氦制冷工艺(氦制冷机原理)

1. 氦制冷机原理

高温气冷反应堆是由普通的石墨气冷堆发展而来的反应堆。工作原理是：用石墨作为慢化剂，用气体氦作为冷却剂（这就是“气冷”），氦气的温度高达800度左右（这就是“高温”）具体过程是：当反应堆内的核燃料进行核反应时，放出中子，速度太快的中子经过石墨碰撞便慢下来（因为在此堆里只有慢中子才能与铀燃料发生有效反应），以维持核反应。

核反应时要释放出大量的热量，如果不把热量带走，就会烧毁反应堆，所以用气体（氦）流经堆芯，把热量带到热交换器，再由另一路冷却剂把氦气冷却，降温后的氦气又回到堆芯继续冷却反应堆，形成闭式循环回路。

这就是高温气冷堆的最简单原理

2. 氦循环制冷

是4g/mol。具体来源如下。

计算公式：n=m/M。

气体摩尔体积、气体总体积、物质的量之间的关系：Vm=V/n。

注：在标准状况(0°C，101KPa)下，气体摩尔体积约为22.4L/mol。

氦气广泛应用于军工、科研、石化、制冷、医疗、半导体、管道检漏、超导实验、金属制造、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等。

3. 氦制冷机原理动画演示

1、雪人股份：公司在氦气压缩机研发领域已有项目突破，其中“HE26L766NW型氦气喷油式螺杆压缩机”已入选国内首台(套)重大技术装备名单。

2、和远气体：公司提供氦气、氮气等特种其他。2019年特种气体产品中氦气占比约24%，公司有相关专利。公司特种气体高纯氢气、高纯氦气以及氧气、氮气、氩气均早已用于半导体、芯片、集成电路方面，有客户有收入。

3、深冷股份：公司已具备氦气提取与液化等成套装备的设计、制造一站式解决方案提供能力，计划与气源方共同投建氦气提取、精炼与液化装置，公司拥有天然气提氦技术，氦气液化技术。

4、凯美特气：公司电子特种稀有气体项目已生产出合格产品99.9999%氦气,该项目氦产量144000Nm3/年。

5、金宏气体：公司2019年电子特种气体营收占比34%，达3.9亿元。公司主要特气产品中包括氦气、超纯氨等，其中氦气的市占率约为2.57%。

6、中泰股份：公司目前拥有大型LNG工厂氦气提纯装置研制等7项研发项目；深耕深冷技术在工业气体提纯、净化、分离环节的应用，公司具备氦气制取的技术储备，并已有成熟的氦气制取装置核心设备的业绩，目前公司氦气领域主要应用于制取环节；为中科富海氦制冷机提供了全套板翅式换热器，板翅式换热器是深冷技术的核心设备。

7、昊华科技：全资子公司黎明院、光明院和西南院通过外购国外氢源，经提纯、分装销往国内客户端使用，高纯氦气满产满销。旗下光明研究院拥有氮、氦气产能1000吨。

8、国新能源：大股东国新能源集团2018年7月与中科院理化所及中科富海签订了三方合作协议，涉及氦资源开发等领域。

9、华特气体：公司销售的半导体其他中包括高纯氦气，用于半导体的高纯度氦气是公司纯化生产的，销售的普通氦气是外购的。

10、杭氧股份：公司销售的氦气产品是自产的，公司投资的空分设备中部分具备提取氦气的能力。

4. 氦气制冷原理

磁共振冷却系统是由液氦冷屏、冷头、氦压缩机和水冷机组四部分组成。液氦冷屏是磁体的组成部分之一,设有20K、70K两级冷屏,二者的作用都是直接减少辐射传导。

冷头是制冷部件,通过两级缸套端面的铟线圈将低温高压氦气传输到磁共振的两级冷屏上,为低温容器中的液氦降温,保持液氦中超导线圈的环境温度,以隔绝结构导热,降低液氦消耗。它又是一个膨胀机,经过氦压缩机压缩的低温高压氦气在这里膨胀带走周围的热量。冷头的材料主要是丝绸胶木,两级缸套分别以铜丸和铅丸为蓄冷填料。

氦压缩机主要为冷头提供低温高压氦气。氦压缩机中充以高纯度的氦气,并通过软管与冷头相连,工作时,由冷头循环来的热氦气,经过压缩提升压力,在热交换器中与压缩机油交换热量,使温度迅速下降,成为低温高压氦气,经油水分离器滤油,再经吸附器进一步过滤,方送冷头制冷用,此过程即为氦气循环过程。

水冷机组类似于一个空调系统,经过热交换给氦压机提供冷却水。氦压缩机产生的热量最终由循环水带走。通过水冷机组、压缩机和冷头不停地工作,就可以源源不断地为磁共振提供冷量,以达到减少液氦蒸发的目的。

5. 氦低温制冷机

稀有气体是混合物。

稀有气体或惰性气体是指：

元素周期表上的18族元素（IUPAC新规定，即原来的0族）。在常温常压下，它们都是无色无味的单原子气体，很难进行化学反应。天然存在的稀有气体有六种，即氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和具放射性的氡（Rn）。而Uuo是以人工合成的稀有气体，原子核非常不稳定，半衰期很短。根据元素周期律，估计Uuo比氡更活泼。不过，理论计算显示，它可能会非常活泼，并不一定能称为惰性气体。然而，碳族元素鈇（Fl，原临时命名为Uuq）表现出与稀有气体相似的性质。

【稀有气体的用途】：

氦具有强烈的扩散性，渗透能力特别强。因此，对要求特别严格的压力容器和真空系统，氦是最好的检漏指示剂。此外，氦是超低温制冷机的最佳制冷工质。氦液化器、氦制冷机可以获得接近绝对零度的低温。用液氦操作的泵，可以达到电子工业中需要的133.32×10-9Pa的高真空度和在宇宙空间研究中需要的133.32X10-10~133.32X10-12Pa超真空度。 在原子物理方面。氦的原子核被作为a粒子。

在原子工业中，普遍应用氦气作为保护气。原子反应堆中氦不仅作为保护气，还可以作为冷却剂。因为氦的化学性质不活泼，对燃烧装置无腐蚀作用，能提高反应堆的温度和效率。由于氦气本身的热导率高，冷却效果好。

在医疗方面,1:4的氧和氦的混合气能很快浸透肺部，加速氧和二氧化碳的交换，可以洽疗气喘、气管、喉部疾病，以及潜水病等。

在潜水作业中，若用普通空气，在深度50m以下，溶解在血液中的氮会引起麻醉，潜水员有生命危险。所以，潜水员在深水作业时，不能用纯氧，而需要用氧、氦混合气代替空气.供潜水员呼吸，可以保证200m深水作业的安全。因此，氦气的消耗量很大。 由于氦气比氢气安全，可以用氦气代替氢气充填飞船、气象气球等。氦气还可以作为色谱和载气。

随着宇宙空间技术、激光技术和红外线探测技术的发展，氦还有着广泛的用途。 氖气充填在灯泡中呈红色，长期被用来充填氖信号装置及各种放电管，还广泛用于激光技术、红外线检测等方面. 氖气的气化潜热比氦气大40倍。因而可以作为超低温的制冷剂.其最低温度为 -245.9℃。氖、氦气还可用于多孔物质的真密度和表面积的测量。

氪、氙主要用于电光源方面。氪、氙，氩混合气充装的灯泡体积小、寿命长、效率高。一般比白炽灯的效率高4~5倍，寿命可增加2~3倍。闪光灯、频闪观测器等都应用氪、氙气。由于氙灯的放电强度超过太阳光的放电强度，所以用氙气充填的长弧氩灯，俗称“小太阳”，其穿雾能力极强。可用于机场、车站、码头等处的照明.也可以应用于军事领域。

另外，氙气的分子量较大，有很强的麻醉作用，在医学上是理想的麻醉剂氙还具有不透过X射线的性质.被用于脑X光摄影的造影剂，也应用于遮蔽X射线。

6. 氦气制冷机原理

1、氦气制造低温环境是利用挥发吸收的性质。

2、氦气用于制造低温环境，利用其挥发吸热，不需要发生化学变化就表现出来，属于物理变化。

3、氦气之所以稀缺，一方面是由于其用途非常广泛，另一方面是因为氦气无法通过人工制备获得，氦气在空气中的含量非常低，从空气中提取氦气，成本可能比等体积的黄金还要贵，不具备工业提取价值。

7. 氦气制冷系统

制氦气步骤：

(1)取下橡皮塞，向钟罩内放入锌粒，使锌粒均匀铺散在中部有孔的隔板上，然后塞紧橡皮塞，将其放到大口瓶或烧杯中。

(2)向烧杯中加入适量1∶4的稀硫酸。

(3)打开活塞，则酸液进入钟罩内并与锌粒接触，发生反应生成氢气。

(4)关闭活塞，可使反应停止。

(5)实验完毕，将盛有锌粒的钟罩从酸液中提出、洗净，同时回收锌粒和酸液。

氦气介绍：氦（旧译作氜）是一种化学元素，它的化学符号是He，它的原子序数是2，是一种无色的惰性气体，放电时发深黄色的光。在常温下，它是一种极轻的无色、无臭、无味的单原子气体。氦气是所有气体中最难液化的，是唯一不能在标准大气压下固化的物质。氦的化学性质非常不活泼，一般状态下很难和其他物质发生反应。氦是宇宙中第二最丰富的元素，在银河系占24％。

基本用途：利用其－268.9℃的低沸点，液氦可以用于超低温冷却。在悬浮列车等领域中广受关注的超导体应用中，氦气是不可或缺的。此外，由于化学性质不活泼和轻于空气等特征，氦气常用于飞船或广告气球中的充入气体，这一用途也是众所周知的。在海洋开发领域的呼吸用混合气体中，以及医疗领域的核磁共振成像设备的超导电磁体冷却的用途中，氦气都得到广泛的应用：军工、科研、石化、制冷、医疗、半导体、管道检漏、超导实验、金属制造、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等。可用于低温冷源和超导技术。也可用作高真空装置、原子核反应堆、宇宙飞船等的检漏剂及镁、锆、铝、钛等金属焊接的保护气。在火箭、宇宙飞船上用作输送液氢、液氧等液体推进剂的加压气体。还用作原子反应堆的清洗剂、气体色谱分析分析的载气、气球充气、电弧焊用保护气、潜水用混合气和气体温度计的填充气。另外由于氦气渗透性好、不可燃的特点，它还应用于真空检漏行业，如氦质谱检漏仪等。

制备方法：

冷凝法:天然气提氦在工业上采用冷凝法该法工艺包括天然气的预处理净化、粗氦制取及氦的精制等工序,制得99.99%的纯氦气。

空分法:一般采用分凝法从空气装置中提取粗氦、氖混合气,由粗氦、氖混合气制纯氦、氖混合气经分离及纯化,制得99.99%的纯氦气。

氢液化法:工业上采用氢液化法从合成氨尾气中提氦。该法工艺是低温吸附清除氮、精馏得到粗氦加氧催化除氢及氦的纯化,制得99.99%的纯氦气。

高纯氦法:将99.99%的纯氦进一步用活性炭吸附纯化制得99.9999%的高纯氦气。