物理低温

以下是博文学习网为大家整理的关于物理低温的文章,希望大家能够喜欢!

物理低温篇一：低温物理吸附技术

低温物理吸附技术

——表面积和孔结构表征

多孔材料的最大特点在于它具有“孔”，“分子筛”一词来源于此(不在于骨架结构，而在于骨架所围成的孔穴)，因此，“孔”分析（沸石的吸附能力测量）提供了最简单并且最直接的表征方法，其性质表征包括两方面：骨架（或固体壁部分）和孔穴部分骨架部分包括：

（1）结构，揭示样品的结晶性，晶系，空间群，晶胞中的原子坐标，成绩和超结构（2）化学组成及组成的均匀性(3)对性质有影响的杂质

（4）对性质有影响的结构不完整性（缺陷等）孔穴部分包括孔径，孔体积，比表面，孔尺寸分布，孔穴形状等等。

目前来讲有关孔的性质都是通过低温物理吸附来测定。吸附法是让一种吸附质分子吸附在待测粉末样品（吸附剂）表面，根据吸附量的多少来评价待测粉末样品的比表面及孔隙分布大小的方法。低温吸附是指在恒定温度下，在平衡状态时，一定的气体压力，对应于固体表面一定的吸附量，改变压力可改变吸附量。平衡吸附量岁压力而变化的曲线成为吸附等温线，对吸附等温线的研究与测定不仅可以获取有关吸附剂和吸附质性质的信息，还可以计算固体的比表面和孔径分布

1.原理

1.1吸附模型

低温氮吸附容量法测催化剂比表面积的理论依据就是Langmuir

方程和BET方程.

朗格缪尔吸附模型假定条件为:(1)吸附是单分子层的,即一个吸附位置只吸附一个分子。(2)被吸附分子间没有相互作用力。(3)吸附剂表面是均匀的。在一定温度和压力下,吸附剂-吸附质系统达到吸附平衡时,吸附速率与脱附速率相等,即达到了动态吸附平衡,吸附剂表面被吸附的位置可表示为:θ=K1P/(1+K1P) (1) 若以V表示气体分压为P下的吸附量;Vm表示所有吸附位置被占满时的饱和吸附量;K1为朗格缪尔常数,则θ=V/Vm ( 2) 由(1)、(2)式可演变为P/V=P/Vm+1/K1Vm,以P/V为纵坐标,P为横坐标作图,可得一条直线,从该直线斜率1/Vm可以求出形成单分子层的吸附量。但是,由于很多情况下吸附剂表面都是多分子层吸附,由此必须引入BET方程,计算出多分子层的饱和吸附量Vm。

BET模型假定条件：(1)吸附剂表面可扩展到多分子层吸附。(2)被吸附组分之间无相互作用力,而吸附层之间的分子力为范德华力。(3)吸附剂表面均匀。(4)第一层吸附热为物理吸附热,第二层为液化热。

(5)总吸附量为各层吸附量的总和,每一层都符合Langmuir公式。在以上假设基础上推导出的BET方程为:P/V(P0-P)=1/VmC+(C-1)/VmC＊P/P0(3) 式中 V:达到吸附平衡时的平衡吸附量;Vm:第一层单分子层的饱和吸附量;P:吸附质的平衡分压; P0:吸附温度下吸附质的饱和蒸汽压;C:与吸附热有关的常数。

1.2表面积计算

BET计算表面积As 的公式：As=(Vm/22414)Naσ ;其中Vm 为

单分子层体积（根据测得的吸附体积，相对压力等计算得出）；22414为砌体的摩尔体积，Na为阿伏加德罗常数，σ为每个吸附质分子锁覆盖的面积，氮气分子一般取为0.162nm3.通常BET法适于相对压力的范围为0.05-0.35

1.3孔径分布计算

气体吸附法孔径分布测定利用的是毛细冷凝和体积等效交换原理。毛细凝聚模型是指在毛细管内，液体弯月面上的平衡蒸汽压P小于筒温度下的饱和蒸汽压P0,即在低于P0 的压力下，毛细孔内就可以产生凝聚液，而且吸附质压力P/ P0与发生凝聚的孔的直径—一一对应，孔径越小，产生凝聚液所需的压力也越小，其一一对应关系有凯尔文（kelvin）方程 Rk=-0.414/log(P/ P0)，当压力低于一定的P/ P0时，半径大于Rk的孔中凝聚液汽化并脱附出来，通过测定样品在不同P/ P0 下凝聚氮气量，可绘制等温脱附线。然后再按照圆柱孔模型计算出孔径分布，测量范围一般是2-50nm。

2吸附平衡等温线

吸附平衡等温线就是以压力为横坐标，恒温条件下吸附质在吸附剂上的吸附量为纵坐标的曲线，通常用比压p/p0 表示压力，p为真实气体的真实压力，p0 为气体在测量温度下的饱和蒸汽压，吸附平衡等温线可分为吸附和脱附两部分，吸附平衡等温线的形状与材料的孔组织

结构有关

2.1吸附平衡等温线分类

根据IUPAC的分类，吸附平衡等温线有六种不同的类型，其中4

种类型适用于多孔材料。但只有四种类型（Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ，Ⅵ）适用于多孔材料，曲线如下图:

微孔材料（包括多数沸石和类沸石分子筛）的吸附平衡等温线为Ⅰ型，由于吸附质与孔壁之间的强相互作用，吸附开始在很低的相对压力下，但由于吸附的分子间的相互作用，完全填满孔穴则需稍高

一点的相对压力，在较

低的相对压力下（<0.3，

氮气吸附）微孔填充不

会观察到毛细管凝聚

现象，很难与单分子层

吸附过程区分开来，一

旦微孔填满后，外表面

继续吸附，在高比压区

的吸附行为与介孔和

大孔固体相同。

一定条件下，超

微孔固体（包括沸石和

类沸石分子筛）的吸附平衡等温线为Ⅵ型，如果孔在能量上是均已的，那么吸附应该发生自爱很在的一段压力范围内，如国孔表面具有机组能量不等的吸附活性点，吸附过程将是分布进行的，吸附等温线呈现台阶，每一台阶代表一组能量相同的吸附点，此类等温线只有那些结

构和组成和组成十分严格的晶体上对某些吸附质在一定条件下的吸

附才会出现。

介孔材料（包括MCM-41,MCM-48和SBA系列介孔材料）多呈现Ⅳ型吸附平衡等温线，在较低的相对压力下发生的吸附主要是单分子层吸附，然后是多层吸附，至压力足以发生毛细管凝聚时，吸附等值线上表现为一个突越，介孔的孔径越大，毛细管凝聚发生的压力越高，之后则是外表面吸附。

大孔材料的吸附平衡等温线为Ⅱ型，低比压区的吸附与介孔材料相同，单层吸附与多层吸附之间没有明显的界限，与Ⅳ型吸附平衡等温线的最

大差别是没

有毛细管凝

聚现象发生，

在中等压力

（比压）下没

有明显的突

越。

2.2迟滞

效应

若吸附-脱附不完全可逆，则吸附-脱附等温线是不重合的，这一现象成为迟滞效应。多发生在Ⅳ型线上，IUPAC将迟滞环分为四类（H1,H2,H3和H4）。如上图所示H1：常见结构-独立的圆筒形细长孔道且孔径大小均一分布较窄。H2：瓶状孔（口小腔大）。H3和H4

：

物理低温篇二：低温物理课程大纲

复旦大学《低温和超导物理》课程教学大纲

** 考虑到有时同一门课由不同院系的教师开设，请任课教师填写此栏。

物理低温篇三：低温制冷制剂的物理和化学性能

关于消耗臭氧层物质公约的蒙特利尔议定书和京都议定书两份文件明确指出了氯氟烃类CFCs和含氯氟烃类HCFCs制冷剂进行替代和淘汰的时间进度要求。1991年6月我国加入蒙特利尔议定书伦敦修正案，并逐步开展了淘汰CFCs制冷剂的具体工作。国际制冷界自蒙特利尔议定书制定以来就积极开展CFCs， HCFCs替代物质的研究，但多限于空调和商用冷冻领域，而对指蒸发温度为- 10 0 - 60复叠低温制领流域的CFCs低温制冷剂的替代物质应用研究的报导较少。

近几年随着我国经济的快速发展，蒸发温度为- 100 - 60的复叠低温机组得到广泛应用，但国内的复叠低温机组大部分还在使用R13等CFCs制冷剂。因此替代R13等CFCs制冷剂的新型HFCs制冷剂的复叠低温制冷机组的正在逐渐为人们所熟知和了解。本文将对用于两级复叠低温制冷系统低温制冷剂的各方面性能进行讨论。

1复叠低温制冷系统它由两个单级制冷压缩循环叠加组成，高温级制冷循环采用R22、R404A、R507A等中温制冷剂，低温级则采用R13、R23等低温制冷剂，高温级制冷剂的蒸发和低温级制冷剂的冷凝通过蒸发冷凝器连接。为了防止停机后因环境温度升高而使得低温级制冷系统制冷剂气化压力过高，通常在低温级吸气管路中并联一个膨胀容器。

2 HFCs低温制冷剂性能分析

2. 1低温制冷剂的物理和化学性能通常希望适用于某一种蒸汽压缩式制冷循环的制冷剂具有良好的热力学物性、良好的传热和流动

性能、良好的物理化学性能、能与润滑油较好地互溶、环境友善、无毒、可燃性低以及良好的电气绝缘性能等，除此之外，人们还要求制冷剂具有较好的经济性，容易获得。综合以上几种因素，列出了可用于蒸发温度为- 100 - 60的复叠低温制冷系统的低温制冷剂及其部分物理和化学性能。R13是CFCs制冷剂， R503是含有CFCs制冷剂的共沸混合制冷剂， R23是HFCs制冷剂， R508B是由质量百分比为46 54的R23和R116组成的HFCs共沸混合制冷剂，而R170则是HCs制冷剂。

因此，从环境友善角度来看， R13和R503属于被淘汰和禁用的制冷剂，而R23、R508B和R170则是可长期使用的制冷剂。所列的几种制冷剂都无毒性，除了R170外其他制冷剂都不可燃，因此从可燃性角度考虑R170的应用受到一定限制。从制冷剂获取的方便性和经济性角度考虑， R170比其他几种制冷都具有优势。R170尽管具有高可燃性，但其获取的经济性低、低温时热力学性能优良以及低温时和润滑油良好地互融性能等，使得其在大型工业制冷系统中得到广泛地应用。对中小型复叠低温制冷系统，考虑到制冷系统的整体经济性，通常采用R23和R508B作为低温制冷剂。本文主要讨论用于中小型复叠低温制冷系统的R23和R508B低温制冷剂。

2. 2 R23和R508B对系统性能的影响对几种低温制冷剂在蒸发温度- 84 4，冷凝温度- 35 ，过冷度5 6 ，吸气温度- 17 8 ，压缩机的余隙容积为4%、等熵压缩指数0 7时理论性能进行了计算，结果如所示。从制冷系统制冷量和能效比等经济方面综合考虑， R503

是性能最佳的低温制冷剂，但R503是被禁用的制冷剂，环境友善性差。对R23和R508B，综合比较其制冷量和能效比的性能可知， R508B的性能优于R23，尤其重要的是，在相同工况下R508B的排气温度较R23低得多并且在压缩机容许的安全运行排气温度范围内，这对保证润滑油的润滑性能和延长压缩寿命方面非常有利。

因此，综合考虑不同制冷剂对制冷系统制冷量、能效比的影响，并结合其对压缩机运行寿命的影响以及其对环境的影响等， R508B作为HFCs类型的共沸制冷剂是最合适用于中小型复叠低温制冷系统的低温制冷剂。

2. 3 R23和R508B的换热性能众所周知，制冷剂的热导率、粘性、汽化潜热、定压比热容和液体密度等直接影响其沸腾蒸发和冷凝换热性能。对低温制冷剂的本身特性及其在低温时的换热性能等，公开报道资料中很少涉及。定性地分析了低温制冷剂随着温度降低其本身性能对换热性能影响的变化趋势。对R23在强迫对流沸腾和膜式凝结情况下的换热系数进行分析。可知，随着温度降低低温制冷剂的换热系数也降低。

正是由于人们对低温制冷剂的换热性能了解得比较少，因此对设计和选用低温换热器造成一定的影响，建议系统设计人员对低温换热器应多做比较分析并用实验数据进行修正，以求低温换热器做到经济合理。

2. 4 R23和R508B润滑油的选择两级复叠低温制冷系统蒸发温度为- 100 - 60 ，因此低温级的润滑油除了具有一般制冷剂润滑油

的特性外，还要有足够低的倾点温度以确保润滑油能从蒸发器等吸气侧回到压缩中，使得制冷系统能正常运行。

R13和R503制冷剂通常配用矿物油，如国产N46冷冻油，但矿物润滑油在低温下容易从制冷剂中分离并且凝结脱蜡，堵塞制冷机节流机构并积存于蒸发器中影响换热及系统正常运行，建议必要时可向制冷系统中添加类似脱水戊烷等物质，以防止润滑油脱蜡。需要注意的是，如果添加脱水戊烷等物质时，需要控制其比例，以免改变制冷剂的可燃性。

R23强迫对流沸腾换热系数和膜式冷凝换热系数随温度变化趋势R23和R508B是HFCs制冷剂，可和POE酯类润滑油配合使用，适用于R23的润滑油同样也适用于R508B，而且低温时润滑油在R508B中溶解度比R23好。根据各压缩机厂家的推荐及笔者所在单位实测， ISO粘度等级为22和32的POE酯类润滑油可作为R23和R508B制冷剂的润滑油，列出了部分推荐作为R23和R508B的润滑油及相关性能。需要注意的是，所列的润滑油用于不同压缩机时，还应该咨询压缩厂家是否需要添加适量的添加剂等。

POE酯类润滑油由于其固有的特性而不存在凝结脱蜡的问题，但润滑油存于蒸发器中同样影响换热，因此在低温级制冷系统中需要设置高效油分离器。只有排气含油量不超过5ppm才可确保润滑油不集中在蒸发器中，从而造成系统性能降低甚至压缩机故障。

3 R23和R508B在系统设计中的应用R23和R508B用于复叠低温制冷系统时，除了前面提到的一些问题外，在系统设计中还需要注意

以下一些问题。

3. 1 R23制冷系统充注量相同温度和压力下R23气体和液体比容比R13及R503大，因此采用R23的复叠低温制冷系统需要重新校核膨胀容器的容积。文献指出采用R23的制冷系统制冷剂充注量较采用R13或R503系统少10 20%左右，笔者实测数据表明其制冷剂充注量甚至能较R13减少达30%左右。因此笔者建议通过实验测试

优化系统制冷剂充注量，使低温系统更加容易启动并且性能良好。

3. 2适用于R23和R508B的压缩机尽管复叠低温制冷系统已得到广泛应用，但几乎没有压缩机厂家公布其压缩机用于R23、R508B等制冷剂时的性能参数，也没有特别为R23、R508B等制冷剂开发的压缩机。市面上大部分用于复叠低温制冷系统的压缩机都是普通压缩机，因此选用压缩机时，可遵循以下原则：

3 2 1选用为工商业制冷领域设计的低温型活塞式、螺杆式压缩机；

3 2 2为了提高系统能效比，建议相同排气量下一般选用低功率电机的压缩机；

3 2 3压缩机设计的运行压力范围要和复叠低温制冷系统低温级的设计运行压力范围相适应，以免引发安全事故；

3 2 4所选用的压缩机的材料需和所选用的制冷剂及润滑油相适应，以免发生材料腐蚀等问题，必要时可从压缩机生产厂家取得相关资料；

3 2 5注意压缩机的应用范围，尤其要注意压缩机的最低吸气温