液氮循環(huán)制冷系統(tǒng)中的液氮回收，主要是指閉式循環(huán)系統(tǒng)中的核心過程。在這種系統(tǒng)中，液氮并非一次性消耗品，而是作為工作介質(zhì)在一個封閉的回路中循環(huán)使用：蒸發(fā)吸熱 -> 變成氣體 -> 收集 -> 壓縮 -> 再液化 -> 重新使用。

實現(xiàn)液氮回收的關(guān)鍵在于 “再液化” 這個步驟。以下是閉式液氮循環(huán)制冷系統(tǒng)實現(xiàn)液氮回收的典型流程：

1. 液氮蒸發(fā)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(qū)域（如冷阱、低溫腔室、樣品臺等）。

   • 液氮在此處吸收熱量，發(fā)生相變，蒸發(fā)成低溫氮氣（溫度接近-196°C）。

2. 低溫氮氣收集：

   • 蒸發(fā)產(chǎn)生的低溫氮氣，通過專門設(shè)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(tǒng)設(shè)計需要確保氣體能順暢地回流，避免在制冷區(qū)域積聚造成壓力過高或影響制冷效果。

3. 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(huán)境溫度）。

4. 預(yù)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(jié)流閥的更低溫度氣體（通常是經(jīng)過膨脹降溫后的返流氣體）預(yù)冷。這一步非常關(guān)鍵，它回收利用了系統(tǒng)內(nèi)部的冷量，顯著提高了整個液化循環(huán)的效率，降低了壓縮機的功耗。氣體溫度被初步降低。

5. 膨脹制冷（核心液化步驟）：

   • 經(jīng)過預(yù)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(qū)動發(fā)電機或風機），氣體自身的內(nèi)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(jié)流閥： 高壓氣體通過一個節(jié)流小孔（閥門）膨脹到低壓。根據(jù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)，對于氮氣在常溫以下，節(jié)流膨脹會導(dǎo)致溫度降低（節(jié)流制冷效應(yīng)）。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(tǒng)中使用。

   • 經(jīng)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(tài)是氣液混合物。

6. 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(guān)重要，它被引回第4步的換熱器，用于預(yù)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(huán)。

7. 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(qū)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(qū)域進行蒸發(fā)制冷，完成一個完整的循環(huán)。

總結(jié)關(guān)鍵點：

• 核心是再液化： 回收的本質(zhì)是將蒸發(fā)后的氮氣重新變成液氮。

• 能量輸入點： 壓縮機是系統(tǒng)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(jié)流效應(yīng)（J-T閥） 導(dǎo)致自身溫度降低來實現(xiàn)液化。

• 效率關(guān)鍵： 高效的熱交換器（換熱器） 是閉式循環(huán)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(yù)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(huán)： 整個氮氣（氣態(tài)和液態(tài)）在一個封閉的管路系統(tǒng)中循環(huán)，沒有排放到大氣（或只有極少量補充），實現(xiàn)了液氮的持續(xù)回收利用。

與開式系統(tǒng)的區(qū)別：

• 開式系統(tǒng)： 液氮在制冷區(qū)域蒸發(fā)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(tǒng)： 通過上述復(fù)雜的壓縮、熱交換、膨脹過程，將蒸發(fā)的氣體重新液化回收，顯著降低了液氮的消耗量，雖然設(shè)備初始投資高、系統(tǒng)復(fù)雜，但長期運行成本更低，更環(huán)保（無氮氣排放）。

因此，液氮循環(huán)制冷系統(tǒng)實現(xiàn)液氮回收，主要依靠閉式循環(huán)設(shè)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(fā)的氣態(tài)氮重新液化，從而完成工作介質(zhì)的循環(huán)再利用。

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