随着大型粒子加速器、正负离子对撞机、低温超导系统等大型科学系统的建造以及航空航天技术的不断发展,大型低温系统的应用越来越广泛和重要。氦液化系统可以提供4～5K的超低温环境,对国家的宇航事业、科研机构、医疗等各行各业均有十分重要的作用。氦液化系统需要达到4.2K的低温环境,能耗巨大,同时系统的漏热也相当严重。所以,对大型氦低温系统进行优化设计,增强系统的能量利用率,对节约能源具有重大的意义。由于关键参数较多,流程结构多变,目前的研究均在某固定条件下,或基于热力学第一定律或基于热力学第二定律,或基于复杂的数学优化方法,优化结果缺乏综合性,且物理意义不容易理解。夹点技术是20世纪70年代起在瑞士联邦理工学院和英国利兹大学由Linnhof教授带队开发,后来又经多方的讨论研究,最终成为一种过程综合优化的方法论。它可以综合考虑节能效果、投资费用和可操作性三方面的平衡,并因其实用、简单、客观、效果显著而广受关注,被评为当今过程能量综合领域中最重大的突破之一。本文采用“夹点技术”对大型低温系统流程进行优化设计和分析,主要的研究工作如下:第一,选取典型的氦液化循环系统,研究其能量流随温度的分布,利用夹点技术分别绘制其温-焓图上的冷/热组合曲线,确定系统的夹点位置和温差。此过程是夹点技术应用的关键,可以简单直观的展现不同系统的能量分配、瓶颈所在以及优化的目标等。第二,根据所绘制的温-焓图分别对比所选循环的能量利用情况,定性地分析其特点,进一步用“(火积)理论”进行解释论证。研究结果表明,整个系统的(火用)效率由高到底排序为;多级修正布雷顿循环>柯林斯循环>两级修正布雷顿循环;末级修正布雷顿循环>柯林斯循环>两级修正布雷顿循环。第三,对所选循环进行基于夹点技术的模拟计算。利用Fortran以及Aspen HYSYS等对几种循环进行仿真模拟,针对压缩机出口压力、膨胀机分流比、中间压力等关键性能参数进行计算,得出不同状态下系统的(火用)效率、冷箱的(火用)效率和系统的液化率等优化指标,并与基于夹点技术温-焓图的理论分析结果相比较,总结异同及产生原因。另外,在上述分析的基础上,总结出系统(火用)效率和冷箱(火用)效率变化趋势不同的关键问题——节流阀液化率最佳进口压力为640KPa;针对这一问题,提出了改进的新型氦液化流程。第四,针对新提出的一种串联式多级氦液化/制冷循环进行基于夹点技术的理论分析和数值计算,得出优化后的性能指标,并与实际情况相比较,分析夹点技术应用于大型低温系统的优势所在。