)	焓 (kJ/kg)	熵 (kJ/kg-K)	热导率 (mW/m-K)	粘度 (uPa*s)
101.12	8	34.527	0.029	0.861	1.542	87.84	4.968	10.987	7.546
101.12	1.1	3.935	0.254	0.752	1.075	102.843	5.661	9.505	7.04
78.49	1.1	5.204	0.192	0.774	1.132	78.011	5.383	7.322	5.533
87.00	1.1	4.633	0.216	0.762	1.101	87.501	5.498	8.146	6.106

根据低温流体热物性数据库的查询，在压力为安全排放压力8bar时，汽化温度为101.112k，汽化潜热为158.44kJ/kg。

每日产生的漏热量为：

由以上计算得出液氮储罐稳定储存状态下，每日漏热量为64886.97kJ。

对于制冷设备而言，流程为开式循环，工质进出口性质如表2-1，设计中要求的设计制冷量为 。

研究内容与研究方法

本设计主要通过理论计算的方法，结合已知工况和温度等相关信息，对其工作原理进行了简要的概括与说明，并计算分析了不同制冷原理设备的热力学特性及其冷量损失。本设计主要有以下三个方面进行了论述：

1. 计算分析了液氮储罐的实际漏热量，根据储罐漏热量要求对冷量回收的制冷机进行了热力学设计；
2. 根据热力学设计的制冷机的不同种情况分别进行分析讨论，对所设计的压降制冷机进行理论热力计算分析与设计，对比不同种制冷机的制冷效率；
3. 考虑实际设备与理论计算之间的差距，计算相关冷量损失。
4. 比较理论计算后的制冷量和实际计算后的制冷量，分析不同制冷方式之间的区别与理论和实际制冷量的区别

绝热膨胀的热力学设计

绝热膨胀的工作原理与热力学分析

绝热膨胀过程是等焓膨胀^[12]。热力系统中减少的内能 ，全部被用于系统做功，即 ，绝热膨胀是可逆的 。向刚性容器内绝热充气是绝热膨胀一种典型的形式。把刚性容器视为热力系统，刚性容器体积 恒定不发生变化，系统与外界无能量交换（ ）所以热力系统发生绝热等熵过程。

对于理想气体来说，该过程会导致整个热力系统温度降低。对于非理想气体来说，该过程释放的内能可以表示为；

因为过程膨胀，即有 ，系统做负功，所以，

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：19790字