低温工质2011s

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1、第一章低温工质的性质1.1 低温工质种类及热力性质 低温工质在低温技术中用于进行制冷循环或液化循环的工质通称之。2低温工质与制冷工质的不同 既作为制冷工质，又作为原料、产品； 可以是相变制冷，也可是单相制冷； 常温、常压下为气态，临界温度低，较难液化； 常温及一般低温下，压力不很高（和常压比）时，近似理想气体。低温与制冷循环的区别 可能是闭式循环，也可能是开式循环 高低温热源温差较大，须采用回热系统3低温工质的种类 120K级的低温：天然气组分，如烃类（烷、烯、炔） 80K级的低温：空气成分 20K级以下的低温：氢气的液化（ H2 20K）氦的液化（ He 4.2K） 液态低温工质：液氦、液氧

2、、液氢、液氖等4甲烷、氧、氩、空气、氮、氖、氦、氢、氪、氙常用低温工质的基本性质项目 符号 单位甲烷CH4氧 O2氩 Ar空气氮 N2分子量M 16.04 32.00 39.944 28.966 28.016气体常数R kJ/(kg.K) 0.51854 0.26 0.208146 0.287033 0.296768沸点TbK 111.7 90.19 87.29 78.9/81.7 77.36熔点 (近似 ) TmK 90.7 54.4 83.85 - 63.2临界温度TcrK 191.06 154.8 150.72 132.55 126.26临界压力pcrMPa 4.64 5.107 4.8

3、64 3.769 3.398三相点温度TtrK 90.66 54.36 83.81 - 63.15三相点压力ptrkPa 11.6676 0.152 68.92 - 12.5357固体密度 (近似 )skg/m3500 1400 1624 - 947饱和液体密度 Lkg/m3424.5 1142 1400 873 808饱和蒸气密度 Vkg/m31.8 4.8 5.7 4.48 4.61密度 (在 273.15K 101.32kPa时 )0kg/m30.7167 1.429 1.785 1.2928 1.2506气化热rVkJ/kg 509.54 212.8 163.02 205.5 199熔

4、化热 (近似 ) rmkJ/kg 58.6 13.95 29.55 25.3项目 氖Ne(n)-正常氢(e)-平衡氢(p)-仲氢氦4He 氦3He 氪Kr 氙Xe分子量 20.183 2.016 4.003 3.016 83.8 131.3气体常数 0.41194 4.1241 2.076989 2.7800 0.099215 0.063322沸点 27.10320.39(n)20.28(e)4.224 3.191 119.8 165.05熔点（近似） 24.6 13.96 - - 115.95 161.35临界温度 44.4533.24(n)32.9(e)5.2014 3.324 209.4

5、 289.75临界压力 2.7211.297(n)1.287(e)0.2275 0.1165 5.51 5.88三相点温度 24.5613.95(n)13.81(e)- - 115.76 161.37三相点压力 43.30757.2006(n)7.0406(e)- - 73.6 81.6固体密度（近似） 1400 86.7 190 143 2900 3540饱和液体密度 1204 70.8 125 60 2413 3057饱和蒸气密度 4.8 1.34 15.5 22 8.95(120K) -密度（在273.15K101.32kPa时）0.9004 0.0899 0.1785 0.1345 3

6、.745 5.85气化热 85.7 447 20.8 8.5 107.5 96.2熔化热（近似） 16.62 58.7 5.7 - 19.55 17.626不同制冷剂的液态温度范围 液态范围随沸点的增加而增加，氧和丙烯不规则，化学键活跃。 甲烷的凝固点很接近O2的沸点，表明甲烷可能在液氧中可溶。NBP normal boiling point CP critical point TP triple point临界点沸点三相点氦甲烷氧氩氮氖氢7在Ne 的临界温度44.5K和 N2的凝固温度63.5K 之间没有任何流体可用来制冷 。O2在低压下也可以使用，但是液氧用于冷冻是非常危险的。另低压也会有

7、未察觉到的泄漏入罐，更危险。8几种低温流体沸点温度和临界温度之间的关系 在数据不足的情况下，经验值估算Tcr 大约是1.6倍的沸点温度，或者，沸点温度=60%Tcr He例外910转化温度和沸点之间的关系J-T转化温度大约是NBP 的8倍Ne、H2和He 则近似为9-10倍1.2 空气及其组成气体的性质 常温下的空气上无色无味的气体，液态空气是一种易流动的浅蓝色液体。 一般，当空气被液化时，二氧化碳已经清除，可认为液态空气的组成是 20.95% 氧、78.312% 氮和0.93% 氩 ，其它组分含量甚微，可以略而不计。1121%氧、 79%氮干燥空气的组成组分 体积（） 质量（）氮N2nitr

8、ogen 78.084 75.52氧O2oxygen 20.95 23.15氩Ar argon 0.93 1.282二氧化碳CO2carbon dioxide0.03 0.046氖Ne neon 18 10-412.5 10-4氦He helium 5.24 10-40.72 10-4乙炔及其它烃类 ethyne 2.03 10-41.28 10-4甲烷CH4methane 1.510-40.810-4氪Kr krypton 1.14 10-43.310-4氢H2hydrogen 0.510-40.03510-4一氧化碳COcarbon monoxide0.510-40.810-4氙Xe xe

9、non 0.08 10-40.36 10-4臭氧O3ozone 0.04 10-40.05 10-4氡Rn Radon 610-18710-17总计 99.9999 99.9999空气液化与蒸发冷凝 空气在定压下冷凝时温度连续地有所下降在标准大气压（ 101.3 kPa）下露点： 81.7 K泡点： 78.9 K由于高沸点组分 (氧、氩 )开始冷凝较多，而低沸点组分 （氮）到过程终了才较多地冷凝。13氧 O2氩 Ar空气氮 N2沸点90.19 87.2978.9/81.777.36熔点54.4 83.85 - 63.214空气液化与蒸发空气液化与蒸发 蒸发 液态空气为混合液，在定压下蒸发时温度

10、也是连续变化的。随着蒸发过程的进行，因 低沸点组分氮较多地蒸发，混合液组成发生变化，致使液体中的 高沸点组分氧含量相应地增加，沸点也就相应提高。1516泡点曲线TTp 001494.070.2905713.3log +=露点曲线Tp88.3330816.4log =p的单位：atmT的单位：K17空气性质 液态空气的凝固温度约 60.15 K，可以用作有效的冷却剂。 通过减压（抽真空）的方法，可以将液空沸点温度降低到 65 K左右。 但是这种操作是危险的，因为蒸发会使剩余的液体中氧的浓度增加，在减压用的真空泵里引起爆炸。18氧 原子量 16.000 氧是一种无色无味的气体。标准状态下的密度是

11、1.430 kg/m3，比空气略重。氧较难溶于水。氧的化学性质非常活泼，它能跟很多物质（单质和化合物）发生化学反应，同时放出热量；反应剧烈时会燃烧发光 8种同位素；三种稳定的同位素 O16、 O17、O18，比例为 100004 2020氧 在标准大气压下，氧在 90.188K时变为易于流动的淡蓝色 液体 ；在 54.4K时凝固成淡蓝色的 固体 结晶。 液氧和固态氧的淡蓝色是含有少量的氧聚合物O4引起的 臭氧（O3） 是氧的一种高度活泼的同素异形体，由于放电反应或紫外光反应而形成。臭氧存在于大 气层中（在常温常压下总量约3mm 厚），是防止太阳紫外线伤害皮肤的极其重要的物质 在 43.80K和

12、 23.89K时，固态氧发生 同素异形转变，并伴随有转化热。在 40.80K时转化热超过溶化热，约为23.2KJ/Kg；在23.89K 时转化热只有2.93KJ/Kg21氧的几个特殊点临界点T=154.576 KP=49.76 atmV=436.2 kg/m3沸点T=90.180 KP=1 atmV(liquid)=1141 kg/ m3V(vapor)=4.48 kg/ m322凝固点T=54.362 KP=1 atmV(liquid)=1307 kg/ m3三相点T=54.351 KP=1.50*10-3 atm =151.7 PaV(solid)=1359 kg/ m3V(liquid)

13、=1307 kg/ m3V(vapor)=10.8 g/ m3J-T曲线1pTHH TCP P= =氧的特性液氧有轻微磁性 ，且某些气态的氧化合物（如一氧化氮）也有顺磁性。在正常沸点时的顺磁性是 1.003应用 无重力条件下气液分离。 通过测量磁性，探测气体混合物中小量氧 氧磁性分析仪 富氧24a、磁性氧的特性气态和液态氧都具有化学活性，特别是和碳氢化合物。由于氧的化学活性，而带来一系列安全问题。有些爆炸就是由于氧和碳氢润滑剂的结合而引起的。虽然在 90K时大多数化学反应速率都极其慢，但若一个系统中含有液氧及能与它起反应的物质，只要在适当的条件下增加一点点的能量仍然会引起爆炸。b、化学性质活泼

14、25氧的特性 为了防止这些有害的化学反应，应用液氧的系统必须严格保持没有任何外来物质。 液氧设备必须由不会发生反应的材料来设计，例如，只有一些聚合物材料（塑料）才可用来做这种设备。因为大多数材料在机械碰撞下都会和氧发生剧烈反应，而且活性物质如 钛、铝等有潜在危险性，必须谨慎使用。b、化学性质活泼浸泡在液氧中的燃烧物质常用于并不昂贵的商业爆炸。26地球大气含氧 20.9%，火星的大气层仅含 0.15%的氧氧的特性单位质量的物质在常压下由液态转化为气态时需要的能量，它的单位是J/mol，J/kg。三相点54.351 K 沸点90.180 K 7761 J/mol 6812 J/molc、汽化潜热2

15、7蒸发单位质量固体所需热量。单位20.2-23.8K 23.8-43.8K 43.8-54.35K(气固) （气固）(气固)J/mol 9309-9265 9216-9131 8389-8207d、升华热e、饱和蒸气压力P：大气压T： K78675645342321ln TATATATATATATAAP +=62.59671851=A651009349868.4=A474550429.22=A861091471914.1=A231068973315.4=A1171013113688.5=A441048202337.5=A1481002656934.6=A28其它性质：维利系数、介电常数、粘性等f、维利系数2921() ()PRT BT CT = + + + P：大气压T： K氮 氮（摩尔质量为 28.0134）有两种稳定的同位素，质量分别是 14、15 ， 1000038 。 氮是一种无色无味的气体，比空气稍轻，难溶于水。 氮的化学性质不活泼，在通常情况下很难跟其它元素直接化合，故可用作保护气