氦气制冷机的工作原理

氦气制冷机的工作原理
氦气制冷机的工作原理

氦气制冷机的工作原理
深低温设备 - 工作原理
深低温设备的工作原理主要有气体液化和气体分离两个方面.
气体液化 　气体液化是根据液化循环,组织液化设备实现的.主要的液化循环有林德液化循环和克劳德液化循环.
深低温设备① 林德液化循环:利用节流阀的节流效应使原料气液化的循环（图1）.常压p1、常温T1的原料气在压缩机中等温压缩由状态1到状态2,相应的压力为p2,经换热器降温到状态3,然后通过节流阀降压,等焓膨胀到状态4.这时,部分气体就转变成液体,从贮液器排出；未液化的部分气体在换热器中复热至状态1,从而形成一个热力循环.
② 克劳德液化循环:利用等熵膨胀和等焓膨胀结合制冷来使原料气液化的循环（图2）.常压p1、常温T1的原料气在压缩机中等温压缩由状态1到状态2,相应的压力为p2,经换热器E1降温到状态3.此后气体分为两部分,一部分气体继续经换热器E2、E3,降温到状态4、5,再通过节流阀等焓膨胀到状态6.这时,部分气体转变为液体从贮液器排出；未液化的部分气体在换热器E3中复热至状态8,再汇合另一部分在膨胀机中等熵膨胀至状态8的气体,最后在换热器E2、E1中复热至状态1,从而形成一个热力循环.其他尚有在此基础上发展的液化循环,如带附加制冷循环（如带氨或液氮或其他冷源的预冷循环）的节流液化循环或等熵膨胀液化循环,带外加制冷循环（如外加氮制冷循环）等熵膨胀的液化循环、回热式气体制冷循环（见制冷机循环）和多级等熵膨胀的液化循环等.
以上各种循环均为理想循环.但在实际应用中,压缩机的压缩过程不是等温过程,换热器有复热不足和外热侵入的冷量损失,膨胀机有绝热损失和机械损失等,因此在实际制冷流程中需要采取补偿措施,以求流程的热量平衡.
气体分离 　常用的原料气分离原理有深低温精馏、深低温分凝和深低温吸附3种.①深低温精馏:先将原料气液化,然后再按各组分冷凝（蒸发）温度的不同,应用精馏原理分离出各组分.分离的过程是在深低温精馏塔中实现的.这种方法适用于被分离组分的冷凝温度相近的原料气,如从空气中分离氧和氮.②深低温分凝:利用原料气中各组分冷凝温度的差异,在换热器中降低原料气的温度,由高到低逐个组分进行液化,并在分离器中将液体分离.这种方法适用于被分离组分的冷凝温度相距较远的原料气如焦炉气的分离.③深低温吸附：利用多孔性的固体吸附剂具有选择吸附的特性,在深低温下吸附某些杂质组分,以获得纯净的产品.如利用分子筛吸附器在液态空气温度下从粗氩中吸附氧和氮,以获得精氩.
根据工艺的需要,有时单独使用一种原理,有时几种原理同时并用.
http://www.hudong.com/wiki/%E6%B7%B1%E4%BD%8E%E6%B8%A9%E8%AE%BE%E5%A4%87
原理
斯特林制冷机的理想工作过程是由两个定容过程和两个定温过程（见热力过程）组成的可逆循环（见热力循环）.工质在压缩腔被定温压缩后,经过回热器被定容冷却,然后在膨胀腔定温膨胀,再经过回热器被定容加热后返回压缩腔.要完成这样的理想循环,一个气缸内的两个活塞必须作间断运动.但实际上,两个活塞是利用同一根曲轴的转动作连续往复运动的；而且机器还存在余隙容器、工质流动阻力、换热器换热不完全和冷量损失等情况,故实际过程与理想过程有所差异.
　　图为单级斯特林制冷机的结构.压缩气缸和膨胀气缸组成一体.推移活塞把气缸工作空间分成膨胀腔和压缩腔.压缩活塞通过两个主连杆与曲轴上的两个曲拐相连；推移活塞由穿过压缩活塞的活塞杆和副连杆与曲轴的中间一个曲拐相连.这个曲拐与另两个曲拐保持一定的夹角.曲轴的转动使两活塞作差动往复运动,从而使气体压缩、膨胀和回热.气缸的周围装有水冷却器、回热器和冷凝器（即凝汽器）.在气体工质通道中设有阀门.当压缩活塞向上运动时,工质被压缩,从压缩腔排出,经水冷却器、回热器冷却和降温,然后经冷凝器内侧流入膨胀腔.推移活塞向下移动（此时压缩活塞仍向上,然后向下移动）,工质在膨胀腔内膨胀后温度降低,即产生冷量.当推移活塞向上运动时（此时压缩活塞仍向下移动）,工质继续膨胀后经冷凝器内侧对外输出冷量,依次进入回热器、水冷却器.低压低温的工质由膨胀腔回流至压缩腔时,在回热器填料中吸取热量而温度升高.气体经上述工作过程消耗了功,产生的热量由冷却水带走,消耗的功由电动机输入.冷凝器外侧的气体将热量传递给冷凝器,而使气体温度降低,直至冷凝成液化气体流下.
　　斯特林制冷机已由单级发展到双级和三级.为了增加机器的制冷量,还有利用四个单级制冷机并联组成的四缸回热式气体制冷机.
　　单级斯特林制冷机的致冷温度范围为173～73K,适用于空气液化和气体分离等.双级的致冷温度范围为12～15K,适用于氢和氖气的液化.三级制冷机的致冷温度为7.8K,还能为更低温度的物理实验提供冷源.当工质处于气液两相区时,最低温度可到3.1K.