Chapter4：气体的制冷与液化循环

Chapter 4 气体的制冷与液化循环
低温气体制冷循环 — 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
气体液化循环 — 以获取液化气体为目的的制冷循环
气体制冷与液化循环的四种基本类型 — 节流循环 — 带膨胀机的循环 — 利用气体制冷机的循环 — 采用逐级冷却的复叠循环
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卡皮查(Kapitza-1937苏联)循环
去除了基本型克劳特循环中的第三或低温换热器，带有高效率透平膨胀机的 低压液化循环
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Chapter 4.3 等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环
卡皮查(Kapitza)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。 卡皮查循环通常采用较低的操作压力，大约为0.7MPa。由于采用的压力较 低，其等温节流效应与膨胀机绝热焓降均较小，循环的液化率不会超过5.8 ％。
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。
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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。
−W qm
= T1 ( s1 − s2 ) − (h1
− h2 )
系统的制冷量
( ) ( ) Q0 = qmT4 sg − s4 = qm hg − h4
Q0 = qm (h1 − h2 )
理想条件下的制冷系数
T-s图
ε
=
Q0 −W
=
T1
(
s1
−
h1 s2
− h2
)−(
h1
−
h2
)
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Chapter 4.1 节流循环
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Chapter 4.4 复叠液化循环
一种天然气液化循环 经过净化处理的天然气相继被 气化的丙烷、乙烯和甲烷所冷 却。这些用来预冷的每种液化 气体，利用类似如图a所示的制 冷循环来液化。
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Chapter 4.4 复叠液化循环
制冷剂温位级数的影响
增加所用制冷剂温度位的级数，复叠循环的效率可得到显著的改善 9温位冷却的复叠循环的功耗一般为3温位复叠循环时的80％
qme = x
qm
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Chapter 4.3 等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环
克劳特(Claude-1902法国)循环 （液化器） 4MPa，60%-80% 气体进膨胀机
( ) ( ) qmh2 = qm − qmf h1 + qme h3 − he + qmf hf
( ) ( ) y = (h1 − h2 ) h1 − hf + x ⎡⎣(h3 − he ) h1 − hf ⎤⎦
− h2 )
系统的制冷量
T-s图
4
Chapter 4.1 节流循环
一次节流循环(简单林德循环) 压缩机功耗
−W qm
= T1 ( s1 − s2 ) − (h1
− h2 )
系统的制冷量
( ) ( ) Q0 = qmT4 sg − s4 = qm hg − h4
T-s图
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Chapter 4.1 节流循环
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Chapter 4.3 等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环
柯林斯(Collins-1946美国)氦液化循环
采用多级膨胀机和节流阀结合 的氦液化循环，膨胀机的台数 视氦的入口压力决定，一般可 采用2～5台膨胀机。 用得最广泛的柯林斯流程是采 用两台膨胀机、四级冷却，其 中温度最高的第一级可用液氮 预冷，温度最低的一级采用节 流阀，其余为两台在不同温区 工作的膨胀机。
一次节流循环(简单林德循环) 压缩机功耗
−W qm
= T1 ( s1 − s2 ) − (h1
− h2 )
系统的制冷量
( ) ( ) Q0 = qmT4 sg − s4 = qm hg − h4
Q0 = qm (h1 − h2 )
T-s图
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Chapter 4.1 节流循环
一次节流循环(简单林德循环) 压缩机功耗
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Chapter 4.2 等熵膨胀循环
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Chapter 4.3 等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环
克劳特(Claude-1902法国)循环 （制冷机）
qmh2 + Q0 = qmh1 + We
We = qme (h3 − he )
−W qm = ⎡⎣T1 ( s1 − s2 ) − (h1 − h2 )⎤⎦ − x (h3 − he )
−W qm = ⎡⎣T1 ( s1 − s2 ) − (h1 − h2 )⎤⎦ − x (h3 − he ) 15
Chapter 4.3 等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环
海兰德(Heylandt-1906德国)循环 20MPa，x=60%，T2≈环境温度（高温高焓降）
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源自文库
Chapter 4.3 等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环
Chapter 4.1 节流循环
一次节流循环（简单林德循环/林德-汉普逊循环）
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Chapter 4.1 节流循环
T-s图
一次节流循环(简单林德循环) 压缩机功耗=？
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Chapter 4.1 节流循环
一次节流循环(简单林德循环) 压缩机功耗
−W qm
= T1 ( s1 − s2 ) − (h1
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Chapter 4.4 复叠液化循环
经典复叠循环 生产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l.86MPa的氮气液 化 另 一 种 可 能 的 复 叠 法 是 采 用 R22、Rl3和Rl4来将氮、空气或 氧气液化
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
此时
Q0 = qmf h f
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Chapter 4.1节流循环
有预冷的一次节流循环 z降低高压空气进换热器的温度 T，对增加等温节流效应有明显 的作用。 z若用一次节流循环液化转化温 度低于环境温度的气体，需采用 外部的辅助冷却剂进行预冷，以 提高循环的经济性。 z对于空气节流液化循环，一般 采用二氧化碳、氨、氟利昂(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。
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Chapter 4.1节流循环
有预冷的一次节流循环
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Chapter 4.1节流循环
有预冷的一次节流循环 以图中红框部分作能量平衡
( ) qmh2 + qmrhd = qm − qmf h1 + qmr ha + qmr hf
液化率
y=
h1 − h2 h1 − h f
+ qmr qm
⎜⎜⎝⎛
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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。
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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 )]
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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