深度冷冻

简称深冷,将低温区的温度降到低于150K的制冷过程。深度冷冻和普通冷冻的工作原理是相同的,都是利用气体在膨胀过程中的自冷作用来取得低温,差别仅在于制冷温度不同。临界温度(见p-V-T关系)低于150K的气体,须在深度冷冻下才能液化,在某些气体液化过程中,直接利用待液化气体的一部分作为深冷的制冷剂,这时深冷技术也就是气体液化技术。液氧、液氮、液氢、液氦的制造,需要深冷技术;空间科学磁流体发电和核聚变等的研究,也需要极低温度的环境;在基本粒子和核物理的研究中,已需要接近绝对零度的低温,现已能达到2×10-7K。

深度冷冻液化气体的过程,可用简单的林德循环(见图)

图

说明:状态A的气体(p1T1)经多级压缩,压力增到p2,温度经冷却后回复到T1;状态B(p2T1)的气体,在换热器中预冷到T2,成为状态C(p2T2);再经节流阀膨胀到蒸发温度T3的湿蒸气区(状态D);用气液分离器分出饱和液体(状态E),分离后的干饱和蒸气(状态F)送至换热器中作为冷却流体,去预冷状态B的高压气体,本身则被加热回复成状态 A的气体,和补充的气体一起再次进入压缩机,完成循环过程。在此流程中,气体被分为两部分:液化部分 (分率为x)沿路线A-B-C-D-E 进行,作为产品分离出来;未液化部分(分率为1-x)沿A-B-C-D-F-A路线循环,起着制冷剂的作用。采用能作外功的膨胀机代替节流阀,可以降低能耗,因此,工业深冷装置的流程中,多用膨胀机。

近20年来,由于空间技术和国防工业的需要,深度冷冻技术发展很快。液氧和液氢可作火箭推进剂中的氧化剂和燃烧剂,液氦的产量迅速增长。为了实现天然气的液化和大吨位液化天然气的运输,研制了每小时能处理几十万立方米气体、工作温度低于130K的大型机组。在化学工业中,从合成氨尾气中分离回收氢,从焦炉气中分离制取氢,石油裂解气的分离等都要运用深冷技术。