化工热力学制冷

化工热力学制冷1第1页，课件共56页，创作于2023年2月6蒸汽动力循环与制冷循环

6.1蒸汽动力循环

6.2气体的压缩

6.3膨胀过程

6.4制冷循环

6.5深度冷冻循环第2页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环6.4.2吸收制冷循环6.4.3热泵及其应用

第3页，课件共56页，创作于2023年2月<Tlow

保持

－100℃

普通制冷

深冷

制冷第4页，课件共56页，创作于2023年2月气体液化制冷低温反应食品储存结晶分离润滑油净化气温调节第5页，课件共56页，创作于2023年2月Q代价

(W)自发OK!!制冷的实质：利用外功将热持续的从低温物体传给高温环境介质第6页，课件共56页，创作于2023年2月消耗外功型消耗内能型制冷蒸气压缩制冷空气压缩制冷蒸汽喷射制冷吸收制冷第7页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环

制冷，即根据热力学第二定律的原理，消耗功把热量自低温物体移向高温物体并保持低温的过程。工程上习惯把TL>173K称为普通冷冻简称普冷，把TL<173K称为深度冷冻简称深冷。第8页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环1.逆卡诺循环-理想的可逆制冷循环冷凝器蒸发器压缩机膨胀机121234THTL0S4S1QH3Q04第9页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环

循环过程：

1-2：绝热可逆压缩，P1-P2，TL-TH，消耗外功，等熵过程；

2-3：等温可逆放热过程；

3-4：绝热可逆膨胀，P2-P1，TH-TL，对外作功，等熵过程；

4-6：等温可逆吸热过程。第10页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环

循环过程的制冷系数ε第11页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环1234THTL0S4S1第12页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环讨论：第13页，课件共56页，创作于2023年2月冷凝、冷却器蒸发器压缩机节流阀12543TS54123(饱和l)(湿蒸汽)(饱和g)(饱和g)等焓线等压线过热蒸气6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环第14页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环2.单级蒸汽压缩制冷循环循环的构成冷凝器蒸发器压缩机节流阀12Q0QH34T0S1234P1P2第15页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环3-4：饱和液体的节流膨胀过程，为等焓过程。其余同逆卡诺循环。制冷系数ε

装置的制冷能力：功耗：第16页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环制冷机所消耗的理论功率制冷系数制冷剂的选择：蒸发潜热要大；蒸发压力要低且相应的饱和蒸汽压大于大气压力，常温下冷凝压力要低；较高的临界温度和较低的凝固温度；较强的化学稳定性。第17页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环常用的制冷剂有：氨、氟氯烃、二氧化碳、乙烷、乙烯等。注意：1987年蒙特利尔会议上，起草制订保护臭氧层的协议，提出限定五种氟氯烃的生产。即氟氯烃的书写：氟氯烃的商品名称符号书写：第18页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环多级蒸汽压缩制冷循环为了获得较低的低温，压缩比较大时。如氨蒸发温度248-208K时，采用两级压缩制冷循环，低于208K时采用三级。以两级蒸汽压缩制冷循环为例第19页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环低压蒸发器水冷器中间冷却器中压蒸发器低压气缸高压气缸高压冷却器节流阀节流阀122’34578T0S122’345678P1P2’P26第20页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环4.复迭式压缩制冷循环

若蒸发压力过低或制冷剂凝固温度的限制，不可能获得更低的低温，可采用复迭时制冷循环。为多个单级压缩制冷循环的串联操作。如石油裂解分离中广泛采用的氨-乙烯复迭式制冷，乙烯在蒸发器中可提供-1000C的低温。第21页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环6.4.2吸收制冷循环6.4.3热泵及其应用

第22页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.2吸收制冷循环

消耗热能，利用二元溶液中各组分蒸汽压不同来实现制冷的。即使用在一定压力下各组分的挥发性（或蒸汽压）不同的溶液为工质，以挥发性大（蒸汽压大）的组分为制冷剂，而挥发性小的组分为吸收剂。

工质：二元溶液，如氨-水(-660C--460C)、水-溴化锂(0-60C)溶液等。第23页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.2吸收制冷循环冷凝器蒸发器压缩机节流阀12Q0QH34吸收器换热器解吸器泵冷凝器节流阀蒸发器1冷却水Q0Q冷却水234QH第24页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.2吸收制冷循环吸收制冷装置的经济技术指标用热能利用系数ξ表示氨-水吸收制冷循环压力：再生器压力由冷凝器中氨冷凝温度决定，吸收器压力由蒸发器液氨蒸发压力决定；温度：再生和吸收温度分别由热源和冷却水温度决定。即分别由其他给定条件决定，因此浓、稀氨水的浓度不能随意变动。

优点：直接利用热能，且品位较低。第25页，课件共56页，创作于2023年2月吸收器换热器解吸器泵冷凝器节流阀蒸发器1冷却水Q0Q冷却水234QH6.4制冷循环6.4.2吸收制冷循环第26页，课件共56页，创作于2023年2月吸收制冷装置的经济技术指标用热能利用系数ξ表示如：氨-水吸收制冷循环中压力：再生器压力由冷凝器中氨冷凝温度决定，吸收器压力由蒸发器液氨蒸发压力决定；温度：再生和吸收温度分别由热源和冷却水温度决定。即分别由其他给定条件决定，因此浓、稀氨水的浓度不能随意变动。

优点：直接利用热能，且品位较低。6.4制冷循环6.4.2吸收制冷循环第27页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.1蒸汽压缩制冷循环6.4.2吸收制冷循环6.4.3热泵及其应用

第28页，课件共56页，创作于2023年2月6.4制冷循环6.4.3热泵及其应用热泵：消耗机械功，完成热能从低温区传向高温区并维持高于环境温度的装置。

工作原理：同蒸汽压缩制冷循环过程。

不同点：工作目的与操作的温度范围。

应用：工业上用于废热回收，家用空调等。

性能指标：供热系数εHP第29页，课件共56页，创作于2023年2月6蒸汽动力循环与制冷循环

6.1蒸汽动力循环

6.2气体的压缩

6.3膨胀过程

6.4制冷循环

6.5深度冷冻循环

第30页，课件共56页，创作于2023年2月

深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体，由纯物质的P-T相图知：当气体温度高于其临界温度时，无论加多大的压力都不能使其液化，因此，气体的临界温度越低，所需的液化温度也越低。为了使这些难液化的气体液化，必须设法将其温度降低到临界温度以下，这就需要深度冷冻。利用一次节流膨胀液化气体是最简单的气体液化循环。1896年德国工程师Linde首先应用此法液化空气，故称为简单的林德循环

6.5深度冷冻循环

第31页，课件共56页，创作于2023年2月6.5深度冷冻循环

流体P熔化曲线固相汽化曲线三相点升华曲线液相ABCT0

图2-2纯流体的P-T图TC123PC气相V<VcV>Vc汽相第32页，课件共56页，创作于2023年2月6.5深度冷冻循环

林德循环（LindeCycle）

⑴工作原理和T-S图此系统由压缩机Ⅰ、冷却器Ⅱ、换热器Ⅲ、节流阀Ⅳ与气液分离器Ⅴ组成第33页，课件共56页，创作于2023年2月林德循环（LindeCycle）

1-2

常温T1、常压P1的气体经过压缩至高压P2（由于压缩比很大，实际上是多级压缩组成的，可视为等温压缩），高压气体经冷却器冷至常温T1（2）。2-3

经换热器冷却到适当的温度（点3）。3-4

经节流阀膨胀变为压力为P1的气液混合物(4)4-5

送入气液分离器，饱和液体(0)沉降于分离器底部，未液化的气体（点5）送入热交换器与点2的高压气体换热，自身温度回升返回到压缩机。6.5深度冷冻循环

第34页，课件共56页，创作于2023年2月林德循环（LindeCycle）深冷与普冷是有区别的。主要表现在：

普冷：两个封闭式循环，制冷循环与被冷物系是两种物质，是封闭循环。

深冷：制冷循环与分离、液化物质是同一种物质，且是不封闭循环6.5深度冷冻循环

第35页，课件共56页，创作于2023年2月林德循环（LindeCycle）

⑵热力学计算（以处理1Kg气体为基准）林德循环的基本计算主要是液化量、耗功量和制冷量。

①气体液化量（液化率）x

定义：液化率就是1Kg被处理的气体所能产生的液体Kg数6.5深度冷冻循环

第36页，课件共56页，创作于2023年2月

林德循环（LindeCycle）

6.5深度冷冻循环

取换热器、节流阀、气液分离器为研究体系

第37页，课件共56页，创作于2023年2月

由热力学第一定律

林德循环（LindeCycle）

6.5深度冷冻循环

第38页，课件共56页，创作于2023年2月这是理论液化量，实际中由于考虑到换热器的不完全换热，造成的损失称为温度损失Q2；以及系统保温不良造成的冷量损失Q3，所以较理论量少。实际液化量为

林德循环（LindeCycle）

6.5深度冷冻循环

第39页，课件共56页，创作于2023年2月

林德循环（LindeCycle）

6.5深度冷冻循环

②制冷量在稳定操作下，液化xKg气体所取走的热量

理论制冷量实际制冷量第40页，课件共56页，创作于2023年2月

③功耗液化循环装置的功量消耗是用于对气体的压缩。如果按理想气体的可逆等温压缩考虑，对体系所作轴功为

ηT—压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取0.59.林德循环（LindeCycle）

6.5深度冷冻循环

比功:

每液化1Kg的气体所消耗的功称为比功(耗)第41页，课件共56页，创作于2023年2月

④制冷系数一次节流液化循环比较简单，但效率很低。目前只有小型气体分离，液化装置如小型空分装置还有使用.

林德循环（LindeCycle）

6.5深度冷冻循环

第42页，课件共56页，创作于2023年2月在简单的林德循环中，由于高压气体的相对量大和热容大，用未冷凝的低压气体无法将其冷却到足够的低温，克劳德循环通过增设一台膨胀机来解决这一矛盾6.5深度冷冻循环克劳德循环（ClaudeCycle）第43页，课件共56页，创作于2023年2月1）工作原理和T-S图6.5深度冷冻循环克劳德循环（ClaudeCycle）1231-M456789x换热器Ⅰ。Ⅱ。Ⅲ节流阀汽液分离器膨胀机压缩机12679843T0S第44页，课件共56页，创作于2023年2月6.5深度冷冻循环克劳德循环（ClaudeCycle）高压气体经冷却器和第一换热器冷却后（3点），一部分经第二、第三换热器冷却到节流膨胀所需的低温（6点），另一部分送进膨胀机作功，膨胀后的低温气体（4点）与第三换热器来的低压气体合并，送入第二换热器作冷却介质用。采用这一措施，减少了高压气体的量，增加了作为冷却介质的低压气体的量，因而可将高压气体冷却到更低的温度，从而提高了液化率，同时还可以回收一部分有用功。但要注意，高压气体进膨胀机的状态要慎重选定，保证膨胀后不产生液体，以防引起破坏性震动。第45页，课件共56页，创作于2023年2月克劳德循环的优点主要表现在：

⑴减少了高压气体量，增加了作为冷却介质的低压气体量，增加了冷冻量；⑵提高了液化率；⑶回收了部分功。6.5深度冷冻循环克劳德循环（ClaudeCycle）第46页，课件共56页，创作于2023年2月

2）热力学计算⑴液化量x：

以图中虚线作为研究体系6.5深度冷冻循环克劳德循环（ClaudeCycle）T0S126798434’1231-M456789x换热器Ⅰ。Ⅱ。Ⅲ节流阀汽液分离器膨胀机压缩机第47页，课件共56页，创作于2023年2月6.5深度冷冻循环克劳德循环（ClaudeCycle）若考虑不完全热交换损失Q2和系统的冷损失Q3，实际的液化量为1231-M456789x换热器Ⅰ。Ⅱ。Ⅲ节流阀汽液分离器膨胀机压缩机第48页，课件共56页，创作于2023年2月6.5深度冷冻循环克劳德循环（ClaudeCycle）第49页，课件共56页，创作于2023年2月6.5深度冷冻循环克劳德循环（ClaudeCycle）

⑵制冷量Q0

理论制冷量：实际制冷量：与林德循环相比较，制冷量多出第50页，课件共56页，创作于2023年2月6.5深度冷冻循环克劳德循环（ClaudeCycle）⑶功耗WS

在理想情况下：压缩为等温过程，气体在膨胀机中的膨胀过程是等熵过程，在图中用3-4`线表示。实际上由于各种损失使它偏离等熵过程，而是有熵增的过程，在图中用线3-4表示T0S126798434’第51页，课件共56页，创作于2023年2月⑶功耗WS

在理想情况下：压缩为等温过程，气体在膨胀机中的膨胀过程是等熵过程，在图中用3-4`线