《低溫技術(shù)及其應(yīng)用》課程教學(xué)大綱

《低溫技術(shù)及其應(yīng)用》課程教學(xué)大綱學(xué)分/學(xué)時(shí)：3學(xué)分/48學(xué)時(shí)其中課堂32學(xué)時(shí)、課程設(shè)計(jì)16學(xué)時(shí)。適用專業(yè)：熱能與動(dòng)力工程及相關(guān)專業(yè)先修課程：工程熱力學(xué)、傳熱學(xué)、高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理后續(xù)課程：無一、課程性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo) 課程性質(zhì)：低溫技術(shù)及其應(yīng)用是熱能與動(dòng)力工程專業(yè)的一門重要專業(yè)方向課，是能源動(dòng)力和相關(guān)專業(yè)的必修主干課。是《制冷與低溫原理》國家精品課程的主干部分。教學(xué)目標(biāo)：低溫技術(shù)及其應(yīng)用涉及低溫的獲得、低溫的保持、低溫氣體液化與分離、低溫真空、低溫測試等科學(xué)技術(shù)內(nèi)容，其應(yīng)用領(lǐng)域包含了航空航天、高能物理、電子技術(shù)、機(jī)械系統(tǒng)、空間模擬、紅外遙感、生物醫(yī)學(xué)、食品加工、材料回收、過程工業(yè)等各個(gè)方面。本課程不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課程提供必要的基礎(chǔ)理論知識，也為從事相關(guān)專業(yè)技術(shù)工作、科學(xué)研究工作及管理工作提供重要的理論基礎(chǔ)。通過本課程教學(xué)，不僅使學(xué)生在低溫制冷原理、氣體液化與分離原理、低溫傳熱與絕熱原理等具有完整的了解，而且能夠知曉低溫技術(shù)在液化天然氣能源工業(yè)、氣體工業(yè)、航空航天工業(yè)以及生命科學(xué)和基礎(chǔ)物理研究等的具體應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合工程領(lǐng)域能自如應(yīng)用所學(xué)到的專業(yè)基礎(chǔ)知識。同時(shí)還培養(yǎng)學(xué)生的低溫實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，具體來說：掌握低溫制冷的三種基本原理（節(jié)流、膨脹、放氣），在此基礎(chǔ)上能采用熱力學(xué)系統(tǒng)分析方法分析和評價(jià)各類低溫制冷、氣體液化與分離系統(tǒng)等的熱力學(xué)性能。熟悉低溫回?zé)嵝蜌怏w制冷機(jī)和其它低溫制冷機(jī)的一般原理。掌握低溫?zé)崃W(xué)循環(huán)方法，能夠分析其中的部件性能對系統(tǒng)性能的影響，從而知曉低溫系統(tǒng)的構(gòu)建方法。對低溫工質(zhì)以及混合氣體熱物性計(jì)算軟件有比較好的掌握。初步掌握低溫實(shí)驗(yàn)的一般測試方法，重點(diǎn)在于低溫絕熱的測試，直觀地認(rèn)識低溫絕熱傳熱過程的特點(diǎn)、測量傳熱參數(shù)的基本傳感器和儀器。進(jìn)行低溫磁懸浮、低溫超導(dǎo)、低溫粉碎、以及低溫制冷機(jī)的認(rèn)識實(shí)驗(yàn)，獲得低溫技術(shù)應(yīng)用的深入認(rèn)識。能熟練運(yùn)用低溫工質(zhì)物性表、p-h圖等。初步具有綜合分析實(shí)際低溫技術(shù)應(yīng)用的能力、運(yùn)用理論分析抽象解決實(shí)際問題能力。例如能夠結(jié)合低溫原理有關(guān)知識對人類生活和工程實(shí)際展開暢想。）強(qiáng)化理論來源于實(shí)踐，實(shí)踐是檢驗(yàn)理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識觀。二、課程教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配（含實(shí)踐、自學(xué)、作業(yè)、討論等的內(nèi)容及要求）1、低溫技術(shù)導(dǎo)論（2學(xué)時(shí)）概述低溫技術(shù)的內(nèi)容、歷史、特征和應(yīng)用。課堂演示：液氮流體實(shí)驗(yàn)演示；低溫粉碎演示與低溫超導(dǎo)演示。課后作業(yè):低溫技術(shù)夢想(1500字)2、低溫材料與低溫流體（2學(xué)時(shí)）介紹低溫流體與低溫材料的熱學(xué)和力學(xué)特點(diǎn)與要求。3、低溫液體的獲得方法（2學(xué)時(shí)）介紹焦耳湯姆遜效應(yīng)、絕熱膨脹和絕熱放氣等獲得低溫液體的方法討論：學(xué)生了解的低溫液體和制冷方法4、氣體液化（5學(xué)時(shí)）熱力學(xué)理想系統(tǒng)/簡單林德-漢普遜系統(tǒng)/帶預(yù)冷林德-漢普遜系統(tǒng)/林德雙壓系統(tǒng)/復(fù)疊式系統(tǒng)；膨脹機(jī)制冷：克勞特系統(tǒng)/卡皮查系統(tǒng)；MRC系統(tǒng)-LNG的液化舉例，各種液化系統(tǒng)性能比較；用于氖和氫的液化系統(tǒng)(預(yù)冷林德-漢普遜系統(tǒng)以及克勞特系統(tǒng))；氦制冷生產(chǎn)液氫，正仲氫轉(zhuǎn)化；考林斯氦液化系統(tǒng),絕熱放氣制冷-西蒙氦液化系統(tǒng)，液化系統(tǒng)低溫?fù)Q熱器效率對系統(tǒng)性能的影響(實(shí)際舉例)；氣體液化總結(jié)。作業(yè)：安排課堂練習(xí)及課外作業(yè)網(wǎng)上觀摩：大型氣體液化系統(tǒng)（API等）5、氣體分離與純化（5學(xué)時(shí)）熱力學(xué)理想分離系統(tǒng)，混合物的性質(zhì)，氣體分離的原理，簡易冷凝或蒸發(fā)過程/精餾塔；精餾原理的閃蒸計(jì)算，最小理論塔板數(shù)，精餾塔結(jié)構(gòu)形式，變壓吸附，膜分離技術(shù)。6、空氣分離系統(tǒng)（2學(xué)時(shí)）介紹典型空分系統(tǒng)流程：林德單塔，林德雙塔，林德弗蘭克，海蘭特，氬分離系統(tǒng)，氖分離系統(tǒng)，氦分離系統(tǒng)；氣體純化方法。課堂討論：要求學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)查找大型空分流程7、低溫制冷機(jī)（5學(xué)時(shí)）介紹常見的低溫制冷機(jī)類型：焦耳-湯姆遜制冷系統(tǒng)，膨脹機(jī)制冷系統(tǒng)，斯特林制冷機(jī)，VM制冷機(jī)，Solvay制冷機(jī)，G-M制冷機(jī)，脈沖管制冷機(jī)，熱聲制冷機(jī)，吸附制冷機(jī)，磁制冷，稀釋制冷機(jī)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)：再吸附制冷原理及性能測試；低溫制冷機(jī)演示實(shí)驗(yàn)技術(shù)參觀：參觀低溫制冷實(shí)驗(yàn)室8、低溫絕熱、低溫貯存和運(yùn)輸（3學(xué)時(shí)）介紹低溫絕熱原理，堆積絕熱，高真空絕熱，真空粉末絕熱，高真空多層絕熱，高真空多屏絕熱，各類絕熱方式的比較；低溫絕熱具體形式/結(jié)構(gòu)/管道/支撐/輸排液/安全裝置，舉例說明熱設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)：低溫真空絕熱實(shí)驗(yàn)，通過該實(shí)驗(yàn)了解影響低溫絕熱性能的各種因素，掌握低溫絕熱形式以及真空多層絕熱的基本原理，熟悉真空度、絕熱材料與漏熱率的關(guān)系9、真空技術(shù)（2學(xué)時(shí)）低溫與真空，真空系統(tǒng)的流導(dǎo)，真空系統(tǒng)的抽氣時(shí)間，真空泵(機(jī)械泵,擴(kuò)散泵,離子泵,低溫泵)，真空計(jì)，真空撿漏技術(shù)。10、低溫測試技術(shù)（2學(xué)時(shí)）溫度測量:國際實(shí)用溫標(biāo)/電阻溫度計(jì)/熱電偶/氣體溫度計(jì)/蒸汽壓溫度計(jì)；低溫液體的流量測量；低溫液體的液位測量。課外興趣探索實(shí)驗(yàn)：超導(dǎo)磁懸浮力的測量11、總結(jié)與研討，習(xí)題課（2學(xué)時(shí)）對全課程做一個(gè)課時(shí)的總結(jié)；針對低溫技術(shù)及其應(yīng)用的前沿課題做分析介紹。涉及以上章節(jié)典型算例。課后作業(yè):低溫技術(shù)從夢想到實(shí)際(1500字)12.課程設(shè)計(jì)（16學(xué)時(shí)）主要題目有以下4個(gè)，分別結(jié)合低溫技術(shù)及其應(yīng)用的主要知識點(diǎn)。每個(gè)年級同時(shí)可以分2-4個(gè)題目。本課程設(shè)計(jì)目的在于讓學(xué)生將課堂所學(xué)知識直接應(yīng)用到實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)中去，成為其踏上本專業(yè)工作崗位前的一次實(shí)戰(zhàn)演習(xí)。課程設(shè)計(jì)過程中涉及學(xué)生文獻(xiàn)查閱環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性、創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)開發(fā)低溫系統(tǒng)的初步能力。在客觀上也將使得學(xué)生對該課程知識點(diǎn)有更深入的理解，加深印象。有以下四個(gè)題目可供選擇，結(jié)合各自設(shè)計(jì)要求，完成課題設(shè)計(jì)內(nèi)容。低溫容器（杜瓦）課程設(shè)計(jì)（絕熱、真空、機(jī)械力學(xué)等知識點(diǎn)）以60升液氮低溫容器為例，按充滿率90％、日蒸發(fā)率1.8％為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以UG軟件為工具完成低溫容器的2D和3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2D可在UG軟件中通過3D自動(dòng)投影生成）。以本課程所學(xué)知識結(jié)合熱力學(xué)與傳熱學(xué)完成杜瓦的熱設(shè)計(jì)（包括杜瓦金屬材料的漏熱、絕熱材料的選取和設(shè)置、真空要求與獲得等）；以過往所學(xué)理論力學(xué)、材料力學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)知識完成杜瓦的機(jī)械強(qiáng)度、應(yīng)力等機(jī)械力學(xué)設(shè)計(jì)。低溫下固體材料熱導(dǎo)率或比熱實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)（低溫材料物性及測量方法）自選測量原理（如熱線法（交叉線技術(shù)、平行線技術(shù)等），瞬變平面熱源法TPS，差式掃描量熱法DSC，閃光法等），結(jié)合低溫系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)測量固體材料在65－300K溫區(qū)熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)方法、步驟、裝置和報(bào)告。其中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求用UG畫出三維系統(tǒng)圖及裝配圖，重點(diǎn)突出其中低溫技術(shù)特色。流程模擬軟件HYSYS或ASPENPLUS的空分流體或LNG流程設(shè)計(jì)案例（氣體分離）空分主體部分由空氣加壓系統(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)等組成。工作原理：原料氣（空氣）經(jīng)空氣過濾器被空壓機(jī)吸入，壓縮到0.6MPa左右，送入空冷塔預(yù)冷后，進(jìn)入分子篩純化系統(tǒng)進(jìn)行凈化，清除CO2和水分，再送入空分冷箱。進(jìn)入空分冷箱的空氣首先進(jìn)入主熱交換器與低溫氣體（污氮、純氮和循環(huán)氮?dú)猓Q熱，被冷卻至飽和狀態(tài)送入精餾塔下塔，空氣在此進(jìn)行初步精餾。在下塔的頂部獲得純度為99.999%以上的液氮和氣氮。在下塔的底部獲取富氧液空。液氮經(jīng)過冷器后，其中一部分作為產(chǎn)品送入液氮貯槽；一小部份送去精氬塔作為生產(chǎn)精氬產(chǎn)品的冷源；其它全部送入精餾塔上塔，作為生產(chǎn)下游產(chǎn)品（氧、氬）的餾份。一小股氣氮作為精氬塔的熱源，自身被液化后，也作為餾份送入上塔。富氧液空經(jīng)過冷器后分成二股：一股直接送入精餾塔上塔；另一股去粗氬塔冷凝器，作為生產(chǎn)粗氬的冷源，與粗氬塔中的粗氬換熱，所形成的汽相和液相一并送入上塔。產(chǎn)品液氧在上塔底部形成，經(jīng)過冷器過冷后送入液氧貯槽。汽相氬餾份（制氬原料）從精餾塔上塔抽出。經(jīng)粗氬塔精餾，粗氬在粗氬塔頂部抽出并送至精氬塔。液相貧氬餾份從粗氬塔底部流出。送回精餾塔上塔。純度為99.999%以上的精氬產(chǎn)品在精氬塔底部形成送入液氬貯槽。利用所學(xué)空分知識，將以上原理以具體的流程形式在HYSYS或ASPEN上模擬計(jì)算，要求完成流程圖。以UG繪制空分塔結(jié)構(gòu)圖。所編寫HYSYS流程可運(yùn)行并得到計(jì)算結(jié)果。鼓勵(lì)學(xué)生在流程上有創(chuàng)新內(nèi)容。選該題也可進(jìn)行以HYSYS為平臺的液化天然氣LNG液化流程模擬。天然氣的主要成分是甲烷，另含有一定量的乙烷、丙烷、丁烷和少量的二氧化碳、硫化氫等。小型氦液化器或液氮機(jī)的簡單設(shè)計(jì)（流程設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)）（氣體液化）以50L/小時(shí)產(chǎn)量的液氮機(jī)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，要求完成獲取液氮的機(jī)械裝置方法選取和設(shè)計(jì)（比如傳統(tǒng)的壓縮膨脹系統(tǒng)，小型低溫制冷機(jī)氮液化器等），包括壓縮機(jī)、換熱器、過濾器、膨脹機(jī)等的