4.6　气体液化制冷技术

液化气体在真空领域主要用途是作为冷却剂，可以作为高真空获得手段低温泵的冷源，也可以在清洁无油真空获得技术中冷却捕油冷阱等。气体液化设备一般比较庞大，故应用中多采用储存使用液化气体的方式。本节主要介绍气体液化技术及低温液体在冷却中的应用。

4.6.1　气体液化循环

在气体液化循环中，主要介绍节流液化循环和采用膨胀机的液化循环，这两种循环及其改进型在空气、氮气、氢气及氦气等液化中应用最广泛。

4.6.1.1　节流液化循环

（1）一次节流循环

1895年林德提出了节流液化循环，成功地采用回热原理即应用低温逆流式换热器经一次节流使空气液化并按这种循环制造了液化空气的设备，因此节流液化循环也称林德循环。

如图4-27和图4-28所示，一次节流循环的工作系统是由压缩机、冷却器、逆流换热器（回热器）、节流阀和气液分离器等组成。温度为T、压力为p1（环境温度、压力）的空气在多级压缩机中经历多级绝热压缩与多级等压冷却过程，其压力升高到p2。由于在冷却器中冷却，高压空气出冷却器温度亦为T，压缩过程可以近似地认为是一个等温过程，在T-s图上简单地用等温线1'-2表示。高压空气（状态2）流经回热器被节流后的低温空气（状态5）冷却，其状态从2变为3。这是一个等压冷却过程，如T-s图上2-3等压线所示。然后高压空气通过节流阀降压后变为状态4，温度降低，同时有部分空气液化。在T-s图上节流过程用等焓线3-4表示。节流后未液化的空气（状态5）在气液分离器中与液体空气（状态0）分开后返回换热器，以冷却节流前的高压空气而自身被加热复温。如果不考虑换热器不完全热交换损失，即换热器热端温差为零，则这股空气出换热器时状态为1'，其在换热器中加热过程如T-s图上5-1'等压线所示，这部分空气与新补充的空气一起返回压缩机，如此反复循环。

必须指出，要使节流后空气液化，必须把高压空气预冷到一定的低温，所以循环开始时有一个逐渐冷却的过程，称为启动过程。

（2）带预冷的一次节流循环

通过分析，发现降低进回热器时高压空气的温度可以提高循环的经济性。为此，除用返流的低压冷气体冷却高压气体外，尚可利用外界冷源降低高压空气温度。这种循环称为带预冷的一次节流循环。对于空气一般利用氨或氟利昂制冷设备进行预冷，使高压空气预冷到-40～-50℃后进入主换热器。有预冷的一次节流循环流程见图4-29。主要由压缩机、冷却器、预冷器、主换热器（回热器）、节流阀和气液分离器组成。

（3）二次节流循环

在节流循环中先将高压气体节流到某一中间压力，一部分气体回收冷量后直接回到压缩机，另一部分从中间压力再次节流，获得低压低温液体。这种气体液化循环称为二次节流循环。

二次节流循环流程示意图如图4-30所示，T-s图如图4-31所示。以空气作工质为例，如单位质量空气经高压压缩机压到状态点3（压力为p3），经主换热器冷却到状态点4（温度为T4），然后节流到中间压力p2（点5），获得质量m、压力为p2的液空（点7），其余压力为p2的冷气流返回主换热器，复热后进入高压压缩机，这个系统即为循环气体系统。质量m的中压液空（点7），由压力p2再次节流至低压压力p1（点8），这时获得质量为Z的低压液空，其余质量（m-Z）低压冷气流经主换热器后复热到状态点1（或点1'）。低压压缩机将返流气及新补充空气（总量为m）从压力p1等温压缩至p2（点2），然后与从主换热器来的（1-m）质量中压空气汇合后进入高压压缩机压缩至p2。如此不断循环，实现空气的液化。

4.6.1.2　带膨胀机的液化循环

（1）克劳特液化循环

在节流循环中，采用不做外功的绝热膨胀过程，其设备比较简单，但能量损失大、经济性差。为改善循环的热力性能，可采用输出外功的等熵绝热膨胀过程，以获得更大的温降，同时回收膨胀功，提高循环的经济性。

输出外功的绝热膨胀过程是在膨胀机中实现的。1902年法国人克劳特首先实现了带有膨胀机的液化循环，故称带膨胀机的液化循环为克劳特循环。其流程示意图与T-s图如图4-32和图4-33所示。

1kg空气由压力p1被压缩机压缩到p2，经一级换热器冷却后分成两部分，一部分mkg气体进入二级换热器和三级换热器继续冷却后，在节流阀中节流到p1，得到Zprkg液体，其余（m-Zpr）kg的饱和蒸气返流经各换热器冷却高压气体。另一部分（1-m）kg气体进入膨胀机，由p2膨胀到p1（点4），温度降低并做外功。膨胀后气体与返流气汇合后依次流入一、二级换热器，对高压气体进行冷却。

在克劳特液化循环的基础上，为了提高膨胀机的绝热效率，海兰德采用将气体从室温进行膨胀的流程。这种循环称为海兰德循环，它是克劳特循环的一种特例。

（2）卡皮查液化循环

液化循环设备的主要机器是压缩机和膨胀机，压力较高时多采用活塞式机械，其效率一般较低；此外，高压循环中设备的金属耗量大，运行的安全可靠性差。若采用低压液化循环可以克服这些缺点，设备越大，低压液化循环的优越性就越能显现出来。

1937年苏联学者卡皮查实现了带有透平压缩机和透平膨胀机的低压液化循环，其流程示意图和T-s图如图4-34和图4-35所示。

空气在透平压缩机内压缩到5×102～6×102kPa压力，经回热器冷却后分为两部分：大部分空气进入透平膨胀机膨胀到1×102kPa压力，温度由T3降到T4，而后进入冷凝器的低压通道，冷却冷凝器另一通道的高压部分空气，该部分空气由膨胀机前引入冷凝器，在压力下冷凝成液体，然后节流到1×102kPa。节流后一部分成为液体作为产品，其余闪蒸为饱和蒸气，与膨胀后的冷气流汇合，通过冷凝器、回热器复热后排出，完成循环。

4.6.2　低温液体在冷却中的应用

4.6.2.1　低温试件常压及减压冷却

在低温实验中，经常采用低温液体对实验材料进行冷却，以获得所需的低温温度。液空、液氮、液氦经常作为冷却液体，液氢在一些特殊场合也可以作为冷却液体。

常压下，液空开始沸腾的温度为78.9K，至81.7K完全蒸发为气体；通过抽真空减压的方法，可以将起蒸发温度降低至65K左右。

常压下，液氮沸点为77.3K；通过抽真空减压的方法，可以将蒸发温度降低至64K左右。

液氦的沸点为4.2K，采用抽真空减压，可以获得从4.2K至0.8K的低温。

液氢的沸点为20.27K，通过减压可将沸腾温度降至14K左右。

4.6.2.2　空间热真空环境模拟设备冷却流程

空间热真空环模设备的功能之一是模拟外太空的冷黑背景环境，一般采用液氮作为冷源，将环模设备的热沉冷却至温度为100K以下，以模拟空间3K的背景热辐射。根据环模设备用途和规模的不同，采用不同种类的液氮冷却流程对热沉进行冷却。

（1）液氮开式沸腾流程

液氮开式沸腾流程如图4-36所示。依靠重力或压力方式使液氮由储槽、供应管路注入，灌满热沉的管路或夹层，并尽量维持一定液位又不外溢。依靠饱和液氮在热沉中沸腾蒸发来吸收热量，使壁板处于低温状态，蒸发的氮气直接放入大气（运行温度从整体上说仍为78K左右）。消耗的液氮需要不断重新补充，耗量可以根据总热负载和液氮蒸发潜热值计算出来。

1—热沉；2—真空容器；3—排气阀；4—排空口；5—液氮储槽；6—液氮供液阀

开式沸腾流程的优点是系统简单、无低温下的运动机械、造价较低，十分适合中小型模拟设备。

但其也有固有的缺点。由于饱和液氮在热沉壁板管路或夹套中不断蒸发产生气泡，形成气液两相。这使热沉在承受热负载时，温度难以保持均匀，液氮液位难以保持稳定，在热负载较大和试件对热沉的热负载分布不均匀时更为严重。另外，在两相状态下，氮蒸气的密度比液氮小得多，比热容也比液氮小，因而接受较大热负载后，蒸气温度迅速上升，体积膨胀，在热沉壁板管道中，因局部压力升高而产生气堵现象，从而造成热沉温度严重的不均匀。再者，由于开式流程直接将氮蒸气排出过程会夹带大量液氮液滴，造成液氮浪费较大。

大型环模设备基本上不采用该流程。

（2）液氮泵循环两相流流程

液氮泵循环两相流流程如图4-37所示，流程原理为：由液氮储槽供给的饱和液氮，经液氮泵增压后送入热沉中，吸收热沉及管路系统承受的热负荷后，循环返回液氮储槽，在液氮储槽中气液两相分离，氮气排入大气，液氮留在储槽中继续参加循环。

1—液氮储槽；2—液氮泵；3—真空容器；4—热沉

这个流程中的液氮泵提供的压力只用于克服循环中的管道流阻和静压头，以维持气液氮两相流的循环；较低的压力无法使液氮处于过冷状态，因此，循环的饱和液氮在吸热后形成气液两相流。

就其本质而言，这是一种由液氮泵强迫流动的开式沸腾系统。虽然这种流程仍有热沉温度不太均匀的缺点，但由于两相流被泵强制输送，因而气堵的程度比开式沸腾系统轻，也不存在热沉液位的控制问题，气氮排空带走液体的浪费大幅降低。

流程也存在缺点，由于气液混合物的密度比单相液体小，在维持同一质量流量时，两相流的流速加大（同一流动断面进行比较），压力降增大。且在液氮泵进口要抽吸饱和液氮，容易产生泵的汽蚀现象。由于气液两相在液氮储槽上部分离，储槽内的工况不够稳定。这种流程只用在小型设备中。

（3）液氮单相半密闭流程

液氮单相半密闭流程示意图如图4-38所示。与图4-37所示的两相流强制循环的区别是，通过热沉返回液氮储槽时设置有节流阀，从液氮泵出口至节流阀，管内液氮处于过冷状态，在节流阀之前的流动为液相单相流动。与后述图4-39所示的液氮单相密闭循环的区别是，没有专门的过冷器，而是通过节流阀提高液氮泵出口的液氮压力，使其除克服流动管阻外，还使循环液氮在节流阀前始终处于过冷状态，从而保持单相流动。

1—液氮储槽；2—液氮泵；3—环模容器；4—热沉；5—节流阀

循环管路中液氮的温度虽因液氮泵及管路的漏热而有所升高，但由于增压仍然处于过冷状态。根据热沉、节流阀前管路上的全部热负载的大小和管道阻力大小，计算选取适当扬程和流量的循环泵，使液氮流至节流阀前仍然保持足够的压力，这时所对应的饱和状态的温度可以查表得出，同时应使循环液氮在接受热沉及管道热负载升温后到节流阀前的温度略低于其饱和温度，液氮在泵至节流阀前就始终处于单相过冷状态。

液氮经节流阀减压后闪蒸为两相，两相流在液氮储槽上部分离，氮气排入大气，液氮继续参与循环，形成一个半密闭单相循环。

该流程的优点是解决了前两种流程中热沉温度不易均匀，甚至会产生气堵的问题。其缺点是循环内液氮储槽中的工况不稳，由于吸入极易汽化的饱和液氮，液氮泵容易产生汽蚀现象，压力损失大，每次循环都从接近大气压开始升压，功耗较大。多在小型环模设备上应用。

（4）液氮单相闭式循环流程

该流程是目前大型环模设备采用的流程，如图4-39所示。液氮在循环中始终维持单相过冷状态，管内循环的液氮不会蒸发损耗，该流程全部热负载所需消耗的液氮均在过冷器循环管外部沸腾蒸发。它避免了前三种流程的缺点，热沉的均匀性好；承受分布不均热负载的能力强；流程工况稳定。我国的大型环模设备均采用这种流程。

1—液氮储槽；2—过冷器；3—液氮泵；4—热沉；5—环模容器

该流程利用不同温度对应的饱和蒸气压不同的原理来实现循环。液氮在一定热负荷条件下仍然维持单相流动的必要条件是必须处于过冷状态。对过冷程度的要求是，管内各处液氮的温度都低于该处液氮实际工作压力下对应的沸腾温度，这样一来，管内液氮就不会沸腾蒸发，仍为单相流动。循环系统中的热负载全由液氮过冷器中常压液氮沸腾吸收，管内循环液氮所需的过冷度在过冷器内被常压沸腾液氮（77K）冷却获得。维持液氮过冷所需的压力依靠液氮泵增压获得，背压气体维持循环液氮泵的吸入压力以保证液体在全流程处于过冷状态并避免液氮泵产生汽蚀。

液氮泵是形成液氮循环的关键设备，由于饱和液氮极易汽化，致使离心式液氮泵容易发生汽蚀，甚至不能工作。因此，往往将液氮泵放在过冷器后面。

（5）气氮高低温循环流程

气氮高低温（加热制冷）循环流程以液氮为冷源，可以为环模设备热沉提供-180～150℃宽温度范围的温控手段，满足航天器的试验需求。该流程由氮气回热器、液氮换热器（或为混合器）、压气机、水冷换热器、加热器、管道阀门、配套仪表及传感器等组成，组成原理如图4-40所示。

图4-40（a）和图4-40（b）所示流程基本原理相同，不同之处是液氮对氮气的冷却方式有所不同。图4-40（a）所示流程中液氮与气氮在液氮换热器中进行换热，气氮与液氮通道完全独立，流程运行稳定；但液氮换热器体积较大，增加了系统热容和投资。图4-40（b）所示流程中液氮与气氮在液氮混合器中混合以降低气氮温度，流程结构简单；但系统管路内由于不断加入液氮，需要不断排出氮气，管路系统压力不稳定。两种方式各有利弊，应根据实际需求选择。

加热循环过程中，压气机输出的氮气经过水冷换热器，降低温度后进入氮气回热器（板翅式换热器），与热沉出来的高温气体进行热交换，再经过气体加热器加热至控制温度后进入热沉，对热沉进行加热。通过控制进入热沉气体的温度，满足热沉所需温度要求。

流出热沉的返流氮气在氮气回热器中与从压气机来的常温氮气换热，返流气降至常温后进入压气机，完成循环。

该流程利用回热原理充分回收返流气的热量，以降低加热功率；且返流气通过换热器回热后，温度从热沉出口的高温降到常温，以满足压气机对进气温度的要求。

制冷循环过程中，压气机输出的氮气经过水冷换热器，降低温度后进入氮气回热器（板翅式换热器），与从热沉出来的低温气体及液氮换热器尾气进行热交换，气体温度从常温下降至接近热沉出口温度；然后再经过液氮换热器（或在混合器中与液氮混合），降温至需要的温度，进入热沉对热沉降温；流出热沉的返流氮气在氮气回热器中与从压气机来的常温氮气换热升温后，进入压气机，完成循环。

该流程利用回热原理充分回收返流氮气及液氮换热器流出尾气的冷量，减小液氮耗量；且返流气通过换热器回热后，温度从热沉出口的低温升到常温，以满足压气机对进气温度的要求。

近几年，兰州空间技术物理研究所采用该流程成功建造了近十台中小型气氮调温环模设备。在实际应用中，发现在-180℃设备仍然能稳定运行，可将热沉稳定维持在100K以下，可以满足空间热平衡试验的需求。该流程将热沉稳定维持在100K工况，较之于前述的各种液氮流程，最大的优势是可降低近50%的液氮耗量。可以在大型热平衡环模试验设备上采用。