低温气体膨胀制冷机的设计计算

论文总字数：20975字

摘 要

在航空航天领域等诸多低温应用领域，我们常会用到液氮罐等一些大型低温容器来进行冷量的储存。但是由于这些容器很难做到充分绝热，周围环境与容器之间会存在漏热使得容器内的饱和液体被加热汽化，同时也伴随着漏热的增加，容器中高压气体增多，使得容器中的压强不断增大而影响低温容器的正常使用。也正是基于这样一种实际情况的存在，结合现有的一些参考资料，本设计提出了对于低温活塞膨胀机的理论设计计算，旨在为存在上述情况的低温应用领域提供理论参考。

本设计中，先对整个系统的循环流程图进行了设计，随后分别对活塞式膨胀机进行了热力计算与冷量损失计算。在进行热力计算的时候又分理论循环与实际循环两种情况分别进行，随之又计算了每膨胀1kg高压氮气经过换热冷凝所能得到的液氮量，为氮气回收的意义提供一些参考。后又结合参考资料对膨胀机的配气机构进行了设计说明。与其他膨胀制冷系统所不同的是，本设计系统中将与高压氮气换热后的氮气与活塞热端结构中的气体进行了换热，将其冷量进行了进一步的回收与利用。本设计中所用的配气元件为旋转气阀，工作性能高而且还可以较好地避免延时启闭等不利情况的出现。

通过对于理论情况与实际情况两种情况的计算，每膨胀1kg高压氮气所得到的液氮量仍存在较大的差别，并且通过冷量计算我们也能很明显地发现，冷量损失的存在也极大地影响到了系统的性能指标，所以我们对活塞膨胀机进行设计计算的时候应充分考虑漏热等外在因素，尽可能地使其工作贴近于理论循环。

关键词：示功图，特性参数，冷量损失，配气机构

Abstract

In the field of aerospace and many other low-temperature applications, we often use liquid nitrogen cans and other large low-temperature containers for cold storage. However, since these containers are difficult to be sufficiently insulated, there is a heat leakage between the container and the surrounding environment so that the saturated liquid in the vessel is heated and vaporized, and the increase in heat leakage helps the high pressure gas in the vessel to increase. Increasing pressure affects the normal use of cryogenic containers. It is also based on the existence of such a practical situation, combined with some of the existing reference materials, the design proposed for the low temperature piston expander theoretical design calculation, in order to provide the low-temperature applications mentioned above with a theoretical reference.

In this design, the circulation chart of the whole system is designed at first, and then the thermodynamic calculation and the cooling loss calculation of the piston expander are respectively carried out. In the case of thermodynamic calculation, the theoretical cycle and the actual cycle are carried out respectively. Then, the amount of liquid nitrogen which can be obtained by heat transfer and condensation of 1 kg of high pressure nitrogen is calculated, which provides some reference for the significance of nitrogen recovery. And then combined with the relevant information on the expansion of the valve with the design of the valve. What is different from other expansion refrigeration systems is that the design of the system will be with the high-pressure nitrogen also has a heat exchange with the gas in the distal structure of the piston, for further recovery and utilization of nitrogen. The design of the gas components used in the rotary valve, with a high performance and can also better avoid delay and other adverse conditions such as the emergence of.

Through the calculation of both theoretical and practical conditions, there is still a large difference in the amount of nitrogen produced per kilogram of high pressure nitrogen, and it is also clear from the calculation of the cooling capacity that the presence of cold loss greatly affects the performance of the system indicators, so we should take full account of leakage and other external factors when designing the calculation of the piston expansion machine, to make its work close to the theoretical cycle as far as possible.

Key words: indicator diagram,characteristic parameter,cooling capacity loss,valve mechanism

物理量及符号表

压力，

绝热效率

绝热指数

工质的焓值，

比容，

气缸的工作容积，

活塞的行程，

充气度

相对压缩系数

进气阀相对压力损失系数

热力学温度，

制冷量，

膨胀比

工质的熵，

工质的质量，

工质的质量流量，

气缸的直径，

相对余隙容积

相对进气系数

排气阀相对压力损失系数

目 录

摘要 I

Abstract II

物理量及符号表 III

第一章 绪论 1

1.1 选题的背景和现实意义 1

1.2 活塞膨胀机的发展现状 1

1.3 活塞膨胀机的特点与分类 2

1.4 研究内容与研究方法 3

第二章 活塞膨胀机的工作原理及基本介绍 4

2.1 活塞膨胀机的工作过程 4

2.2 示功图及其特性参数 5

第三章 活塞膨胀机工作过程的热力计算 7

3.1 活塞膨胀机理论循环的热力计算 7

3.1.1一般结构的活塞膨胀机 7

3.1.2索尔凡制冷系统里的活塞膨胀机 8

3.2 活塞膨胀机实际循环的热力计算 10

3.2.1示功图上各特性点参数的确定 11

3.2.2气缸直径的确定 13

3.3 本章小结 14

第四章 活塞膨胀机冷量损失的分析和计算 15

4.1 活塞膨胀机冷量损失简单介绍 15

4.2 不完全膨胀及不完全压缩引起的冷量损失 15

4.3 进排气阀流动阻力引起的冷量损失 16

4.4 热量因素引起的冷量损失 17

4.5 冷量损失在T-s图上的近似表示 17

4.6 本章小结 18

第五章 活塞膨胀机的配气机构 20

5.1 概述 20

5.2 配气机构的结构 20

第六章 全文总结与建议 22

6.1 全文工作总结 22

6.2 展望与建议 22

致 谢 25

附录 26

第一章 绪论

1.1 选题的背景和现实意义

在大型低温容器中，由于容器本身并不具有严格的密闭性而存在着漏热，其内的低温液体会被加热汽化。伴随着容器漏热的增加，容器内会形成一定的温度梯度，最终使得容器上方是过热气体，容器下方是过冷液体。并且随着低温液体汽化的增加，容器内压力也会有所增加，伴随着容器内压力的不断升高，系统的安全性就会受到威胁。很多时候，为了保证系统的安全以及低温容器的正常工作，我们不得不释放掉容器中的一些高压气体。不过，这些带有压力的气体又具有再膨胀制冷的能力，如果直接将这些其他排放掉将会是极大的浪费。我们可以利用活塞式膨胀机将部分高压气体通过膨胀的方法将其压力降到所需要的程度，然后再将膨胀所得的气体与剩下的高压气体进行换热使其冷凝下来，从而达到降温降压的目的，进而确保系统的安全性。

能源是经济发展和社会进步的重要物质基础，随着人们生活水平的提高，人们对能源的需求量也越来越高，能源利用率也成为了人类进步程度的重要标志。随着现代科学技术水平的发展与提升，人们对于空间等诸多未知领域的探索也越来越多。在航空航天领域，特别是在载人空间站、二代导航、载人登月、深空探测等重大专项工程开展的时候，都会用到大型储氮罐，储氮罐在使用的过程中就会出现上述问题。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，本设计就是利用带压的低温氮气，进行膨胀制冷后再用它液化饱和高压氮气，通过理论研究设计计算出每膨胀1kg高压氮气可以回收到的液氮量，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，我们有时候需要不断地给系统供给冷量来维持制冷装置的正常运转。活塞膨胀机就是这样一种用来制取冷量的低温机械。对于制冷循环里的节流部分，我们既可以使用节流装置，也可以使用活塞式膨胀机来降低高压饱和气体的温度与压力，但是在相同的条件下，活塞膨胀机的制冷量要远比节流阀循环大一些，与此同时膨胀机的动力消耗却又比节流阀循环少许多，所以在提供冷量的主要配套机器中，活塞膨胀机要比节流装置占有更重要的位置，所以就目前看来，对于活塞式膨胀机的研究要节流装置更具有优越性。

1.2 活塞膨胀机的发展现状

社会需求和科技创新是推动人类社会生产力向前发展的两大动力。作为一种制取冷量的低温器械，随着工业生产和社会需求的不断提高，活塞式膨胀机也在不断地被改进与发展，目前也已出现了如氦气膨胀机和两相膨胀机等多种新型的活塞式膨胀机，对于活塞式膨胀机，既可以做得很小小到人手拇指指甲盖版大小，也可以做得很大。并且随着制冷工艺不断的发展，活塞膨胀机除了在一些高压比、小流量的小型膨胀机中仍然占据着主要地位外，伴随着空分装置的大型化，透平膨胀机已经得到大力的发展并开始有了逐渐取代活塞膨胀机的发展趋势，不过在高压和小流量的情况下透平膨胀机的效率远不能超过活塞式膨胀机，所以对于活塞膨胀机的研究与发展也在不断涌现着新的机遇与新的挑战。

在大力发展活塞膨胀机结构等方面的同时，对于活塞膨胀机的理论研究也在不断地展开，基于活塞膨胀机的运行工况条件、不同的膨胀比等，更多类型的膨胀机（例如可变膨胀比的滚动活塞式膨胀机）也在不断地被设计出来，并且这些新设计出来的膨胀机也在不断地得到改进与完善。目前对于发展活塞膨胀机的工作主要有：完善活塞膨胀机的设计计算方法、研制各种新型活塞膨胀机、对已有活塞膨胀机进行优化设计以及用微型电子计算机等对活塞膨胀机进行控制设计等。

此外，从事低温研究的高校、组织及部门也研究和发明了许多种低温设备，目前我国的低温技术也正在朝着现代化方向发展。

1.3 活塞膨胀机的特点与分类

膨胀机是利用将压缩气体通过膨胀的方式降压并向外输出功，从而使得气体温度降低并获得制冷量的一种机械。根据能量转换方式的不同，可将膨胀机分为容积式和透平式两大类，其中容积式膨胀机就是通过改变膨胀机的容积使气体膨胀对外做功制取冷量的，活塞式膨胀机就是容积式膨胀机中的一种。活塞膨胀机又有立式与卧式之分，但就目前而言，立式结构的活塞膨胀机的使用较卧式结构的活塞膨胀机更为广泛一些，根据低温装置制冷参数等的不同又可将活塞式膨胀机分为低压膨胀机、中压膨胀机和高压膨胀机，而高压膨胀机又有单级和双级之分，出于对系统的安全性等的考虑，高压膨胀机多采用双级。在低温装置中，高压活塞膨胀机多用于液化装置，而中压活塞膨胀机多用于中、小型空分装置，然而低压活塞膨胀机的应用场合较少。透平式膨胀机是通过气体膨胀时速度能的改变来传递能量的膨胀机，所以又常被称为速度型膨胀机。

不同种类的膨胀机，其用途、工作范围、需要通过的气量以及运转条件等也不尽相同，这也就决定了这些膨胀机之间结构的不同。活塞式膨胀机主要适用于中小型装置，也就是主要适用于压比大、流量小的场合，而透平膨胀机恰恰相反，这种膨胀机主要运用于压比小、流量大的场合。单阀活塞膨胀机又由于具有结构简单、压比高且易于控制调节等诸多优点，在小型制冷设备以及小型动力系统中有着较好的应用前景。

对于各种膨胀机的分类总结如下图1所示：

图1 膨胀机的分类

1.4 研究内容与研究方法

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