化工热力学6.4~6.5制冷1

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,,,,6,蒸汽动力循环与制冷循环,普冷与深冷,,1,6,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,,2,,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,,,3,,<,T,low,,保 持,,－,100,℃,,普通制冷,,深冷,,制 冷,,4,,气 体 液 化,制 冷,低 温 反 应,食 品 储 存,结 晶 分 离,润滑油净

2、化,气 温 调节,,5,,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,,6,,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,,7,,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,T,L,>173K,称为普通冷冻简称,普冷，,把,T,L,<173K,称为深度冷冻简称,深冷。,,8,,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

3、器,压缩机,膨胀机,1,2,1,2,3,4,T,H,T,L,0,S,4,S,1,Q,H,3,Q,0,4,,9,,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，,P,1,-P,2,，,T,L,-T,H,，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，,P,2,-P,1,，,T,H,-T,L,，对外作功，等熵过程；,,,4-6,：等温可逆吸热过程。,,10,,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,,11,,6.4,制冷循环,,6.4.1,蒸汽压缩制冷循环,1,2,3,4,T,H

4、,T,L,0,S,4,S,1,,12,,6.4,制冷循环,,6.4.1,蒸汽压缩制冷循环,讨论：,,13,,冷凝、冷却器,蒸发器,压缩机,节流阀,1,2,5,4,3,T,S,5,4,1,2,3,(,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,,14,,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,1,2,Q,0,Q,H,3,4,T,0,S,1,2,3,4,P,1,P,2,,15,,6.4,制冷循环,,6.4.1,蒸汽压

5、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：,,16,,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。,,17,,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

6、品名称符号书写：,,18,,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,,19,,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,1,2,2’,3,4,5,7,8,T,0,S,1,2,2,’,3,4,5,6,7,8,P,1,P,2’,P,2,6,,20,,6.4,制冷循环,,6.4.1,蒸汽压缩制冷循环,4.,复迭式压缩制

7、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,-100,0,C,的低温。,,21,,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,,,22,,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

8、收剂。,,,工质：,二元溶液，如,氨,-,水,(,-66,0,C- -46,0,C,),、水,-,溴化锂,(0-6,0,C),溶液等。,,23,,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,1,2,Q,0,Q,H,3,4,吸收器,换热器,解吸器,泵,冷 凝 器,节流阀,蒸 发 器,1,冷却水,Q,0,Q,冷却水,2,3,4,Q,H,,24,,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

9、：,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。,,25,,吸收器,换热器,解吸器,泵,冷 凝 器,节流阀,蒸 发 器,1,冷却水,Q,0,Q,冷却水,2,3,4,Q,H,6.4,制冷循环,,6.4.2,吸收制冷循环,,26,,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,

10、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,,27,,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,,,28,,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,ε,HP,,29,,6,蒸汽动力循环与制冷循环,,,,,6.1,蒸汽动力循环,,,6.2

11、,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,,,30,,,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,,,31,,6.5,深度冷冻循环,,流体,P,熔化曲线,固相,汽,,化,,曲,,线,

12、三相点,升华曲线,液相,A,B,C,T,0,,图,2-2,纯流体的,P-T,图,T,C,1,2,3,P,C,气相,V<,V,c,V>,V,c,汽相,,32,,6.5,深度冷冻循环,,林德循环（,Linde,Cycle,）,,,,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,,33,,林德循环（,LindeCycle,）,,,1-2,,常温,T,1,、常压,P,1,的气体经过,压缩,至高压,P,2,（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,T,1,（,2,）。,,2-3,,经,换

13、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,P,1,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,,,34,,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,,,35,,林德循环（,LindeCycle,）,,,

14、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,,,36,,,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,,,37,,,由热力学第一定律,,林德循环（,LindeCycle,）,,6.5,深度冷冻循环,,,38,,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,Q,2,；以及系统保温不良造成的,冷量损失,Q,3,，所以

15、较理论量少。,实际液化量,为,,林德循环（,LindeCycle,）,,6.5,深度冷冻循环,,,39,,,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,,40,,,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,,,,,,η,T,—,压缩机的,等温压缩效率,，一般按经验可取,,0.59.,林德循环（,Linde,Cycle,）,,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,),,41

16、,,,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,,,42,,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（,Claude Cycle,）,,43,,1,）工作原理和,T-S,图,6.5,深度冷冻循环,,克劳德循环（,Claude Cycle,）,1,2,3 1-M,4,5,6,7,8,9,x,换热器,Ⅰ,。,Ⅱ,。,Ⅲ,节流阀

17、,汽液分离器,膨胀机,压缩机,1,,2,6,7,9,8,4,3,T,0,S,,44,,6.5,深度冷冻循环,克劳德循环（,Claude Cycle,）,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

18、不产生液体,，以防引起破坏性震动。,,45,,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（,Claude Cycle,）,,46,,,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（,Claude Cycle,）,T,0,S,1,,2,6,7,9,8,4,3,4,’,1,2,3 1-M,4,5,6,7,8,9,x,换热器,Ⅰ,。,Ⅱ,。,Ⅲ,节流阀,汽液分离器,膨胀机,压缩机,,47,

19、,6.5,深度冷冻循环,,克劳德循环（,Claude Cycle,）,若考虑不完全热交换损失,Q,2,和系统的冷损失,Q,3,，,实际的液化量,为,1,2,3 1-M,4,5,6,7,8,9,x,换热器,Ⅰ,。,Ⅱ,。,Ⅲ,节流阀,汽液分离器,膨胀机,压缩机,,48,,6.5,深度冷冻循环,,克劳德循环（,Claude Cycle,）,,49,,6.5,深度冷冻循环,,克劳德循环（,Claude Cycle,）,,⑵,制冷量,Q,0,,,,理论制冷量：,实际制冷量：,与林德循环相比较，制冷量多出,,50,,6.5,深度冷冻循环,,克劳德循环（,Claude Cycle,）,⑶,功耗,WS,,

20、,,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,T,0,S,1,,2,6,7,9,8,4,3,4,’,,51,,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,6.5,深度冷冻循环,,克劳德循环（,Claude Cycle,）,实际功耗：,,52,,6,蒸汽动力循环与制冷循环,,,,,6.1,蒸汽动力循环,,,6.2

21、,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,,,53,,思考题：,蒸汽压缩制冷循环与热泵有何区别？,,吸收制冷循环有什麽优缺点？其基本原理是什麽？,,,Claude,循环与,Linde,循环有何不同？其主要优点是什麽？,,试在,T-S,图上表示出,Linde,循环、,Claude,循环过程。,,54,,作业：,6-3,,某空气调节装置的制冷能力为,4.18,×10,4,kJ·h,-1,，采用氨蒸汽压缩制冷循环，氨蒸发温度为,283K,，冷凝温度为,313K,，假如氨进入压缩机时为饱和蒸汽离开冷凝器时为饱和液体，且压缩过程为可逆过程。,试求,：制冷剂氨的循环量；冷凝器中制冷剂放出的热量；压缩机的理论功率；装置的制冷系数。,,55,,作业题：,6-4,,有一,Linde,循环，液化空气，空气初温为,300K,，膨胀前的初压为,10MPa,，节流前温度为,140K,，节流后压力为,0.1MPa,，空气流量为（标准状态）,0.015m,3,·min,-1,。,试求：,,（,1,）理想操作情况下，空气液化的百分率和每小时的液化量；,,（,2,）若换热器的热端温差为,5,0,C,，由外界传入热量为,3.34KJ·Kg,-1,，温度对液化量的影响如何？,,56,,