低温原理与设备试题
低温技术原理与装置试题
(开卷)2007年11月
姓名 班级 成绩
一、简答题（每小题5分，共40分）
1、 简述低温工质状态参数与热量参数的主要求取方法。
答：低温工质状态参数的主要求取方法有：利用状态方程、相关图表（手册）、简化公式等。对于实际气体热量参数的计算主要是计算它同理想气体的偏差，对热量参数的计算一般采用三参数法。根据所采用的数据的不同，有以下两种方法：临界压缩性系数法，偏心因子法。
2、 自由焓及其在相平衡与传质过程中的应用。
答：自由焓又称为吉布斯函数，其数学表达式是
G Ts PV U Ts H -+=-=
sdT Vdp dG -=
max 21W G G =-
在可逆等温过程中系统所做的最大的功等于其自由焓的落差。
在等温及等压条件下进行的过程，且无其他功时，012≤-G G （
“＝”为可逆过程。“＜”为不可逆过程）
在低温技术中，自由焓可用来判断过程的可逆性，也称势力学势。
3、 相平衡计算的主要任务是什么？
答：主要是为了计算混合工质在多相共存的状态下，达到汽液相平衡时，求解各工质的泡点温度和压力、露点温度和压力，闪蒸中的气化分率或冷凝分率，以及焓熵等。得到在某一状态下混合物工质的温度、压力、汽液相各组分浓度等基本物性参数。在此基础上，可以对混合工质的热力性质进行计算，以便为混合工质制冷系统分析提供基础数据。
4、 简述等温节流效应及其应用。
答：等温节流效应 0→1等温压缩过程， 1→2节流， 2→0等压吸热过程， q 0=h 0－h 2=h 0－h 1=－ΔhT ，q 0=－ΔhT 所吸热量即制冷量称为等温节流效应（图略）。应用等温节流效应来计算气体制冷机和液化装置的制冷量都很方便。
5、 康诺瓦罗夫定律是怎样应用于精馏过程的？
答：对于较高蒸气压的组分，它在气相里的成分大于它在液相里的成分，这就是康诺瓦罗夫第一定律。康诺瓦罗夫第一定律的另一说法：对于较低沸点的液体，它在气相里的成分大于它在液相里的成分。如果在二元溶液的相平衡由线中有极值存在，那么在极值点上液体与蒸气的组成相同。这就是康诺瓦罗夫第二定律。康诺瓦罗夫第一定律是精馏原理的基础。精馏是先将气体混合物冷凝为液体，然后按各组分蒸发温度的不同将他们分离。当液体蒸发时，把产生的蒸汽连续不断从容器中引出，这种蒸发过程叫部分蒸发，将所产生的冷凝液连续不断从容器中导出，这种冷凝过程称为部分冷凝。连续多次的部分蒸发和部分冷凝称为精馏过程。
6、 简述液氦的λ相变及超流氦的特性与应用。
答：从He I 变化到He II 成为液氦的λ相变。
He II 具有其它液体所没有的特性，即超流性。He II 可看作是具有正常粘度的正常流体和粘度为零的超流体的混合物。正常流体与超流体的比例决定于温度（图略）。图中n ρ流体的密度，s ρ是超流体的密度，ρ是He II 的密度。在λ点上，全部流体都是正常态的，1/=ρρn ；而在OK 时，全部流体都是超流体，1/=ρρs 。超流体实际上没有粘度，所以He II 的总粘度随温度降低而减少。超流体可以无阻碍地通过极细的狭缝和小孔；并在和任何固体表面接触时会形成一层薄膜（其厚度约为2×10-5mm ），此液膜能够相当快地蠕动到整个固体表面。He II 这种蠕动薄膜现象造成用抽真空方法难于使液氦（4He ）达到很低的压力，负压气化4He 所能获得的温度极限不低于0.5K 。此外，He II 还具有喷泉效应（或称热-机械效应）、传递热波（即第二声波）以及在He II 和固体表面间存在着额外的界面热阻（卡皮查热阻）等异常特性。
7、 简述获得低温的方法。
答：在低温技术中，获得120～1K 的低温，常用压缩气体节流法、等熵膨胀法、4He 减压蒸发法、绝热放气制冷。获得1K 以下的低温，常用氦稀释制冷、顺磁盐或核绝热退磁制冷、3He 减压蒸发制冷、3He 绝热压缩制冷、综合制冷等方法。此外，还有固体升华制冷、吸附制冷，工质等压混合制冷、利用宇宙空间低温热汇（2～4K ）辐射制冷等方法。低温制冷的方法概括为：相变制冷、气体绝热节流、气体等熵膨胀、绝热放气、绝热退磁。
8、 为什么说板翅式换热器是高效紧凑式换热器？
答：1．传热效率高 由于翅片对流体的扰动，使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于制造板翅式换热器金属的高导热性，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。
2．紧凑 由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，使得它的比表面积可达
1000~2500m 2/m 3。
3．轻巧 由于紧凑且多由铝合金制造，所以显得轻巧。
4．适应性大 板翅式换热器可以适用于气—气、气—液、液—液间各种不同流体的换热，以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足不同的换热需要。工业上可以定型成批生产，以降低成本，扩大互换性。
二. 比较简单可压缩系统和简单磁性系统的状态描述及热力过程?(10分)
三. 证明二元汽液两相系在T ’=T”, P’=P”时的相平衡条件为, g i ’=g i ”(i=1,2) 。(10分)
证明：在气相中，组分1的质量为"1M ，组分2的质量为"2M ，在这种情况下，吉布斯
函数不仅与P ，T 有关，还与"1M ，"2M 有关，即
),,,("""2"1M M T P G G =
"G 的改变量应为：
""""""121211""12"",,,,,,,12
"""""()()()()T M M P M M P T M P T M G G G G dG dp dT dM dM P T M M ????=+++????
前面已导得不变组分系统基本热力学状态方程
s d T v d p dG -= V P G T =??)(
， S T G P -=??)( S T
G V P G M PM M M T -=??=??"2"1"2"1)(,)"(, 在变质量系统中我们曾导得："2,"1)(g M
G TM P =?? "2
"2"1"1"dM g dM g sdT vdp dG ++-=∴ "
2"2"1"1dM g dM g +=
同理，对于液相有
'2'2'1'1'dM g dM g dG +=
"2"2"1"1'2'2'1'1"'dM g dM g dM g dM g dG dG dG +++=+=∴ * 系统的约束条件：
各组分间无化学反应，即21,M M 为常数
每种组分质量守恒 1"1'1,M M M = 01"1'1==+dM dM dM ，"
1'1dM dM -= 2"212M M M =+ "2'2dM dM -=
将约束条件代入式（*）得
'2
"2'2'2"1"1'1'1dM g dM g dM g dM g dG -+-= '2
"2'2'1"1'1)()(dM g g dM g g -+-= 平衡时 0=dG ，动态平衡'2'1,dM dM 不等于零，则只有
"1
'1g g =， "2'2g g =
四. 试设计一种中压或低压空分装置，画出原理流程图，该流程基于哪种液化循环？对流程作简要说明？(13分)
答：
中压空分装置采用克劳特液化循环，空气（1）经压缩机等温压缩到（2），并经热交换器Ⅰ冷却至T 3后分成两部分，一部分Ve 进入膨胀机到p 1（t ），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；另一部分经换热器Ⅱ、Ⅲ冷至T 5后，经节流阀节流到p 1，获得Z pr kg 液体，其余（V th －Z pr ）饱和蒸汽返流经各换热器冷却至高压空气。
五. 试设计一种变压吸附制氧机，画出原理流程图，对流程作简要说明。(12分)
答：PSA 制氧机分加压吸附常压解吸（HP ）和常压吸附真空解吸（VSA ）两种方法，流程分两塔、三塔及多 塔。分别实用于对产气量和纯度要求不同的场合。原料空气由压缩机或风机加压后，经过空气预处理装 置除去油、尘埃等固体杂质及大量的水,并冷却至常温，经过处理后的压缩空气由进气阀进入装有干燥剂 和分子筛的吸附塔，空气中的氮气、二氧化碳、水等被吸附，流出的气体即为高纯度的氧气，当吸附塔 达到一定的饱和度后，进气阀关闭冲洗阀打开，吸附塔进入冲洗阶段，过后冲洗阀关闭，解吸阀打开进 入解吸再生阶
段（真空解吸流程抽真空），这样即完成了一个循环周期。
如图所示, PSA 制氧机的工艺流程比较简单, 空气经由鼓风机1由塔底进入吸附塔2, 这时空气中的氮、水份、二氧化碳、碳氢化合物等被塔内的吸附剂(分子筛) 吸附, 氧气则由塔顶的管道输入氧气缓冲罐11备用, 当塔2中的吸附质达到一定的饱合度时, 切换阀4、6、8自动关闭, 切换阀5、7、9自动开启, 吸附塔3开始工作, 吸附塔2则通过真空泵减压将吸附质脱附排出, 吸附剂恢复吸附能力。如此两塔(或多塔) 进行周期切换, 即可连续不断的获得所需氧气。若需提高氧气使用压力或进行储备, 则需在氧气缓冲罐后加装氧压机12和储氧罐13。以上过程均通过程控系统指令自动运作, 稳定而又可靠。
PSA 制氧机流程图
1—鼓风(空压) 机; 2、3—吸附塔; 4～ 9—自动切换阀; 10—真空泵; 11—氧气缓冲罐; 12—氧压机; 13—储氧罐
六. 根据实习、设计、教材、课堂教学和电教片所获得的知识，简述精馏计算的主要任务、双级精馏塔的结构与主要部件、空塔速度和溢流强度对塔内流动与传热传质过程的影响。
答：以双级精馏塔为例：
双级精馏塔由上塔、下塔和冷凝蒸发器组成。
上塔（下塔）
{
{溢流斗筛板孔
填料塔——填料及个管道阀门，（用于尺寸不大的精馏塔）板式塔——塔板等。
以板式塔为例：
经过压缩、净化并冷却后的空气进入下塔底部，自下而上流过每块塔板，
至下塔底部就可以得到一定纯度的气氮。下塔塔板数越多，气氮纯度越高。氮进入冷凝蒸发器的冷凝侧时，被液氧冷却成液氮，一部分作为下塔回流液，沿塔板流下，至下塔塔釜便得到含氧36％～40％的富氧液空；另一部分聚集在液氮槽中，经液氮节流阀后送入上塔顶部作上塔的回流液。
下板塔釜中的液空经节流阀后送入上塔中部，沿塔板逐块流下，参加精馏过程，只要有足够多的塔板，在上塔的最下块塔板上就可以得到纯度很高的液氧，液氧进入冷凝蒸发器的蒸发侧，被下塔的气氮加热蒸发。蒸发出来的气氧一部分作为产品引出，另一部分自下而上穿过每块塔板进行精馏，气体越往上升，其中氮的浓度就越高。