气体制冷与液化循环
气体制冷循环
热力学 效率
i
Qc Q0 Qc
Tc Ta Tc
p2 p1
1
1
1
气体制冷循环
逆卡诺循环 卡诺循环典型的热力学效率所需的压比（Ta=300K）
TC εi p2/p1
100K 0.50 15.59
pV n const
n=k, Carnot循环（等熵） n=±∞, Stirling循环（等容） n=0，Ericsson循环（等压）
多变过程通过 回热器实现
气体制冷循环
Reitlinger循环 Stirling制冷机：气体等温膨胀制冷 1－2：等温压缩
2－3：等容放热
3－4：等温膨胀
4－1：等容吸热
定压回热气体制冷机系统
优点
T
pc 7
Tc
8
2 ph 3
1
T0
4
p0 6
定压回热 理论循环T-s图
5
s
① 回热式空气制冷循环使压比↓； ② 可用叶轮式压缩机使生产量↑； ③ 可使压缩和膨胀过程的不可
逆损失↓
气体制冷循环
思考题
气体制冷循环有哪些基本形式？
气体制冷机 循环
布雷顿循环中的气体工质不发生集聚态改变
膨胀机 4
放热 3
冷却器
冷箱
2 压缩机 1
T
pc
2
Tc
3
T0
1
p0 4
吸热
无回热气体制冷机系统
s
无回热气体制冷机理论循环T-s图
气体制冷循环
定压回热布雷顿气体制冷循环
冷却器 放热 3
第二章 气体液化循环
h1 h3 h1 h2 Z i h1 h f h1 h f
林德双压系统的单位压缩功：
w [T1 ( s1 s3 ) (h1 h3 )] i[T1 ( s1 s2 ) (h1 h2 )]
2.2.3 林德双压系统
2.2.3 三个系统的效率比较
2.2.3 克劳特系统
2.2.3 克劳特系统
2.2.3 克劳特系统
液化率:
h1 h2 h3 he Z x h1 hf h1 hf
净耗功
w [T1 ( s1 s2 ) (h1 h2 )] x(h3 he )
克劳特循环单位质量液化功
2.2.4 卡皮查系统
2.1 理论循环及最小功
2.2 以节流为基础的气体液化循环
2.2 以节流为基础的气体液化循环
2.2.1 简单林德系统
林德循环液化率：
h1 h2 Z h1 h f
压缩机比功：
w RT1 ln( P2 / P ) 1
2.2.2 带预冷的林德系统
2.2.2 带预冷的林德系统
能量方程：
dU hdm
对于理想气体：
dm 1 dT m 1 T
绝热放气过程
带入状态方程，注意有dV=0，可得：
dT 1 dP T k P
积分后得：
1
T2 P2 T1 P1
绝热放气过程
质量变化规律：
dm V dP dt RT dt
2.2.2 带预冷的林德系统
2.2.1 带预冷的林德系统
带预冷林德—汉普逊系统所需总耗功大于 简单林德汉普逊系统．通常后一项占10％， 然而液化率的增加大于耗功的增加，所以， 带预冷系统的单位质量的液化功低于简单 林德汉晋逊系统．
工程热力学第11讲-第6章热力循环
2
2'
s
乏汽压力对朗肯循环热效率的影响
t1 , p1不变，p2 ↓
T
1
优点： •T2 ↓ ηt ↑ 4
5
6
缺点： 3 •p2↓ 受环境限制 •现在大型机组p2为3.5~5kPa， 相应的饱和 温度约为27~ 33℃ ，已接近可能达到的最低 限度。 •冬天热效率高
4'
2
3'
2'
s
提高循环热效率的途径
' 2
' h2 h2
t,RG t
物理意义： kg工质100%利用,1- kg工质效率未变。
蒸汽抽汽回热循环的特点
优点： 提高热效率 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面 可兼作除氧器 缺点： 循环比功减小，汽耗率增加 增加设备复杂性 回热器投资 小型火力发电厂回热级数一般为1～3级，中大型火力发电厂 一般为 4～8级。
蒸汽回热循环热效率计算
T 吸热量： 1
1kg
6 kg a
q1,RG h1 h5 h1 ha'
放热量：
4
3
5
(1- )kg 2
q2,RG 1 h2 h2'
净功： s
wRG h1 ha 1 ha h2
热效率：
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
IGCC技术把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤 气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好环保性能， 是一种有发展前景的洁净煤发电技术。
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
气体液化三大基本循环比较
气体液化基本循环我们知道，只有当气态物质温度降低到其临界温度以下才能液化。
所有低温工质的临界温度远比环境低，要使这些气体液化，必须应用人工制冷的方法制造低温。
气体液化循环由一系列的热力过程组成，起作用就在于使气态工质冷却到液化所需的低温，并补偿系统的冷量损失，从而获得液化气体。
气体液化循环是开式循环，气态低温工质（如空分行业中的空气）在循环过程中既起制冷剂的作用，本身又被液化，部分或全部作为液态产品从低温装置中输出。
任何气体液化循环都是利用低温工质进行状态循环变化过程，通过它的作用使气体在低温时放出的热量转移到环境介质中去。
这一过程是非自发的，必须消耗一定的能量。
空气液化循环有四种基本类型：节流液化循环、带膨胀机的液化循环、利用气体制冷剂的液化循环及复叠式液化循环。
前两种液化循环目前应用最为广泛，这里也主要介绍这两种循环。
一林德循环1 理论循环基本原理节流液化循环是低温技术中最常用的循环之一。
由于节流液化循环装置结构简单，且运转可靠，这就在一定程度上抵消了节流膨胀过程不可逆损失大带来的缺点。
1985年德国林德和英国汉普孙分别独立提出了一次节流液化循环，因此也常称之为简单林德（或汉普孙）循环。
林德循环系统由制冷压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四大部件构成。
四大件由联接管道串联成一个闭合循环系统，内注制冷工质。
图1 林德循环T-s图及循环流程图如图1所示，常温、常压（p1）下的空气（点1’），经压缩机A压缩至高压p2,温度升高，并经由冷却器B等压冷却至常温T（点2）。
上述过程可近似认为压缩与冷却两过程同时进行，是一个等温压缩压缩过程。
此后，高压空气在换热器C中被节流后的返流空气（5点）冷却至温度T3（3点），这是等压冷却过程。
然后高压空气（p2）经节流阀节流阀节流膨胀至常压p1，节流过程会使空气温度降低，降低到p1压力下的饱和温度，同时有部分空气液化。
节流后产生的液体空气从气液分离器D导出作为产品，而气体部分引出返流经换热器C，来冷却节流前的高压空气，在理想情况下自身被加热至常温T（点1）。
Chapter4：气体的制冷与液化循环
ha h1
− −
hd hf
⎟⎟⎠⎞
单位质量主气流需用压缩功
−W qm
= [T1 (s1
− s2 )− (h1 − h2 )]+
qmr qm
[Ta (sa
− sb ) − (ha
− hb )]
11
Chapter 4.1节流循环
二次节流循环（林德双压循环）
液化率比简单林德循环稍 小，但单位液体功耗低
这种低压循环所以能实 现，是因为采用了绝热效率 高的透平膨胀机，通常可达 0.8~0.82，以及采用了高效 的蓄冷器(或可逆式换热器) 进行换热，并同时清除空气 中的水分和二氧化碳。
18
Chapter 4.3 等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环
双压克劳特循环
通过节流阀的气流从低压压缩 到高压；进入膨胀机的气流压缩 至中压，减少了单位液化气体的 需用功。 对于氮液化系统，当进入膨胀 机的气体为总气量的75％时，氮 气 从 0.101MPa 压 缩 到 3.5MPa 时 可获得最佳性能。 当采用克劳特循环时，其液化 率较之林德双压循环可成倍增 加，单位质量的功耗可减半。
23
课堂小测验（4）
• 有一台空-空热泵空调以热力膨胀阀作为节流元 件， 并一直在气温0℃下运行，试分析当气温从 0℃上升到5℃时，以下参数如何变化？（室温保 持20℃不变） 1）房间得热量； 2）冷凝温度； 3）通过膨胀阀的制冷剂流量； 4）压缩机电功率； 5）系统运行COP。
24
T-s图
一次节流循环(简单林德循环) 液化循环时，对换热器、节流阀和 贮液槽进行能量平衡
( ) qmh2 = qm − qmf h1 + qmf hf
液化率
y = qmf = h1 − h2 qm h1 − h f
46克劳特和克劳特液化循环 _制冷与低温技术原理
制冷与低温技术原理克劳特和克劳特液化循环节流液化循环利用节流装置获得制冷量，即等温节流效应（林德液化循环）；带膨胀机的液化循环利用膨胀机获取大的等熵膨胀制冷量（克劳特液化循环）；复叠式液化循环利用不同沸点工质逐级冷却最终液化所需工质（如天然气液化等）。
前两种属于压缩气体自身膨胀制冷，最常用。
温差大--回热器的利用带气体制冷机的液化循环利用低沸点气体工质的制冷效应，冷却液化所需的高沸点气体（H 2液化）；认识克劳特1902年，法国科学家克劳特发明了活塞式膨胀机，在此基础上，利用压缩气体等熵膨胀的原理建立了“克劳特液化循环”，这一年也称为“克劳特液化循环”之年。
随着技术的发展，随后成立了法国液化空气公司（法国液化空气公司，同样也是百年老店）带膨胀机的空气液化循环克劳特循环膨胀过程并非按照等熵绝热节流过程仍存在（液化）节流和膨胀过程均不可逆带膨胀机的空气液化循环克劳特循环流程组织膨胀机布置入口状态？膨胀气量？根据系统能量守恒的关系，并考虑跑冷损失，不完全热交换损失循环液化系数为克劳特循环0100143)(h h q h h q h h Ve h z pr T pr -=---+∆-=''∑带膨胀机的空气液化循环实际制冷量？P 2---增大对制冷效果有利V e ---增大对制冷效果有利克劳特循环T 3---增大对制冷效果有利（增？减？）影响因素分析冷量的产生与利用关系、冷量品质高低的问题膨胀机的制冷量只能被其以上温区所利用带膨胀机的空气液化循环高压气体比热变化大，低温气体比热基本不变正流气体与反流气体流量不同回热器的利用换热器温度曲线—零（负）温差现象带膨胀机的空气液化循环气体液化循环带膨胀机的空气液化循环克劳特循环知识小结1，了解了克劳特及其贡献；2，介绍了克劳特液化循环--一种基础的、经典的带膨胀机的液化循环。
制冷与低温技术原理(8.5.1)--氢液化循环
气体液化循环 --- 氢液化循环
二、带膨胀机的 氢液化循环
• 液氮预冷 • 膨胀气中压返回
气体液化循环 --- 氢液化循环
三、氦制冷氢液化循 环
氦气采用哪种循环？ 氢气循环图如何表示？
气体液化循环 --- 氢液化循环
氢液化循环
一、节流氢液化循环 二、带膨胀机的氢液化循环 三、氦制冷氢液化循环
气体液化循环 --- 氢液化循环
一、节流氢液化循 环
• 一次节流 • 二次节流 • 液氮预冷
预冷温度如何确定？
气体液化循环 பைடு நூலகம்-- 氢液化循环
二、带膨胀机的氢 液化循环
• 液氮预冷 • 中温膨胀
混合制冷剂制冷循环液化流程的工作过程
混合制冷剂制冷循环液化流程的工作过程下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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44认识林德及林德液化循环_制冷与低温技术原理
制冷与低温技术原理认识林德和林德液化循环OTp 1p 2T 1T 2Sh=定值12∆T hx=0x=1∆h T林德（1842-1934）德国制冷工程师，低温实验学家，制冷低温科学的奠基人之一。
•在1873～1877年，设计出第一台制冷机。
•1879年在创建了林德制冰机有限公司-林德液化气体公司（百年老店）。
•1895年利用焦耳-汤姆逊效应和逆流换热原理发明了空气液化装置•1902年创建了应用物理实验室。
•巴代利亚科学院和维也纳科学院院士。
一次节流液化循环（又称为林德循环）是最早的液化循环由林德提出并实施等温压缩--等压冷却---节流膨胀--等压复温--（液体产品）TO s453p2T=T2=T1’1’∆T=T1’-T11p1理论循环等温压缩等压冷却节流膨胀液化等压复热降温过程逐级形成理论循环TOs453p 2T=T 2=T 1’1’∆T=T 1’-T 11p 1OTT=T 2=T 1’∆t 1s21’14’4’’4’’’p 1∆t’1∆t’23’3’’p 2345h=定值一次节流液化循环逐渐冷却过程的T －s 图理论循环即为等温节流效应；液化量单位冷量1kg 空气，102)1(h z z h h -+=kgAirkg h h h h h h h z T 010121-∆-=--=T h q ∆-=0由于一定（状态参数）,01h h -Th z ∆-~液化量大，即等温节流效应大，T 一定时,是压力的函数T h ∆-T T(h )0p ⎡⎤∂∆=⎢⎥∂⎣⎦理论循环T 一定时,是压力的函数T h ∆-压力增加到多少最好？0)(=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∆∂TT p h 求解的结果是：等温压缩线与上转化温度曲线的交点实际循环压缩过程存在不可逆因素q 1、换热器有温差、不完全换热q 2以及跑冷q 3等因素。
实际液化量'1h h q h z T pr --∆-=∑单位制冷量为∑-∆-=qh q T 0参数p 2，参数p 1，参数T ，对性能的影响？实际循环适当升高p 2，升高p 1，高压气体T 下降对 的提高有利(加工空气)](加工空气)](液空)]实际循环适当升高p2，升高p1，高压气体T下降对ε的提高有利设p2、T1均为定值，p1值不同则q及ε也不同。
第四章 气体制冷与液化循环
在上述讨论中，都假定两个参数不变。但在实际过程中，三个参数之间是相
互制约的，因此在确定循环参数时要综合考虑，才能得到最佳值
循环、利用气体制冷机的循环、及采用逐级冷却的复叠循环
4.1 节流循环
节流循环是低温技术中最基本的循环之一 由于节流循环的装置结构简单、运行可靠，这就在一定程 度上抵消了节流膨胀过程不可逆损失较大的缺点 主要介绍
简单林德循环
有预冷的节流循环
林德双压循环
4.1.1 一次节流循环
（4-3）
对于制冷循环来说，假设除了节流阀外没有不可逆压力降，没有漏热， 换热器的效率为100%，可分别对贮液槽部分或对除压缩机之外的系 统部分进行热平衡。由此得出制冷系统的制冷量为
Qo qm h1 h2
于是，一次节流制冷循环在理想条件下的制冷系数为
（4-4）
Qo h1 h2 W T1 s1 s2 h1 h2
qmf ——从贮液槽中移出的液体流量
由此可知，在液化循环中，制冷量 Qo 被从贮液槽中移出的液体的
qmf h f 所取代，在这种情况下，只有在节流后未被液化的气体通过
换热器返回到压缩机
4.1.2 有预冷的一次节流循环
降低高压空气进换热器的温度对增加等温节流效应、提高液化率起到 一定的作用 若用一次节流循环液化转化温度低于环境温度的气体，就要求采用外
—次节流循环是最早在工业上采用的气体液化循环
1895年德国林德和英国汉普逊分别独立地提出了一次节流循环。因此 也常称之为简单林德循环或汉普逊循环，或林德-汉普逊循环。
林德循环是指以高压节流膨胀为基础的气体液化循环，其特点是循环
气体既能被液化又起冷冻剂作用
三、2.空气液化时的制冷原理(精)
三、空气的液化循环
目前空气液化循环主要有两种类型：以节流为基础 的液化循环；以等熵膨胀与节流相结合的液化循环。
1．以节流膨胀为基础的循环
亦称简单林德循环。节流的温降很小，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，常采用逆流换热 器，回收冷量预冷空气。节流循环流程的示意图及T-S图 由图表示。系统由压缩机、中间冷却器、逆流换热器、节 流阀及气液分离器组成。
(2)卡皮查循环
该循环是一种低压带膨胀机的液化循环，由于节流 前的压力低，节流效应很小，等焓节流制冷量也很小，所 以这种循环可认为是以等熵膨胀为主导的液化循环，此液 化循环是在高效离心透平式膨胀机问世后，1937年原苏 联院士卡皮查提出的，因此称为卡皮查循环。 从实质上来看，卡皮查循环是克劳特循环的特例。 在循环中采用了高效离心空压机及透平膨胀机，其制冷效 率等于0.8或更高，大大提高了液化循环的经济性。通常 卡皮查循环的高效透平膨胀机制冷量占总制冷量的 80%～90%，得到广泛地应用。
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三、2.空气液化时的制冷原理
二、空气液化时的制冷原理
工业上空气液化常用两种方法获得低温，即空气的 节流膨胀和膨胀机的绝热膨胀制冷。
什么是膨 胀机的绝 热膨胀？
什么是节流膨胀?
连续流动的高压气体，在绝 热和不对外做功的情况下， 经过节流阀急剧膨胀到低压 的过程，称为节流膨胀。过程
不可逆。
卡皮查循环流程示意及T-S图
空气在透平压缩机中被压缩 至约0.6MPa，经换热器I冷却后， 分成两部分，绝大部分Gkg进透 平膨胀，膨胀至大气压，然后进 入冷凝器Ⅱ，将其冷量传递给未 进膨胀机的另一部分空气。未进 膨胀机的空气数量较小，数量为 (1—G) kg，它在冷凝器的管间， 被从膨胀机出来的冷气流冷却， 在0.6MPa的压力下冷凝成液体， 而后节流到大气压。节流后小部 分汽化变成饱和蒸气，与来自膨 胀机的冷气流汇合，通过冷凝器 管逆流，流经换热器I冷却等温压 缩后的加工空气。而液体留在冷 凝器的底部。
使气体液化的两种方法
使气体液化的两种方法液化气体是一种常见的工业过程，它可以使气体转化为液体状态，便于储存和运输。
在工业生产和科研实验中，常常需要将气体液化。
那么，有哪些方法可以使气体液化呢？下面将介绍两种主要的方法。
首先，我们来介绍制冷压缩法。
这是一种常见的气体液化方法，它利用制冷剂对气体进行冷却，使其温度降低到临界点以下，然后再通过增加压力，将气体压缩成液体。
这种方法的关键在于选择合适的制冷剂和制冷设备。
常见的制冷剂包括液氮、液氩、液氢等，它们具有很低的沸点，可以在常温下将气体冷却到液化温度。
制冷设备通常采用压缩机、冷凝器等，通过循环工作将气体冷却压缩成液体。
这种方法适用于大多数气体的液化，但是制冷设备的成本较高，操作复杂，需要专业知识和技术支持。
其次，还有一种常用的气体液化方法是绝热膨胀法。
这种方法利用气体的绝热膨胀特性，通过减小气体的体积来降低其温度，从而使气体液化。
在这个过程中，气体会快速膨胀，压力和温度都会下降，当气体的温度降到临界点以下时，就会发生液化。
这种方法的优点是操作简单，无需制冷设备，成本较低。
但是它对气体的纯度要求较高，而且只适用于一部分气体的液化。
在实际应用中，选择合适的气体液化方法需要考虑多方面的因素，包括气体的性质、液化的要求、成本和操作难度等。
对于一些常见的工业气体，制冷压缩法是较为常见的选择，而对于一些特殊气体，绝热膨胀法可能更为适用。
在选择气体液化方法时，需要根据具体情况进行综合考虑，以便选择最合适的方法。
总的来说，气体液化是一项重要的工业技术，它为气体的储存和运输提供了便利条件。
制冷压缩法和绝热膨胀法是两种常见的气体液化方法，它们各有优缺点，适用于不同的气体和情况。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的方法，以确保液化效果和经济效益。
制冷与低温技术原理(8.3.1)--带膨胀机的空气液化循环
一、克劳特循环 • 根据系统能量守恒的关系，并考虑跑冷损
失，不完全热交换损失循环 • 液化系数为
z pr
hT
Ve(h3 h4 ) h1 h0
q
q0 pr h1 h0
• 实际制冷量
• 膨胀机的等熵效率
• 实际耗功
气体液化循环 --- 带膨胀机的液化循环
一、克劳特循环
气体液化循环 --- 带膨胀机的液化循环
二、海兰德循环
• 高压常温膨胀，增加绝热焓降； • 低温部分由等温节流效应提高冷量
• 可采用预冷，从而 zr , w
• 适用于小型液态装置
• 为何需要高压？
气体液化循环 --- 带膨胀机的液化循环
二、海兰德循环
气体液化循环 பைடு நூலகம்-- 带膨胀机的液化循环
• 影响因素分析： • P2--- 增大对制冷效果有利 • Ve --- 增大对制冷效果有利 • T3 --- 增大对制冷效果有利
膨胀机的制冷量只能被以上温区所利用 冷量的产生与利用关系
气体液化循环 --- 带膨胀机的液化循环
一、克劳特循环 • 换热器温度曲线—负温差现象
– 高压气体比热变化大，低温气体比热基本不变 – 正流气体与反流气体流量不同
气体液化循环 --- 带膨胀机的液化循环
带膨胀机的空气液化循 环
一、克劳特循环
• 膨胀过程并非按照等熵 • 绝热节流过程仍存在 • 节流和膨胀过程均不可逆
气体液化循环 --- 带膨胀机的液化循环
带膨胀机的空气液化循环
一、克劳特循环
• 流程组织： • 膨胀机布置
– 入口状态？ – 膨胀气量？
气体液化循环 --- 带膨胀机的液化循环
热力学第六章
s3 s 0.4763kJ/(kg.K)
4点对应的是未饱和水，
p4 p1 5MPa h4 h3 137.72 kJ kg
s4 s3 0.4763kJ/(kg.K)
3.增加了过热器，蒸汽在过热器 中的吸热过程(6→1)也是定压 过程，提高了平均吸热温度， 从而提高了乏气的干度x，提高 了循环效率，也改善了汽轮机 的工作条件。
p 4 5 6 3
1
2 v
郎肯循环热效率的计算
1. 锅炉中的定压吸热过程(4→5→6→1)吸入的热量：
q1 h1 h4
2. 定熵膨胀过程(1→2)中工质(或汽轮机)做功：
制热
动力
T2 环境温度
T0
制冷
T2
s
热力循环其它分类
气体动力循环：空气为主的燃气 1. 按工质 如燃气轮机等，按理想气体处理 蒸汽动力循环：以水蒸气为主 如蒸汽轮机等，按实际气体处理 2. 按燃料燃 烧方式分 内燃式：燃料在内部燃烧，燃气即工质，
如内燃机、燃气轮机等。
外燃式：燃料在外部燃烧，燃烧放出的热
为克服蒸汽卡诺 循环的缺陷，工 程实际中学常用 朗肯循环
朗肯循环
朗肯循环(Rankine Cycle)
朗肯循环系统工作原理
蒸汽过 热器 锅 炉 汽轮机 四个主要装置： 锅炉 汽轮机 发电机 凝汽器 给水泵 凝汽器
给水泵
蒸汽电厂示意图
朗肯循环(Rankine Cycle)
二、蒸汽动力循环系统的简化(理想化)
h2 h x h h 137 kJ kg
例1：朗肯循环，蒸汽进入汽轮机初压 p1=5MPa,初温 t1=500℃， 乏汽压力 p2=5kPa，不计水泵功耗。要求：将朗肯循环表示在Ts图上，并求循环净功、加热量、循环热效率及汽耗率。
认识林德及林德液化循环
西安交通大学制冷与低温技术原理认识林德和林德液化循环OTp 1p 2T 1T 2Sh=定值12∆T hx=0x=1∆h T林德（1842-1934）德国制冷工程师，低温实验学家，制冷低温科学的奠基人之一。
•在1873～1877年，设计出第一台制冷机。
•1879年在创建了林德制冰机有限公司-林德液化气体公司（百年老店）。
•1895年利用焦耳-汤姆逊效应和逆流换热原理发明了空气液化装置•1902年创建了应用物理实验室。
•巴代利亚科学院和维也纳科学院院士。
一次节流液化循环（又称为林德循环）是最早的液化循环由林德提出并实施等温压缩--等压冷却---节流膨胀--等压复温--（液体产品）TO s453p2T=T2=T1’1’∆T=T1’-T11p1理论循环等温压缩等压冷却节流膨胀液化等压复热降温过程逐级形成理论循环TOs453p 2T=T 2=T 1’1’∆T=T 1’-T 11p 1OTT=T 2=T 1’∆t 1s21’14’4’’4’’’p 1∆t’1∆t’23’3’’p 2345h=定值一次节流液化循环逐渐冷却过程的T －s 图理论循环即为等温节流效应；液化量单位冷量1kg 空气，102)1(h z z h h -+=kgAirkg h h h h h h h z T 010121-∆-=--=T h q ∆-=0由于一定（状态参数）,01h h -Th z ∆-~液化量大，即等温节流效应大，T 一定时,是压力的函数T h ∆-T T(h )0p ⎡⎤∂∆=⎢⎥∂⎣⎦理论循环T 一定时,是压力的函数T h ∆-压力增加到多少最好？0)(=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∆∂TT p h 求解的结果是：等温压缩线与上转化温度曲线的交点实际循环压缩过程存在不可逆因素q 1、换热器有温差、不完全换热q 2以及跑冷q 3等因素。
实际液化量'1h h q h z T pr --∆-=∑单位制冷量为∑-∆-=qh q T 0参数p 2，参数p 1，参数T ，对性能的影响？实际循环适当升高p 2，升高p 1，高压气体T 下降对 的提高有利(加工空气)](加工空气)](液空)]实际循环适当升高p2，升高p1，高压气体T下降对ε的提高有利设p2、T1均为定值，p1值不同则q及ε也不同。
认识林德及林德液化循环
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M
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气体液化循环-----------------
.实际循环
适当升高P2,升高& ,高压气体T下降对&的提高有利
设P2、T1均为定值，P1值不同则00及池不同。例如p2=196x102kPas T1=303K,不同的Pi值时q0及浦勺变化如表7-1所示。
液化量大，即等温节流效应大，T—定时，-AhT是压力的函数
d (A^) =0 dp T
气体液化循环------
•理论循环 T—定时，-®是压力的函数
压力增加到多少最好？
a
（微 =0
T） dp
求解的结果是：等温压缩线与上转化温度曲线的交点
气体液化循环----------------
.实际循环 压缩过程存在不可逆因素01、换热器有温差、不完全换
气体液化循环
•理论循环
—次节流液化循环逐渐冷却过程的T - s图
O
气体液化循环
•理论循环
液化量 单位冷量
1kg空气，h2 = h0 Z + (1 - z)h
— — h\ h
kg kgA ir
， Ahy
h
、 q°= Ah_ 即hq为等h温节流效应; 、_ hq
由于hi - h0 —定（状态参数），Z〜-AhT
表7-1 —次节流林德循环pi与& q0的关系
P1
kPa
1x102
20x102
00
kJ/kg
40
31.3
kJ/kg
461
气体液化循环
气体液化循环
3、液化循环指标
●
单位能耗：
w0
w z
● W为1kg气体耗功，Z为1kg气体的液体量
●
制冷系数，q0制冷z(量h1与耗h0功) 之比，
q0 w
● 其中
● 循环效率：热力不完善度，实际制冷系数与理 论循环系数之比。
●
也a是g 理tph论r 最 wq小p0r 功与 wq实t0h 际 w耗min功w之pr 比。
● 提供了冷量
● 降低了高压气体的温度
● 减小了传热温差
气体液化循环---二次节流液化循
环
二次节流液化循环 ● 看作是一个高、低压之间的循环和一个高、
中压之间的循环 ● 后者提高了p1, 从而提高了循环效率
循环过复温程 高压压机 循环气体 降温
高压气体节流
低压节流
kg kgAir
●单位冷量 q0 hT 效应；h1 h0
即为等温节流 z ~ hT
●由于
一定（状态参数）,
●液化量大，即hT ●T一定时,
等
温是节压流力效的应函大数， (phT
) T
0
气体液化循环---一次节流液
化循环
理论循环 ●T一定时, hT
是压力的函数
●压
力
增
加到(多phT )少T
最好
环
实际循环 ● 适当升高 p2，升高 p1 ，高压气体 T
下降 对提高 有利
气体液化循环---一次节流液化循
环
有预冷的一次节流液化循环
气体液化循环---一次节流液化循
环
有预冷的一次节流液化循环
z pr
hT h1`
q0c h0
q
气体液化循环---一次节流液化循
【精品】空分问答制冷及液化
【关键字】精品1、什么叫制冷?答：在日常生活中我们可以看到，一杯热水会自然地冷却到周围的环境温度为止，一块冰会在0℃以上的环境中自然融化成水。
但是水不会自发地降低到比周围空气更低的温度而结冰。
这些现象说明自然界的一个基本规律：热只能自发地从高温物体传给低温物体，而相反的过程不能自发地进行。
用人为的方法获得比环境更低的温度，是可以实现的。
但是，这需要花费一定的代价，即消耗一定的能量(功，电能等)才能实现。
这种人为地获得低温的过程，就叫“制冷”。
我们常见的冰箱、空调机就是靠制冷机实现制冷过程而获得低温的。
它必须要消耗电能，带动压缩机工作。
制冷机中循环工作的物质叫“制冷剂”。
它是一种低沸点的物质，常用的有氨、氟里昂等。
将这些工质在气态压缩后，在常温下就能在冷凝器中放出热量而冷凝成液体。
再通过节流膨胀降压，使其饱和温度降低到比环境更低的温度。
它就可以通过在蒸发器中蒸发吸热，来冷却别的物质(空气、水、食物等)，达到制冷的目的。
工质本身则在蒸发器中吸热气化后，又返回到压缩机中再次压缩。
如此循环地工作，实现连续制冷。
在制氧机中，要将空气温度降低到液化温度，这也是一个制冷过程，因此，必须有压缩机，并以消耗电能为代价。
只是制氧机中是以空气为工质，靠将空气先压缩、再膨胀的方法达到降温的目的。
然后再来冷却空气本身，直至达到液化温度而被液化。
2、什么叫热量，什么叫冷量?答：两个温度不同的物体相互接触时，温度高的物体会变冷，温度低的物体会变热。
这是由于高温物体有能量传递给低温物体。
这种能量变化的大小通常用“热量”这个物理量来度量。
物体内部能量减少，是因为放出了热量；反之，则是吸收了热量。
通常体现在温度或物态的变化。
热物体相对于冷物体来说，具有放出热量的能力；冷物体相对于热物体来说，具有吸收热量的能力。
因此，热量的单位也就是能量的单位。
按照国家标准是采用焦耳(J)为单位，工程上常用千焦(kJ)。
“冷量”是在制冷领域的一种习惯用语。
气体冷却原理
气体冷却原理
气体冷却是指通过各种方式使气体温度降低的过程。
在工业生产和日常生活中，气体冷却是非常常见的现象，比如空调制冷、冷冻食品保鲜等。
气体冷却的原理涉及热力学和热传递等多个领域，下面我们来详细了解一下气体冷却的原理。
首先，气体冷却的原理可以通过压缩空气来实现。
当气体被压缩时，其分子之
间的距离减小，分子之间的相互作用增强，从而使气体的温度升高。
当压缩空气通过冷却装置时，其温度会下降，这是因为冷却装置能够带走气体中的热量，使气体分子的平均动能减小，从而使气体温度降低。
其次，气体冷却的原理还可以通过膨胀来实现。
当气体从高压区域流向低压区
域时，其温度会下降。
这是因为气体在膨胀过程中对外界做功，分子之间的平均距离增大，分子之间的相互作用减弱，从而使气体的温度降低。
这一原理被广泛应用于空气压缩机、涡轮机等设备中。
另外，气体冷却的原理还可以通过换热来实现。
当热的气体与冷的物体接触时，热量会从气体传递到物体上，使气体的温度下降。
这一原理被应用于许多冷却设备中，比如散热器、冷凝器等。
除了以上几种原理，气体冷却还可以通过吸热反应来实现。
一些化学反应会吸
收热量，使反应产物的温度下降，这一原理被应用于一些化工生产中。
总的来说，气体冷却的原理涉及多个领域，包括压缩、膨胀、换热和化学反应等。
在工业生产和日常生活中，我们可以根据具体的情况选择合适的气体冷却方式，以实现所需的温度降低效果。
希望以上内容能够帮助您更好地理解气体冷却的原理。
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T s
图
有预冷的林德循环流程图及T-s 图
有预冷的空气液化系统流程图
4.1.3 二次节流循环
二次节流循环也叫林德双压循环（Dual-Pressure Process） 它是在循环中，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（这部分气体称为循环气体）， 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。这种具有部分循环气体的液化循环，称为二 次节流循环
第四章 气体制冷与液化循环
有些应用低温的场合，只是利用液化气体来冷却某些装置或器件，即 仅是利用低温液体的气化热来冷却部件和补偿外界的漏热，称之为低 温液体制冷机。在这些情况下，低温液体蒸发后蒸气的显热（从沸点 升温至室温所吸收的热量）并不加以利用，这是不经济的
在有些场合，使用低温液体是不方便的（例如在空间飞行器上的电子 元件的冷却等），人们设计了在一定温度下得到一定冷量，但并不生 产低温液体的制冷机，用它来直接冷却需保持在低温的部件。因此， 对于那些以制取冷量为目的的制冷循环，没有液态产品从制冷机中输 出，称之为低温气体制冷机
（4-5）
同样，当该系统用作液化循环时，对换热器、节流阀和贮液槽进行能 量平衡，得
q m h 2 q m q m h 1 f q m h ff
（4-6）
设液化率 yqm f/qm ，则由式（4-6）可得
y h1 h2 h1 h f
式中：hf —— 被液化气体的比焓 qmf ——从贮液槽中移出的液体流量
在上述讨论中，都假定两个参数不变。但在实际过程中，三个参数之间是相 互制约的，因此在确定循环参数时要综合考虑，才能得到最佳值
与上述等熵膨胀概念对应的是西蒙氦液化器
等熵膨胀循环流程图及 T-s 图
西蒙氦液化器
西蒙氦液化器被用以生产少量的液氦，利用绝热放气原理制冷。虽然 这一制冷过程为一不可逆过程，但容器内工质的比熵不变
循环过程1
➢ 过程l—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
低温气体的制冷和液化循环有四种基本类型：节流循环、带膨胀机的 循环、利用气体制冷机的循环、及采用逐级冷却的复叠循环
4.1 节流循环
节流循环是低温技术中最基本的循环之一 由于节流循环的装置结构简单、运行可靠，这就在一定程
度上抵消了节流膨胀过程不可逆损失较大的缺点 主要介绍
➢ 简单林德循环 ➢ 有预冷的节流循环 ➢ 林德双压循环
对于空气节流液化循环，一般采用二氧化碳、氨、氮利昂（或替代工 质）制冷机组进行预冷，可使高压空气的温度降低至–40~–50℃，再 进入换热器。采用的辅助预冷剂的临界温度，应高于环境温度，以使 制冷剂与室温下的空气或冷却水换热后能冷凝
由于氖、氢和氦的转化温度分别为250K、205K和45K，因此液氮是H2 和Ne液化系统的最佳预冷剂，液氢可用作氦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
循环过程3
➢ 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
克劳特循环
1902年，法国的克劳特首先实现了带有活塞式膨胀机的空气液化循环 在克劳特系统中，气体首先被压缩到大约 4MPa 的压力，然后进入第
一换热器 A。从第一换热器出来的主流气中，大约有60%~80%的气体 分流到膨胀机，膨胀后的气体在第二换热器 B 后面与返流气汇合。待 液化气体则连续通过 B、C 换热器，最后通过节流阀进入贮液器。贮 液器的冷蒸气则通过各级换热器冷却后返回压缩机 在克劳持系统中，膨胀阀仍是不可缺少的、因为在实际系统中不允许 膨胀机中生成很多液体。倘若在容积式膨胀机中的气缸中存在液体， 便会形成很高的瞬态应力。某些透平膨胀机（轴流式）可以允许含有 15%或更高的液体而不致对透平叶片产生危害
4.1.1 一次节流循环
—次节流循环是最早在工业上采用的气体液化循环 1895年德国林德和英国汉普逊分别独立地提出了一次节流循环。因此
也常称之为简单林德循环或汉普逊循环，或林德-汉普逊循环。 林德循环是指以高压节流膨胀为基础的气体液化循环，其特点是循环
气体既能被液化又起冷冻剂作用
气体在环境温度下被等温压缩，并由冷却介质（如水、空气等）带走 压缩热，在图上简单地用等温线1—2表示
（4-3）
对于制冷循环来说，假设除了节流阀外没有不可逆压力降，没有漏热， 换热器的效率为100%，可分别对贮液槽部分或对除压缩机之外的系 统部分进行热平衡。由此得出制冷系统的制冷量为
Q oqm h 1h 2
（4-4）
于是，一次节流制冷循环在理想条件下的制冷系数为
Q W o T1s1h s1 2 h2h1h2
压缩气体在换热器内被节流后的返流气体冷却到点3，这是一个等压 冷却过程，在图上用等压线2—3表示
高压气体经节流阀节流膨胀至点4，此时有部分气体被液化。在图上 节流过程用等焓线3—4表示
节流后末被液化的气体及作为制冷机时由于吸收热负荷后气化的气体， 从贮液器（g点）引出，流经换热器被进入系统的压缩气体加热到常 温（点1），返回到压缩机入口。其复热过程在图上用g-1等压线表示
4.2 等熵膨胀循环
在绝热条件下，压缩气体进入膨胀机进行等熵膨胀并对外作功，可获 得较大的温降及制冷量
采用气体输出外功等熵膨胀的循环，在气体液化和分离设备中应用尤 为广泛。在作功的等熵膨胀中，气体的温度总是会降低的，因而制冷 量并不取决于在膨胀前是否低于气体的转化温度
在大型机器中，膨胀时所产生的功应加以回收。但对于小型制冷机， 膨胀功通常消耗在功吸收装置或过程中
该循环可以减少液化需用功，因为在简单林德循环中，只有压缩气体 的很小部分被液化，节流后末被液化的大部分低压气体返回到压缩机。 双压循环中，部分压缩气体节流膨胀到中压就返回压缩机。虽然双压 循环的液化率会有些降低，但其单位液体产品的功耗比简单林德循环 低。然而，双压循环环增大了系统的复杂性，因而也降低了过程的可 靠件
克劳特循环流程图及T-s图
在克劳特循环中，高压气体压力 p2，进入膨胀机的气量 me，以及进膨胀机的 高压气体温度 T3 等参数，不仅影响循环的性能指标制冷量、液化率和需用功 等，还会影响系统中换热器的工况。现讨论如下：
➢ 当p2和T3不变时，增大膨胀量me ，膨胀机的产冷量随之增大，循环的制 冷量及液化率相应增加。但过分增大时，由于进入节流阀的气量太少， 会导致制冷量过剩，使第二换热器偏离正常工况，或造成不必要的冷量 损失
循环过程4
➢ 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。
循环过程5
➢ 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80%~100%的氦气液化。
压缩机的需用功，可由在稳定流动条件下压缩机的热平衡来确定
Q R W q m h 2 h 1
式中：QR——等温压缩过程与外界交换的热量 W——压缩过程耗功
（4-1）
在等温压缩的条件下
Q R q m T 1 s2 s1
（4-2）
将式（5-2）带入式（5-1），得
q W mT1s1s2h1h2
4.3 等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环
采用节流阀膨胀在热力学上是一个不可逆过程 采用膨胀机的等熵膨胀，可获得比等焓膨胀低得多的温度 现在工业上应用的大多数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 克劳持循环就是典型的具有等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环 （Combination of Isenthalpic and Isentropic Expansion ）
（4-7）
由此可知，在液化循环中，制冷量 Qo 被从贮液槽中移出的液体的 q mf h f 所取代，在这种情况下，只有在节流后未被液化的气体通过
换热器返回到压缩机
4.1.2 有预冷的一次节流循环
降低高压空气进换热器的温度对增加等温节流效应、提高液化率起到 一定的作用
若用一次节流循环液化转化温度低于环境温度的气体，就要求采用外 部的辅助冷却剂进行预冷，以提高循环的经济性
➢ 当me和T3一定时，提高高压气体压力p2 ，等温节流效应和膨胀机的单位 制冷量均增大，液化率或制冷量增大。但过分提高，会造成冷量过剩， 冷损增大，进而使能耗增大
➢ 当p2和me一定时，提高膨胀前气体温度T3 ，膨胀机焓降即单位制冷量增 大，膨胀后气体的温度也同时提高。节流部分的高压气体出第二换热器 的温度与有关，若太高，膨胀机产生的较多冷量不能全部传给高压气体， 导致冷损增大，甚至会破坏第二换热器的正常工作