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液氮循環制冷系統中的液氮回收,主要是指閉式循環系統中的核心過程。在這種系統中,液氮并非一次性消耗品,而是作為工作介質在一個封閉的回路中循環使用:蒸發吸熱 -> 變成氣體 -> 收集 -> 壓縮 -> 再液化 -> 重新使用。
實現液氮回收的關鍵在于 “再液化” 這個步驟。以下是閉式液氮循環制冷系統實現液氮回收的典型流程:
液氮蒸發制冷:
儲存在杜瓦或儲罐中的液氮,通過管道輸送到需要制冷的區域(如冷阱、低溫腔室、樣品臺等)。
液氮在此處吸收熱量,發生相變,蒸發成低溫氮氣(溫度接近-196°C)。
低溫氮氣收集:
蒸發產生的低溫氮氣,通過專門設計的氣體回流管道被收集起來。這個管道通常具有良好的絕熱性能,盡量減少冷量損失和外部熱量侵入。
系統設計需要確保氣體能順暢地回流,避免在制冷區域積聚造成壓力過高或影響制冷效果。
氣體壓縮與升溫:
收集回來的低溫氮氣(接近常壓)被送入壓縮機。
壓縮機對氣體做功,將其壓縮到較高的壓力(通常需要幾十個大氣壓甚至更高)。壓縮過程會使氣體溫度顯著升高(遠高于環境溫度)。
預冷與熱交換(冷量回收):
高溫高壓的氮氣首先進入換熱器/熱交換器。
在這里,它被即將進入膨脹機或節流閥的更低溫度氣體(通常是經過膨脹降溫后的返流氣體)預冷。這一步非常關鍵,它回收利用了系統內部的冷量,顯著提高了整個液化循環的效率,降低了壓縮機的功耗。氣體溫度被初步降低。
膨脹制冷(核心液化步驟):
經過預冷后的高壓氮氣,進入膨脹制冷裝置。這通常有兩種主要方式:
透平膨脹機: 高壓氣體推動葉輪對外做功(例如驅動發電機或風機),氣體自身的內能減少,溫度和壓力都急劇下降。這是常用且效率較高的方式。
焦耳-湯姆遜節流閥: 高壓氣體通過一個節流小孔(閥門)膨脹到低壓。根據焦耳-湯姆遜效應,對于氮氣在常溫以下,節流膨脹會導致溫度降低(節流制冷效應)。但這種方法效率通常低于膨脹機,常作為膨脹機后的輔助液化手段或在小型系統中使用。
經過膨脹后,氣體的溫度降低到氮的臨界溫度(-147°C)以下,并部分液化。此時的狀態是氣液混合物。
氣液分離:
膨脹后的低溫氣液混合物進入氣液分離器(通常是一個杜瓦或儲罐)。
在這里,液氮由于密度大而沉降到底部。
未液化的低溫氮氣則上升到頂部。這部分低溫氣體至關重要,它被引回第4步的換熱器,用于預冷新進入的高壓氣體,回收冷量后,再返回到壓縮機的入口,重新開始循環。
液氮儲存與再使用:
分離器底部收集到的液氮被輸送回液氮儲罐中儲存。
當制冷區域需要冷量時,這部分回收的液氮又被泵送或壓差輸送到制冷區域進行蒸發制冷,完成一個完整的循環。
總結關鍵點:
核心是再液化: 回收的本質是將蒸發后的氮氣重新變成液氮。
能量輸入點: 壓縮機是系統主要的能量輸入點,提供氣體壓縮所需的功。
制冷原理: 利用氣體膨脹時對外做功(透平膨脹機)或節流效應(J-T閥) 導致自身溫度降低來實現液化。
效率關鍵: 高效的熱交換器(換熱器) 是閉式循環高效運行的核心,它大限度地回收利用了低溫返流氣體的冷量來預冷高壓氣體,大幅降低了達到液化溫度所需的壓縮功。
閉式循環: 整個氮氣(氣態和液態)在一個封閉的管路系統中循環,沒有排放到大氣(或只有極少量補充),實現了液氮的持續回收利用。
與開式系統的區別:
開式系統: 液氮在制冷區域蒸發吸熱后,低溫氮氣通常直接排放到大氣中,不再回收。這種方法簡單,但液氮消耗量巨大,運行成本高。
閉式系統: 通過上述復雜的壓縮、熱交換、膨脹過程,將蒸發的氣體重新液化回收,顯著降低了液氮的消耗量,雖然設備初始投資高、系統復雜,但長期運行成本更低,更環保(無氮氣排放)。
因此,液氮循環制冷系統實現液氮回收,主要依靠閉式循環設計,并通過壓縮、高效熱交換和膨脹制冷(透平膨脹機或J-T閥)這一系列熱力過程,將蒸發的氣態氮重新液化,從而完成工作介質的循環再利用。
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