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低 溫 工 程

低 溫 工 程. 第一章 制冷概論 1-1 如何制冷 1-2 低溫技術的發展 1-3 低溫技術的應用 第二章 低溫的獲得 2-1 溫區劃分 2-2 獲得低溫的方法 2-3 焦耳－湯姆遜係數 第三章 熱力循環 3-1 卡諾循環 3-2 理想之等溫源系統 3-3 等熵膨脹 . 第四章 氣體液化與分離 4-1 理想氣體的液化過程 4-2 林德循環 4-3 克勞特循環 4-4 氣體分離原理 第五章 製冷循環系統 5-1 焦耳湯姆遜制冷系統 5-2 史特靈制冷循環 5-3 維勒米爾制冷循環.

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低 溫 工 程

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  1. 低 溫 工 程 第一章 制冷概論 1-1 如何制冷 1-2 低溫技術的發展 1-3 低溫技術的應用 第二章 低溫的獲得 2-1 溫區劃分 2-2 獲得低溫的方法 2-3 焦耳－湯姆遜係數 第三章 熱力循環 3-1 卡諾循環 3-2 理想之等溫源系統 3-3 等熵膨脹

  2. 第四章 氣體液化與分離 4-1理想氣體的液化過程 4-2 林德循環 4-3 克勞特循環 4-4 氣體分離原理 第五章 製冷循環系統 5-1 焦耳湯姆遜制冷系統 5-2 史特靈制冷循環 5-3 維勒米爾制冷循環

  3. 1-1 如何制冷 利用物質的物理性質(例如 沸點.凝固點) 物理變化 (相變化) . 形成一個循環系統 藉由對系統環境吸熱或放熱的過程而 達到制冷的效果 . 物質三態變化圖

  4. 1-2 低溫技術的發展歷史 • 完成氧氣液化初步實驗 • Linde氏(慕尼黑)發現Linde Eismashinen AG • Wroblewski氏製造出霧狀之液氫,完成氮氣及氧氣液化技術 1884 Wroblewski氏製造出霧狀之液氫 1892 Dewar氏(倫敦)成功地發展出採真空隔熱方式之低溫液容器 1895 Linde氏於德國取得空氣液化機之專利 1898 Dewar氏(倫敦)在倫敦皇家研究院完成氫氣液化 1902 Claude氏(法國)利用膨脹引擎原理(主要用來 預冷高壓欲液化之空氣)

  5. Linde氏在美國建立第一家空氣液化工廠,Claude 氏(法國)利用空氣液化工廠分離 - 氖氣 • Onnes氏完成氦氣液化初步實驗及其它相關低 溫系統的研究(溫度達1.04K，約晚二年後) • Linde氏發展一雙塔式空氣分離系統 • Onnes氏首次發現水銀線在液氦沸點溫度以下 (極低溫)其電阻將趨近於零值，即所謂之超導(Superconductivity)現象 • Goddard氏首次引用液氧－汽油當動力以推進火 火箭之飛行 . 同年 Giauque氏及Debye氏等人獨自地建議以絕熱去磁(Adiabatic demagnetization)方法以產生超低溫(Ultralow temperature)環境(低於0.1K)。 • 發明Freon冷媒 1938 在氦氣中之超流體現象被發現與進行相關研究

  6. 1950 在歐美等地同時發展低溫生物工程－如血液及 粗液等之儲存 1975 高超導轉變溫度(23K)研發完成 1981 具超導磁石之磁共振影像處理技術完成(蘇聯) 1986 高溫瓷超導研製成功 1989 製冷劑氟利昂(Freon)禁止生產 以上資料參考來源 : 黃淳康博士著作

  7. 1-3 低溫技術的應用 • 超導技術方面的運用 • 空間技術方面的應用 • 真空技術方面的應用 • 紅外線技術方面的應用 • 醫學方面的應用 • 工業方面的應用 7. 固體物理方面的應用

  8. 2-1 溫區劃分 根據1971年國際制冷學會的建議 攝氏零度以下的低溫區可分為 普冷： 0 ℃ ~ －153 ℃ 普冷 ： －153 ℃ ~ － 272.7℃ 級低溫： － 272.7℃ 以下

  9. 2-2 獲得低溫的方法 • 相變制冷 : 利用物質相變潛熱的變化 達到熱量轉移的過程 • 熱電制冷 : 當迴路中通一電流時由於電 洞在P型半導體中的能階高於 在金屬片的能階,所以電洞從 金屬片流入P型半導體需要吸 熱進而達到制冷的效果

  10. 3.絕熱膨脹 (1) 等焓絕熱膨脹: 為1852年焦耳-湯姆遜效應 利用高壓氣體通過小孔絕 熱膨脹節流而變為低壓氣 體時會產生低溫效應

  11. (2) 等熵絕熱膨脹: 1.等熵膨脹時氣體會對外作功， 導致氣體內能大幅降低。 2.等熵膨脹後氣體分子間平均距 離增大，導致分子間引力而產 生的位能也相對增加。 但是整個過程中沒有外界之熱 量與功輸入，因此只有降低分 子的動能使氣體溫度下降，產 生製冷能力。

  12. 2-3制冷循環 絕熱壓縮(Adiabatic compression) 等溫壓縮(Isothermal compression) 等溫膨脹(Isothermal expansion)

  13. 焦耳–湯姆遜 製冷器之原理 • 經過一節流裝置後會有一 壓降產生(或謂節流膨脹) 致使其溫度亦有一溫降現象 (除氫氣與氮氣外)，此早為 Joule氏與Thomson氏兩位 學者所發現

  14. 節流裝置可以用節流前後之 溫差與壓降之比值，即下式

  15. 線上任何一點的斜率即值 －即為焦－湯係數 > 0 降溫 < 0 升溫

  16. 3-1卡諾循環 熱力循環是由二可逆絕熱過程 (等熵過程)及二等溫過程所構成

  17. W＝QC - QE；T-S線圖中1-2-3-4所圍成 的面積者 而製冷之性能係數定義為

  18. 3-2 理想之等溫源系統 理想的等溫源系統所構建的 製冷器即是依卡諾循環所制 1. 過程1→2中工作介質(冷媒) 被壓縮時能量被棄之熱沉,使 維持冷媒溫度於一定常值， 此過程為一等溫壓縮過程

  19. 2.過程2→3中工作介質（冷媒） 由熱沉溫度TC進行可逆及絕熱 膨脹至熱源溫度TE，此過程為 一絕熱膨脹過程。

  20. 3. 過程 3→4 中能量由熱源 傳入製冷介質，此過程是 在冷媒依然維持在一定常 溫度下進行，即為一等溫 膨脹過程。

  21. 4.過程4→1中冷媒由熱源溫度TE 進行可逆及絕熱（等熵過程） 壓縮至熱沉溫度TC，此過程為 絕熱壓縮過程。

  22. Wnet 為淨膨脹功(Net work expended) 為循環過程中每單位質量流率

  23. 3-3等熵膨脹 進行絕熱膨脹之氣體熱力 變化，即所謂之等熵膨脹 1.等熵膨脹時氣體會對外作功 導致氣體內能大幅降低。 2.等熵膨脹後氣體分子間平均距 離增大，導致分子間引力而產 生的位能也相對增加。 但是整個過程中沒有外界之熱量與功輸入，因此只有降低分子的動能使氣體溫度下降，產生製冷能力。

  24. 4-1 理想氣體的液化過程 氣體液化及相關設備的工程技術 可說是低溫工程(Cryogenic engineering) 相當重要的一部分.在本章節中將 根據理想氣體液化系統的基本觀 念及分析模式，分別介紹在氣體 液化系統中常見之幾種基本系統

  25. 4-1理想液化系統之熱力過程 * 理想液化系統之熱力過程 即是所謂之卡諾循環 * 首先是一可逆等溫壓縮過程接 著進行一可逆等熵膨脹過程， 其循環之溫度—熵線圖(以下簡 稱T-s圖)及系統裝置

  26. 理想液化系統之熱力過程 整個過程亦無功或熱量進出系統，故其液化量即為

  27. 理想液化系統之熱力過程

  28. 4-2 林德循環 原理 : 壓縮氣體, 進入逆流是熱交 換器與低壓氣體換熱,在節 流閥中,膨帳降低溫度進入 兩相區,蒸氣與液體在液氣 分離器分離,蒸氣從熱交換 器中反流,換熱為高壓氣體

  29. 缺點: 節流過程約制, 熱工效率低

  30. 實際之Linde氣體液化系統圖

  31. 4-2 克勞特液化系統 原理: 從熱交換器中,抽出部分 氣體,在膨脹機中降溫, 與低壓側返流氣體匯合, 來冷卻將去節流的高壓 氣體

  32. 克勞特循環之溫-熵圖

  33. Claude液化系統裝置示意

  34. 4-4 氣體分離原理 分為下列幾種: • 分 凝 分 離 2. 低 溫 精 餾 3. 吸 附 分 離 4. 滲 透 膜 分 離

  35. 分凝分離 原理: 混合物中,利用各成分沸點 的不同,將高沸點的成分冷 凝下來,再進行液化 缺點: 分離效果較差

  36. 低 溫 精 餾 原理: 精餾是最常用來分離混合物 之方法利用塔內原料氣,沸 點的差異,可得到純度較高 的產品

  37. 精餾塔 1.塔底為蒸發器 ,內有加熱 器使液體不斷蒸發而沿塔 上升 2.塔頂為冷凝器,使上升氣體 被冷凝而往下流 3.較高溫的氣體與較低溫的液 體接觸,把熱量傳給較低溫 的液體,低沸點的成分受熱 為氣體

  38. 4.高沸點成分趨向於在液相濃縮 低沸點成分趨向於在氣相濃縮 5.在塔頂可獲得高純度的低沸點 氣體,在塔底可得高純度的高沸 點液體

  39. 吸 附 分 離 原理: 吸附過程是氣體或蒸汽與固體表 面接觸 ,一部分氣體分子被固體 吸引,而附著在其表面的現象 • 吸附現象是放熱過程 • 脫附現象是吸熱過程

  40. 固體物質稱為吸附劑 • 被吸附的物質稱吸附質 • 被吸附成份做為產品,經加熱 或減壓使吸附質脫離而獲得 * 化學吸附: 吸附過程中伴隨著化學變化 分子間除了凡德耳瓦力之外 還有化學鍵解的作用 • 物理吸附: 吸附劑表面依靠凡德耳瓦力 吸附其他分子

  41. 滲 透 膜 分 離 原理: 利用滲透膜獨特滲透性能能夠 選擇性的讓某些成分通過而達 到分離的作用

  42. 5-1 焦耳湯姆遜制冷系統

  43. 5-2 史特靈制冷循環 操作原理: 採密閉再生式熱力循環方運轉， 將工作介質在不同溫度級中進行 重複壓縮與膨脹過程 (係一熱與 功淨轉換過程)，以應用在製冷、 熱泵、原動機(Prime mover)及壓 力發生器等機器設置

  44. 等溫壓縮 等容過程 等容過程 等溫膨脹 史特靈制冷循環 溫-熵圖

  45. 5-3 維勒米爾制冷循環 原理: Vuilleumier製冷器(以下簡稱為 VM製冷器)亦是遵循Stirling製冷 循環而動作，唯其是以“熱”壓 縮機取代Stirling製冷器之機械 式壓縮機方式者

  46. 1 2. 4. 3. 5. 6.

  47. 過程1-2: 在熱器缸中熱量從高溫熱源加熱 到氣體中，位移器向左移 過程4-1: 氣體通過回熱器升溫，進入熱腔 過程2-3: 位移器向右移動，氣體從熱腔通 過回熱器，氣體等容降溫，進入 中間腔

  48. 過程3-4: 中間腔氣體壓力上升，為維持腔 內溫度，中間腔對外放熱 過程5-6: 冷腔位移器向下移動，為維持等 溫，冷腔從低溫熱源吸收熱量以 維持等溫 過程4-5: 使得中間腔氣體通過回熱器降 溫進入冷腔 過程6-3: 冷腔位移器向上移，氣體從冷腔 經過回熱器，氣體等容升溫進入 中間腔

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