棉花圖

[拼音]：shendiwen shebei

[英文]：cryogenic plant

產生和維持深低溫，使原料氣液化或分離並提純其組分的裝置，又稱深度冷凍裝置。深低溫是指遠低於普通製冷工程所達到和應用的溫度，其範圍一般為120K到接近絕對零度。深低溫裝置的用途很廣。例如，氧液化裝置和氫液化裝置能生產液氧和液氫，作為火箭的推進劑；氦液化裝置可生產液氦，用於研究超導材料、超導電技術、空間技術等。又如用天然氣分離裝置將原料氣分離，可生產乙烷、乙烯等輕烴化工原料；空氣分離裝置可生產氧氣和氮氣，供冶煉鋼鐵、製造合成氨等之用。20世紀70～80年代，空氣分離裝置在煤的氣化、汙水處理、紙漿漂白、石油蛋白的發酵和整合電路板生產等新領域得到了應用和推廣。

簡史

在地球上不存在天然的深低溫環境和深低溫物質，必須利用深低溫裝置方能獲得這樣的低溫。1877年，法國的L.P.凱泰和瑞士的R.皮克特分別用實驗室的製冷裝置，達到了90.2K以下的深低溫、獲得霧狀液態氧。1893年，英國的J.杜瓦在深低溫液化氣體的貯器方面首先製成真空瓶，被稱為杜瓦瓶。1895年，德國的C.von林德應用焦耳-湯姆森等焓節流效應，以壓縮機、管式換熱器和節流閥組成原始深低溫裝置，並用它液化空氣，使溫度達到80.9K。1898年，杜瓦在林德工作基礎上，用液態空氣預冷氫氣，再經節流閥等焓膨脹，將溫度降到20.4K以下而獲得液氫。1902年，法國的G.克勞德在林德液化裝置基礎上加上活塞式膨脹機，以等熵膨脹製冷方法為主也製成液化空氣的裝置。1903年出現了第一臺商品製氧機。1908年，荷蘭的H.卡默林-昂內斯用同樣原理將液氫預冷氦氣，並在絕熱條件下等焓膨脹，將溫度降到4.2K以下而獲得液氦。1965年，蘇聯的β.С.涅加諾夫等人發明稀釋製冷機，使溫度達到0.025K。70年代以來，人們應用退磁製冷技術使裝置的致冷溫度進一步降低。

工作原理

深低溫裝置的工作原理主要有氣體液化和氣體分離兩個方面。

氣體液化

氣體液化是根據液化迴圈，組織液化裝置實現的。主要的液化迴圈有林德液化迴圈和克勞德液化迴圈。

（1）林德液化迴圈:利用節流閥的節流效應使原料氣液化的迴圈（圖1）。常壓p1、常溫T1的原料氣在壓縮機中等溫壓縮由狀態1到狀態2，相應的壓力為p2，經換熱器降溫到狀態3，然後通過節流閥降壓，等焓膨脹到狀態4。這時，部分氣體就轉變成液體，從貯液器排出；未液化的部分氣體在換熱器中復熱至狀態1，從而形成一個熱力迴圈。

（2）克勞德液化迴圈:利用等熵膨脹和等焓膨脹結合製冷來使原料氣液化的迴圈（圖2）。常壓p1、常溫T1的原料氣在壓縮機中等溫壓縮由狀態1到狀態2，相應的壓力為p2，經換熱器E1降溫到狀態3。此後氣體分為兩部分，一部分氣體繼續經換熱器E2、E3，降溫到狀態4、5，再通過節流閥等焓膨脹到狀態6。這時，部分氣體轉變為液體從貯液器排出；未液化的部分氣體在換熱器E3中復熱至狀態8，再匯合另一部分在膨脹機中等熵膨脹至狀態8的氣體，最後在換熱器E2、E1中復熱至狀態1，從而形成一個熱力迴圈。其他尚有在此基礎上發展的液化迴圈，如帶附加製冷迴圈（如帶氨或液氮或其他冷源的預冷迴圈）的節流液化迴圈或等熵膨脹液化迴圈，帶外加製冷迴圈（如外加氮製冷迴圈）等熵膨脹的液化迴圈、回熱式氣體制冷迴圈（見製冷機迴圈）和多級等熵膨脹的液化迴圈等。

以上各種迴圈均為理想迴圈。但在實際應用中，壓縮機的壓縮過程不是等溫過程，換熱器有復熱不足和外熱侵入的冷量損失，膨脹機有絕熱損失和機械損失等，因此在實際製冷流程中需要採取補償措施，以求流程的熱量平衡。