空分制冷低温装置的原理

1、第二章制冷低温装置的原理空气在地球周围，通常是过热蒸气，将其液化，需要通过液化循环来实现。液化循环由一系列必要的热力过程组成，制取冷量将空气由气态变成液态。低温循环的用途，从热力学的观点有下列几种情况：1）把物质冷却到预定的温度，通常由常温冷却到所需的低温；2）在存在冷损的条件下，保持已冷却到低温的物质的温度，即从恒定的低温物质中不 断吸取热量；3）为上述两种情况的综合，即连续不断地冷却物质到一定的低温，并随时补偿冷损失，维持所达到的低温工况。空气液化循环属于第三种情况，要将空气连续不断地冷却到当时压力下的饱和温度，又要提供潜热，补偿冷损， 维持液化工况。这首先要选择制冷方法，而后组成行之有效

2、的液化循环，这就是本章所讨论的内容。第一节获得低温的方法X105C,从300K变为干饱和蒸气需取出 222.79kJ /kg热量，再从干饱和蒸气变为液 体需取出168.45kJ /kg热量（即潜热），显然，为使空气液化首先要获得低温。工业上空气液化常用两种方法获得低温，即空气的节流和膨胀机的绝热膨胀制冷。一、气体的节流节流可以降温，如打开高压氧气瓶的阀门， 使氧气从瓶中放出， 不多久就能感到阀门变 冷了。这表示高压氧气经过阀门降低压力后， 温度也降低了。把这种现象应用到空分中，使 压力空气经节流阀降压降温。1、节流降温具有一定压力的空气流过节流阀，由于通流截面的突然缩小， 气体激烈扰动，压力下

3、降。由于气体经阀门的时间很短，来不及和外界产生热交换，所以 q=0,气体对外也没有作功，Lo=0,同时认为在阀门前后，气体流速是不变的，即w1 02像这样的流动过程称为节流。122由能重方程得：q h（w2 w1 ） （Z2 Z1） L02gh h2 h1式中hi 节流后空气的燃值；h2 节流前空气的始值。这表示节流过程最基本的特点是气体在节流前后的始值不变。为气体节流后的温度变化，点1表示节流后的p1、1、h1值，点2表示节流前的p2、1、h2值。节流使气体温度变化的大小，与节流前的温度、压力有关。为进一步说明节流前后的温度变化关系，常用节流阀前后微小的压力变化p和气体温度的微小变化T的比值

4、h来表示节流的效果。即h ( T/ P)h我们称h为节流微分效应，下脚 h表示节流过程为等始过程，若节流后温度降低则 卜0, h值越大，降温效果越好，若温度没有变化，则 h 0,若节流后温度升高，则 h0。xi05xi05Pa,压力的微小降低反使温度升高。气体节流过程是等始过程，也就是节流 前后气体的总能量不变。节能只是内能和推动功之间的转化。而内能又包括内位能及内动能，内动能的大小只与气体温度有关。节流后内动能降低时节流后的温度下降；内动能不变时节流后的温度也不变；内动能增大时节流后的温度升高。内动能的变化只有确定了内位能与流动功变化关系后才能确定。气体节流后的压力总是降低的，其比容增大，内

5、位能总是增大的。只有流动功的变化可能变大也可能不变或变小。当流动功的变化d(pU) 0时，气体节流时温度降低，此时气体分子间呈吸引力，当d(pU )0其绝对值大于内位能的增加值时，气体节流时温度升高，此时气体分子之间排斥力很大。对于某种气体而言，在节流时内位能的 增加正好等于流动功的减少时，节流前后的温度保持不变，这一温度叫做转化温度。只有在转化温度以下节流才能产生冷效应。卜表列出几种气体的转化温度。气体名称转化温度/K气体名称转化温度/K空气650笳204氧771氨-3/-439/46氮604氟1079僦785氤1476对于空气、氧、氮、氟、氤因转化温度很高，因而从室温节流时总是产生冷效应。

6、只有 氨室温节流温度会升高。选用节流工质时应该注意其转化温度。2、等温节流制冷量空气经过节流，虽可降温，但对外没有热交换(绝热)，也没有作功。因此，节流前后气体的总能量不变即等烙过程也就是节流过程本身不产生冷量。但是为了提供一定压力的节流气体，需要先将气体通过压缩机等温压缩后再由节流阀节流，节流后的气体再经过换热器去冷却被冷介质，构成压缩、节流、换热流程如图21所示。图”2等温节流整环示意图xi05Pa, 30c的空气等温压缩至 98xi05Pa后节流。在烙一温图2x l05Pa, 此时温 度降到12c (285K),即图中点3。在热交换器中，低温的空气吸热，使本身温度从12c再升到30c即由

7、点3再恢复到点1,空气此时所吸收的热量称为等温节流制冷量用qT表示。qT可以用始值计算：qThT hi h3(2-1)始值用气体的热力性质图查出。在节流前后压差较小时，利用查图法计算等温节流循环制冷量时往往误差很大，此时等温节流制冷量qT可以由比热来计算：为 Cp* T T节流温降，可以查图确定，也可以根据微分节流效应ai来确定。微分节流效应可理解为节流时单位压力降的温度变化率，故T尔p TOC o 1-5 h z 因此qT Cpah pr(2-2)根据精确的实验得出，空气在压力P ah,即气体的微分等嫡效应永远大于气体的微分节流效应。值，这意味着膨胀机膨胀永远产生温降。微分节流效应程不一定会

8、产生冷效应。只有气体温度低于转化温度时, 才会降温。从温降的大小方面比较，从图24可以看出， 膨胀机的膨胀可以产生较大的温降，在膨胀前、 后压力相同的条件下，等嫡膨胀的温降总是大大 的大于节流膨胀的温降。这是由于气体的能量大 量地消耗于作外功的结果。C(303K),膨胀到 0.0981MPa,在空气 丁一 S 图可以查出膨胀机的等嫡膨胀温降 110C,即膨胀 后的温度为-80 CC。可见，降温幅度的差别之大。从制冷量比较，等嫡膨胀制冷量qs也远远大而且微分等嫡效应总是 as 0,为正ah 0或ah 0 ,才能产生冷效应，节流后于等温节流制冷量。正如上述 qs值等于qt与膨胀功W之和。制冷量可以

9、由 TS图中的面积来表示。图24中的面积01 bc表示等温节流制冷量； 面积02ac表示等嫡膨胀制冷量。 等嫡膨胀制冷量包含了等温节流制冷量，其余部分面积即表示膨胀功。总之，无论从温度效应大小及制冷量多寡方面，等嫡膨胀都比节流膨胀制冷效果显著，而且膨胀机还可以回收一部分膨胀功，从而提高其经济性。节流过程用节流阀结构简单，调节方便，并且可以工作在气液两相区内。所以等温节流制冷及膨胀机等嫡膨胀制冷都是重要 的制冷方法，都有互不可取代的应用价值。尤其是在初温较低时， 等温节流的制冷能力增强，等嫡膨胀的制冷能力减弱，两者差别缩小时，应用节流阀较为有利。怎样应用这两种制冷方式，在制氧机中，依视具体情况而

10、定。正向循环的热效率用表布:w qi q2 d q2 Iqiqiqi热效率可以衡量正向循环的经济性。 越多。二、逆向循环、制冷系数逆向循环包括：越大，说明吸收相同热量时,(2-5)所转化成的机械能第二节气体液化循环的性能指标在制冷机中，气体工质连续不断地工作，需要经历一系列的状态变化，重新回复到原始状态，也就是要经历一个循环。功变热，还是热变功，按照循环的效果不同，可分为正向循环和逆向循环。把热能转化为机械能的循环叫正向循环；把机械能转化为热能的循环叫逆向循环。一、正、逆向循环正向循环包括下面两个过程：1）工质从温度较高的外界热源吸收热量q1；2）工质向温度较低的外界热源放出热量q2。AW q

11、i q2 ，吸收的热量q大于放出的热量两者之差为对外所作的机械功，即 TOC o 1-5 h z i）工质从温度较低的外界热源吸入热量qi ；2）工质向温度较高的外界热源放出热量q2。这种转化要消耗机械功，W q q2, q q2,即机械功转变为热量与 q2 一起排给温度较高的外界热源。一切制冷机都按逆向循环工作，其经济性可用制冷系数表示。(2-6)q2 （也即制冷量），因而经q2q2wqiq2越大，表明消耗相同的机械功，能从低温热源排走较多的济性高。三、气体液化的最小功低温液化循环由等温压缩，绝热膨胀降温，等压换热等一系列过程组成。其目的是获得低温使空气液化。低温液化循环获得冷量必须消耗功，

12、耗功的大小代表了循环的经济性。假若在整个液化循环中的各过程均为可逆过程，无任何损失，则该液化循环为理想液化循环，通过这种循环使气体液化所消耗的功为最小，称之为气体液化的理论最小功。对于理想过程可依下列情况进行，先将气体等温压缩至嫡值等于液化气体之嫡值，在图24中用1 2线表示，然后进行等嫡膨胀至气体液化，由图中2 0线表示。再沿等压线031换热，气体回复到原始状态，形成一个可逆循环。液化循环的最小功Wmin为：(2-7)T 2等赤膝E2-5气体施&老榭蕾讶汴意国WminTl(SSo)(hlho)最小功由图25中的阴影面积来表示。显然，气体液化的最小功只与被液化气体的种类及初、终状态有关，而与过

13、程无关。对于不同气体，液化的最小功也不相同。表22给出了几种气体产生 1kg液体或1L液所需的理论 最小功。实际上各种过程总存在着不可逆性， 如节流及膨胀机 都存在着摩擦及冷损失，换热器存在着传热温差，所以理 想的循环是不能实现的。实际液化循环的耗功总是大于表 中液化耗功的数值，功耗小于 Wmin的循环不可能存在。因此，理论循环可以作为实际液化循环的不可逆程度的比较标准，理论最小功是气体液化功耗的极限值。由热力学第二定律可知，不可逆循环的嫡总是增加的。嫡增S,可作为不可逆性的度(2-8)量。由不可逆性所增加的功为 T- AS, T为周围介质的温度。在实际循环中，液化气体所需 要的功为WWWmi

14、nT S表2 2几种气体液化理论最小功气体名称kJ/kgkW- h/kgkW- h/L空气氧氮僦注：空气、氧、氮、僦的初态p1 105 Pa, T； 303K四、实际液化循环的性能指标实际液化循环的经济性除用所消耗的功W表示外，通常还采用?化系数 Z、单位功耗W、制冷系数、循环效率Y液来表示。液化系数Z是每千克气体经过液化循环后所获得的液体量。单位功耗W0为获得1kg液化气体所消耗的功。即： WWQ 2 2-9)式中W-一加工1kg气体循环所消耗的功；Z液化系数。每千克气体经过循环所得的冷量为单位制冷量qo。单位制冷量与耗功之比称为制冷系数 ,其表达式为：q0(2-10)W单位功耗越小，制冷系

15、数越大，说明液化循环越有效，经济性越好。循环效率刀液表明实际循环的制冷系数与理论循环制冷系数之比。由下式表示：液qo/WWmin1、液 2-1- )理论 qo/WminW可见，循环效率又可以被表述为理论循环最小功与实际循环所消耗的功之比。应用循环效率能够度量实际循环的不可逆性以及作为评价循环损失大小。显然，循环效率永远小于1,其值越接近1,实际循环的不可逆性就越小，循环的损失也越小，经济性越好。第三节以节流为基础的循环目前空气液化循环主要有三种类型：1)以节流为基础的液化循环；2)以等嫡膨胀与节流相结合的液化循环；3)以等嫡膨胀为主的液化循环。本节着重讨论以节节流为基础的液化循环。一次节流膨胀

16、循环，由德国的林德首先研究成功，故亦称简单林德循环。如第一节所述，节流的温降很小，等温节流的制冷量也很少，所以在室温下通过节流膨胀不可能使空气液化， 必须在接近液化温度的低温下节流才有可能液化。因此，以节流为基础的液化循环，必须使空气预冷，常常采用逆流换热器，回收冷量预冷空气。AM简仲兽料SI-7循环流程的示意图由图 2-6表示。这种循环也称作为简单林德循环。系统由压缩机、逆流换热器、节流阀及气液分离器组成。图 2-7是简单林德循环在 T S图上的示意图。应用 简单林德循环液化空气需要有一个启动过程，首先要经过多次节流，回收等温节流制冷量预冷加工空气，使节流前的温度逐步降低，其制冷量也逐渐增加

17、，直至逼近液化温度，产生液空。这一连串多次节流循环如图2-8所示。为讨论简单林德循环的性能指标方便起见，首 先将其分为理论简单林德循环及实际简单林德循 环。理论简单林德循环有两个假设：1）在逆流换热器中冷量被完全回收，即热端温差为零；2）无冷损失。理论循环的制冷量q0为：qo hrhi h2(2-12)液化系数Z应为：Z h1 h2(2-13)hi ho这里还需要指出，冷量 q0并不是节流过程产生的。它是压缩机等温压缩时，冷却水带走的热量比空压机输入的压缩功多分 ,而具有产生冷量的内因。该冷量借助于逆流换热器和节流阀表现出来。液化循环总是谋求通过一个循环获得比较多的冷量及比较大的液化系数。分析

18、式2 12与式213,当初始状态 科、P2给定时，几及儿均为定值，显然，降低 h2才能得到较多的制冷量及较大的液化系数。h2是由P2及会所决定，由于是等温压缩，所以 h2只取决于p2即节流前的压力。对于空气在T1=303K, Pi=0.98MPa时，p2=42MPa时，液化系数Z最大，但是压缩机耗功也增加。对于理论简单林德循环，当p2 27MPa时，空气循环制冷系数q0 /W呈最大值。这对我们选择循环参数很有参考价值。液化系数的最大值所对应的节流前的最高压力，可由气体的T-S图求得。当T2 T1 一定时，通过等温线与转化曲线交点的压力即为Z最大值所对应的最高压力。实际林德循环存在着许多不可逆损

19、失，主要有：1）压缩机组（包括压缩和水冷却过程）中的不可逆性，引起的能量损失；2）逆流换热器中存在温差即换热不完善损失；3）周围介质传入的热量即跑冷损失。第一项损失包含在压缩机的等温效率之中。令换热不完全损失为q2,令跑冷损失为q3 ,按图3-7点划线所包围的系统且加工空气为lkg 。列平衡式整理得出:Z实际几 h2 (q2 q3)hi ho q2%(q2 q3)hi ho q2(2-14 )相对于始差（hi ho）, q2的值较小，所以工程计算中可用下式:Z实际hrGq3)hihohrqNho(2-15)忽略了 q2,实际计算误差不超过1%实际-7*/UU U HYPERLINK l boo

20、kmark36 o Current Document qoZ实际 *(，ho)hrq(2-16 )实际实际qoq。W示Wt/ t(2-17)式中WT 等温压缩功;T 空压机的等温效率。在理论循环中已讨论了节流前压力 p2 对制冷量 q0 及液化系数Z 的影响。 对于节流后的压力Pl而言，当P2、Ti 一定时，随Pl的提高，hr减小即制冷量减少，液化系数Z也必然减少。 但对制冷系数的影响， 并不这样单纯。 由于制冷系数q0 / W ， 当 p1 升高时，q0减小。同时压缩机耗功也减小，且下降得更快，因此，制冷系数反而增大，其趋势Pl 是越接近P2。制冷系数e越大，这时的产冷量更少，已没有实际意义

21、。但它给出了适当地提高R,缩小节流压比能改善制冷系数的启示。再讨论一下逆流换热器热端温度 Tl 对循环性能指标的影响。当节流前后的压力一定时，随Ti温度的降低制冷量q0增大，同时液化系数Z也增大。综上所述：1）当Pi、工一定时，提高P2到一定程度，可以显著提高简单林德循环的经济性，因此通常节流前的压力选择在20MPa；为了降低换热器前的热端温度， 可以采用预冷的方法， 因而出现具有氨预冷的一次节 流循环；适当缩小压力比， 能够提高经济性。 为了节省能量， 尽量保持大的压力差及小的压力比。压力差较大所获得的等温节流制冷量就多，压力比小，消耗的压缩功就少。因而，可以得到较大的制冷系数， 在这样的前

22、提下， 在简单林德循环的基础上又出现了具有二次节流的 循环。第四节 以等熵膨胀与节流为基础的循环林德循环是以节流膨胀为基础的液化循环， 其温降小， 制冷量少， 液化系数及制冷系数都很低，而且节流过程的不可逆损失很大并无法回收。采用等熵膨胀，气体工质对外作功，能够有效地提高循环的经济性。i902 年，克劳特提出了膨胀机膨胀与节流相结合的液化循环称之为克劳特循环。空气由1点（Ti、Pi）被压缩机I等温压缩至2点（P2、Ti）经换热器n冷却至点3后分为两部分，其中Mkg进入换热器n、出继续被冷却至点 5,再由节流阀节流至大气压（点6）,这时 zkg 气体变为液体。 （M-Z）kg 的气体成为饱和蒸气

23、返回。当加工空气为 ikg 时，另一部 分（i 一 M）kg气体，进入膨胀机膨胀至点4,膨胀后的气体在换热器出热端与节流后返回的饱和空气相汇合，返回换热器n预冷却Mkg压力为P2的高压空气，再逆向流过换热器n,冷却等温压缩后的正流高压空气。与分析简单林德循环相同，克劳特循环的性能指标可根据系统热平衡式计算。取ABCD为系统。在稳定工况下：hb (1 M)h4 q3 Z实 ph (1 M)h3 (1 Z 实际)h若：h h1 q2整理得出：(hi h2) (1 M )(h3 h4) q2 q3Z实际；几 ho q2工程上近似为：(%h2)(1M)(h3h4)qhT(1M)(h3h)qZ 实际(2-18)几hoA ho制冷量 q/示Z实p(%ho)hT (1 M)(h3 hu)q(2-19)式中h3 h4是单位气体工质在膨胀时的实际始降，它与等嫡始降hr的比值为膨胀机的绝热效率绝热，表达式为：绝热(2-20)hs式中 h 实际始降。绝热效率是衡量膨胀机的实际膨胀偏离理论等嫡膨胀程度的度量，将在后面膨胀机的章节详细讨论。与简单林德循环相比较，克劳特循环的制冷量和液化系数都大，这是由于 (1 一 M