制冷与低温原理04第四章课件.ppt

1、第三章 气体的制冷与液化循环 第一节 系统性能参数 第二节 热力学理想液化系统 第三节 低温的产生 第四节 焦耳-汤姆逊膨胀循环系统 第五节 等焓膨胀与等熵膨胀的组合系统 第六节 复叠液化循环 第七节 Ne、H2、He的液化系统第一节第一节 系统性能参数系统性能参数 热力学数据的来源 三种方式：表格、图线、方程式 计算机技术制作的数据库将三者有机结合成整体。例如：美国NIST 美国CRYODATA.Inc 日本九州大学等单位 热力学图及图示特征 热力学图对我们的工作很有帮助，它们可以提供大量有用的信息。以T-S图为例：相 临界点 单相区 等焓线 第一节第一节 系统性能参数系统性能参数焓是T和P

2、的函数 对于等压过程或除了常用的T-S图外，低温工程还经常用p-v图、T-v图、h-T图、h-s图等()()PTHHdHdPdTTP()THdHpdTCpdTP21TTHpCpdT第一节第一节 系统性能参数系统性能参数 系统性能参数 液化系统的支付函数(payoff function):a.单位质量气体的压缩功 b.单位质量气体液化的压缩功 c.液体产率 三者之间的关系 /mW q/mfW q/mfmyqq(/)(/)mmfW qW qy 第一节第一节 系统性能参数系统性能参数 性能系数COP (coefficient of performance)COPW制冷功率/输入功率Q/第一节第一节

3、系统性能参数系统性能参数性能指数FOM(figure of merit)或 FOM在01之间变化，它指示实际过程与理想过程之间的接近程度。/imfimfWqWFOMWW qidealCOPFOMCOP第一节第一节 系统性能参数系统性能参数影响性能的因素 a.压缩和膨胀机的绝热系数 b.压缩和膨胀机的机械效率 c.换热器的效率 d.管路、换热器等中的压降 e.环境向系统中的传热等 在我们起初的计算讨论中，假设系统中不存在任何不可逆损失。第一节第一节 系统性能参数系统性能参数第二节第二节 热力学理想液化系统热力学理想液化系统 液化过程是一个开式过程，理想液化系统可用卡诺循环的两种过程：可逆等温压缩

4、和可逆等熵膨胀cqm qmf由热力学第一定律又由于传热过程是一个可逆等温过程，所以得到这一功只取决于起始的压力和温度；由比较可得，H2、He、Ne的理想液化功较大，其它气体较小。11()()RCmfmfQWqhhqhh 12111()()RmmfQq T ssq T ss 111()()iiffmmfWWT sshhqq 第二节第二节 热力学理想液化系统热力学理想液化系统第三节第三节 低温的产生低温的产生大多数制冷和液化系统都用J-T阀膨胀或膨胀机膨胀或两者结合的方法获得低温。J-T效应作外功的绝热膨胀 J-TJ-T效应效应 微分节流效应和微分节流系数 转化点和转化曲线 积分节流效应微分节流效

5、应和微分节流系数 微分节流效应是指节流时微小压力变化引起的温度变化 微分节流系数 对于理想气体，即 也就是说，理想气体节流时温度不变。1()()JThPPTVTVPCT()PVTVT0JT 微分节流效应有三种情况 即 零效应；即 正效应；即 负效应0JT()PVTVT0JT()PVTVT0JT()PVTVT微分节流效应和微分节流系数 由 得到 式中第一项是T不变，压力变化引起的内 能变化，由物性参数得 ，由于真实气体分子间具 有吸引力，当比容 v增加时，内能中的位 能部分增加，所以 一定是正值；因为T不变，分子动能不变，而 一定 是负值，因此 就必然是正值。所 以节流效益引起的温度变化取决于第

6、二项。hupv1()()()JTTTPupvCpp()()()TTTuuvpvp()Tuv1()TPuCp()Tvp微分节流效应和微分节流系数转化点和转化曲线 的点为转化点，相对应的温度为转化温度。在一定压力下，每种气体都有二个转化温度。0JT 根据气体的最高转化温度，所有气体可划分成两类：1.大部分气体的节流转化温度都高于室 温，只用J-T效应就可得到低温。2.He,H2,Ne三种气体的最高转化温度低 于环境温度。用等熵膨胀和节流膨胀相 结合得到低温。转化点和转化曲线积分节流效应 当压缩气体节流后的压力降较大时所产生的温度变化称为积分节流效应 由此可见 不仅与压力有关，且还与温度有关，通常用

7、状态图求积分节流效应。221121()PPhJThPPTTTTdpdpPhT 严格地说，等焓节流本身只是发生温度变化，并不产生冷量，但是可把降温效应转化为制取冷量。等温节流效应与积分节流效应可用下式关联：()()TTPJTPHVTVCPT 作外功的绝热膨胀 理想情况下，压缩气体可逆、绝热、等熵膨胀时总伴随着温度的降低有两个原因：1.对外作功又不输入能量，就要消耗工质自身的能量，内能的降低表现为温度的降低。2.气体膨胀后，分子间距增大，必须克服分子间引力而作功，分子间势能增大，又没有热量输入，所以只能由分子的动能的减少来补偿，同样是内能减少，表现为气体温度降低。等熵膨胀的温度效应 等熵膨胀温度效

8、应是指气体等熵膨胀时，压力降低引起的温度降低。定义微分等熵膨胀系数 ()SSTP 由熵的全微分方程推出 从上式可以看出：1.恒为正值，不存在转化点 2.在任何情况下，作外功的绝热膨胀总是降温 3.有 ，所以 ()()0SSPPTTVPCTSSJTPVCSJT等熵膨胀的温度效应4.在接近临界点时，气体的摩尔体积变得很小，而等压比热则急剧增加，所以 ，表明当压缩气体的温度降到临界点时，采用节流降温有显著的优点。5.当膨胀前的温度较高或压力较低时，等熵膨胀系数增大，实用流程就是按此原则组织的。6.对于理想气体，所以 。()PVVTTSPVCSJT等熵膨胀的温度效应膨胀功、产冷量 压缩气体等熵膨胀时，

9、不仅可以降温和获得冷量，而且还可以回收膨胀功。等熵膨胀对外所作的最大功为 等熵膨胀的产冷量由两部分组成：等熵膨胀时的焓差和所作的外功。2112PPWVdpHH 第四节第四节 焦耳焦耳-汤姆逊膨胀循环系统汤姆逊膨胀循环系统 简单Linde-Hampson系统 有预冷的Linde-Hampson系统 Linde双压系统简单Linde-Hampson系统 虽然Linde-Hampson系统是所有液化中最简单的一种，但是它是第二个被用于气体液化的，最先被用于液化的是级联循环（Cascade System）Simple Linde-Hampson System 的构成 为了便于分析系统的性能，假设：除了

10、膨胀阀外，无不可逆压力降；没有热漏；换热器的效率100 工作过程 1-2：可逆等温压缩过程。实际过程中，包括两个过程：不可逆的绝热和多变过程与气体冷却过程 2-3：等温还热过程 3-4：等焓膨胀过程 4：膨胀后部分气体被液化，存在贮液 槽器，未被液化的气体从贮液器引 出回流。热力分析 把换热器、膨胀阀、贮液器作为研究对象：式中可见，液体产率 1.由环境温度决定 h1、hf 2.由等温可逆压缩决定h2 12()0mmfmffmqqhq hq h121mfmfqhhyqhh 我们很难改变环境条件，所以h1、hf通常 是固定的。因此要使液化率最高，应尽可能使h2达到最小值。假设是等温压缩，则即 又

11、而 ，所以也就是要使 因此对应于最大液化率的点，应该是温 度T1与压力P2流体转化曲线的交点。然而，。1(/)0T ThP()()()JThPTTThPhP()PPTCh10|JTT T 简单的Linde-Hampson System不能用于He,H2,Ne的液化有两方面的原因：1.它们的最高转化温度低于室温。2.液体的产率为负值。对于功的情况：假设是等温可逆条件下 21()RmQWqhh12112121()()()mfmfhhWWT sshhqq yhh 有预冷的Linde-Hampson系统 降低T2的温度有利于提高液体的产率。因此人们提出在Simple-Hampson System 的基

12、础上，加一个辅助制冷系统，以提高液体的产率。辅助制冷系统的制冷剂可以选用CO2、NH3、Freon 等。系统的构成 热力分析 定义制冷剂流量比 化简得到 12()0mmfmramffmmfdqqhq hq hq hq h/mrmrqq1211adffhhhhyrhhhh63max6fhhyhh 假设主压缩机和辅助压缩机都是可逆等温的，则单位质量主气流需用压缩功：最后一项代表辅助压缩机额外的压缩功，因此这一循环的压缩功大于Simple Linde-Hampson System的压缩功。实际中，最后一项占总功的10左右。11212()()()()aababmWT sshhr T sshhqLind

13、e双压系统 林德双压循环中，将高压气体节流到某一中间压力后，分成两部分，一部分回收其冷量后再回到高压压缩机，以提高高压压缩机的进气压力，减少功耗；另一部分气体从中压再次节流到低压并获得液体 对换热器、节流阀和贮液器进行能量平衡：其中，可得到13()0mmfmimiamffmqqqhq hq hq h/mfmyqq131211ffhhhhyihhhh第五节第五节 等焓膨胀与等熵膨胀的组合系统等焓膨胀与等熵膨胀的组合系统 采用节流阀膨胀在热力学上是一个不可逆过程。而采用膨胀机的等熵膨胀，可获得比等焓膨胀低得多的温度。现代工业上应用的大多制冷和液化装置都采用等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环，以期在贮液器

14、中获得更多的低温液体。这通常是为了避免因膨胀机中生成液体而带来麻烦。Claude System 1902年，法国的Claude首先实现了带有活塞式膨胀机的空气液化循环。我们将这种循环称为Claude循环。在Claude循环中膨胀阀认识不可缺少的，因为在实际系统中不允许膨胀机生成很多液体。设 可导出液化率为 若膨胀功用于辅助压缩，则系统所需净 功为/memxqq31211effhhhhyxhhhh112123()()()emWT sshhx hhqKapitza System 1937年，前苏联的卡皮查除去了基本型克劳特循环中的第三级低温换热器，实现了带有高效率透平膨胀机的低压液化循环，即卡皮查

15、循环。除了用透平膨胀机取代了活塞式膨胀机之外，卡皮查系统中的第一（或高温）换热器实际上是一套二台切换操作的蓄冷器，它将冷却过程与净化过程结合起来。卡皮查循环：带有高效率透平膨胀机的低压液化循环。卡皮查循环：带有高效率透平膨胀机的低压液化循环。它采用低压力，等温节流效应及膨胀机焓降均较小。Heylandt System补气 qmf qme qm海兰特循环海兰特循环：带高压膨胀机的气体液化循环。：带高压膨胀机的气体液化循环。实际上它也是克劳特循环的一种特殊情况。实际上它也是克劳特循环的一种特殊情况。其它用膨胀机的系统 双压Claude System Collins氦液化循环第六节 复叠液化循环 复

16、叠（Cascade）循环也叫逐级冷却循环，阶式循环或级联循环。复叠循环是具有预冷的循环的延伸和扩展，只不过其中的预冷系统被外来制冷系统所直接冷却。下面介绍 经典的级联循环 混合制冷剂级联循环 带膨胀机的混合气体循环经典的级联循环 复叠循环由若干个在不同低温下工作的蒸气制冷循环复迭而成。经典的复叠系统是用来产生液空的第一个液化系统。1933年基索姆（Keesom）提出用氨将1.9MPa的乙烯液化，用液乙烯将2.5MPa下的甲烷液化，最后用液甲烷将1.86MPa的氮气液化。优点：复叠系统比任何其它系统的不可逆性要来得小。系统中通过膨胀阀的不可逆膨胀是在比其它系统较小的压力范围内进行的，因而复叠系统

17、的性能得到了改善。系统中采用较低的压力也是一个优点。缺点 每一个系统回路都应严格防漏，以防一个回路的流体漏入另一个回路，这就使系统的维护变得困难。复叠系统采用众多的各种制冷剂压缩机，使系统变得复杂。混合制冷剂级联循环 混合制冷剂复叠循环是上世纪六十年代末期由复叠循环演变而成的，它采用一种多组分混合物作为制冷剂，代替复叠循环中的多种纯组分制冷剂。在这种循环中，由于压缩和换热过程的简化，在某些情况下其投资费用要比常规的复叠循环来得低。混合制冷剂可以是氟利昂、烷烃类、氮等组成的多种组分的混合物，其组成根据被液化的原料气的组成和压力而定。在设计混合制冷剂循环和选择操作参数时应 注意注意如下几点：1、从

18、热力学考虑，天然气的组成及原始压力决定 了过程的冷凝温度，压力越高，冷凝温度也越高，所需的冷冻功就越低，效率也就越高。常用的天 然气进气压力范围为3.08.0MPa。2、制冷剂组分要随原料气的组成和压力加以调整，目的是使换热器中的冷却气流和加热气流之间的 焓一温曲线得到最佳分布。3、中间各级装置要使各种制冷剂能充分冷凝和分离 回流。4、液化天然气的过冷度要使其节流到贮液槽压力时 发生的闪蒸损失最少。带膨胀机的混合气体循环 这种循环是利用气体在膨胀机中进行作外功的绝热膨胀来提供液化气体所需的冷量。直接式膨胀机循环特别适用于天然气输送压力较高，而实际使用压力较低，中间需要降压的场合。其突出的优点是

19、能耗低、流程简单、原料气的预处理量少。由于在膨胀过程中天然气中一些高沸点组分会冷凝析出，致使膨胀机在带液工况下运行，故设计比较困难。具有两级氮膨胀的制冷循环适于含氮 稍多的原料天然气，通过氮甲烷分离 塔可制取纯氮作为氮循环的补充气，并可副产少量的纯液态甲烷。这种间 接式膨胀机循环的能耗较高，约为 0.5Wh/Nm3原料气，比混合制冷剂 循环高40%左右。第七节第七节 NeNe、H2 、HeHe的液化系统的液化系统 用于Ne,H2的预冷Linde-Hampson System 用于H2,He的Claude System 利用He制冷的H2,Ne液化系统 液化系统中正仲氢的转化 Collins氦液

20、化系统 Simon氦液化系统用于Ne,H2的预冷Linde-Hampson System Linde-Hampson系统结构简单，非常适合小型的液化装置，但由于H2、He、Ne的最高转化温度低于室温，因此不能使用简单的Linde-Hampson。采用其它工质进行预冷，使该系统能用于H2、Ne的液化预冷工质的选择：原则上只要三相点温度低于Ne和H2的三 相点温度的工质均可作为预冷剂。如 F,O2,Air,CH4,Ar,N2 但前面4个由于具有爆炸性，不可用。Ar的价格昂贵，因此只能用N2。热力分析：令 ，有需要LN2量：2212()0mNcmmfmffmNamqhqqhq hqhq h/mfmy

21、qq2/mNmzqq747fhhyhh121fcacahhhhzyhhhh2/mNfqqz y性能提高的途径：要提高性能，有效的方法是低温降低换热器的换热温度。而降低饱和气体的压力就可以实现降低预冷剂温度的目的。对N2而言，最低可以降到三相点温度附近，约62.2K，若出现固相就会影响传热。用于H2,He的Claude System Claude循环系统的制冷效应主要来自于等熵膨胀过程而非膨胀阀的膨胀。该循环的性能指数比带预冷的Linde-Hampson循环高50-70。利用He制冷的H2,Ne液化系统 是有预冷的Linde-Hampson系统和Claude系统的组成。特点：可以降低工作压力，使

22、压缩机尺寸减小，减少管路数。液化系统中正仲氢的转化 氢存在两种状态：正氢O-H2 和仲氢的P-H2，它们之间的浓度比是温度的函数。室温下正常氢n-H2 组成为75 O-H2 和25 P-H2。正常沸点时的平衡氢中含99.79 O-H2和0.21 P-H2。正态的能级比仲态的能级高，O-H2向P-H2 转化时将放出热量。催化剂的选择：1.基本要求 对氢有高的吸附能力 在催化剂表面有高的顺磁组分浓度 顺磁组分有大的磁极矩 容易再生活化 有足够的机械强度 不易中毒2.满足上述要求的大致有三类催化剂：氢氧化铁 以铝为载体的氧化铬 镍基化合物 Collins氦液化系统Simon氦液化系统工作过程：过程1

23、-2：将高压氦气充入厚壁容器，氦 气的压力大约为15MPa，温度为环境温度。过程2-3：用液氮将容器和高压氦气冷却到77K，在冷却过程中继续对容器充气以维持容器内压力不变。过程3-4：一旦达到液氮温度时，就将原来在真空空间中的氦气抽走，然后在液氢空间中注入液氢，将其中的氦气置换出来。于是内容器及其中的氦气被冷却到液氢温度20.4K。过程4-5：对液氢抽空，使压力降低到其三相点以下，内容器及其15MPa的氦气被进一步冷却到10-12K。过程5-6：最后，开启氦气排放阀，将氦的压力从15MPa降低至0.101MPa。由于保留在容器中的氦对排放出的氦气做功，该过程基本上是等熵膨胀过程，能使容器中80100%的氦气液化。作 业P180-181习题:6,10,14