Chapter4：气体的制冷与液化循环
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气体制冷循环
逆卡诺循环 2个等熵（压缩和膨胀）和2个等温（吸热和放热）过程组成。
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
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
气体液化循环概述
Tds dh dwt Ts h wt
WWTs
(Ts h)12 T (s1 s2 ) (Ts h)20 h2 h0
(h1
h2 )
Wmin WT WS (Ts h)10
Hale Waihona Puke 气体液化循环2、制冷气体液化理论最小功
Wmin WT Ws
Wmin WT WS (Ts h)10
q0 wth
wm in
wpr
气体液化循环
4、低温液化循环形式： • 节流液化循环：利用节流装置，获得等温
节流效应；
• 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；
• 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；
• 复叠式液化循环：利用不同沸点工质逐级
冷却最终液化。
前两种属于自身膨胀制冷，最常用。
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，制冷量与耗功之比， q0
– 其中 q0 z(h1 h0 )
w
• 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。
– 也是理论最小功与实际耗功之比。
ag
pr th
q0 wpr
气体液化循环
一、概述 1、制冷的目的： • 低温气体液化，必须降温至 Ts 以下，
需要制冷降温；
• 维持低温系统所需制冷以补偿冷损；
• 生产低温液体，补偿带走的的冷量
气体液化循环
2、制冷气体液化理论最小功
• 获得低温实现热量从低到高的转移， 必须投入能量。
• 理想过程：等温压缩+等熵膨胀 • 理想最小功 Wmin WT Ws
气体液化
p1＝0.1 MPa p2=20 MPa
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。
高压空气进换热器的温度
结论
对于一次节流液化循环，为改善循环的性能指标 • 可提高p2，一般p2 ≈(20～22) MPa； • 可在保证所需循环制冷量及液化温度的条件 下，适当提高初压p1，从而减小节流的压力范 围； • 可采取措施降低高压空气进换热器时的温度， 从而提高液化系数。
p1（kPa）
－ΔhT （kJ/kg）
98 37.5 445.5 0.0842
4900 26.9 116.2 0.231
9800 15.9 58.3 0.273
wT（kJ/kg）
− ΔhT ε= wT
随p1增加， -ΔhT减少的幅度不如功耗减少的大，故ε显 著增大。相应地循环效率ηcy增加，单位能耗降低。 提高初压p1能够改善循环的经济性。
一次节流液化实际循环分析 热力系统热平衡方程式
h2 + q3 = h0 Z pr + (1 − Z pr ) h1
' 1
q 2 = (1 − Z pr )C p1 (T1' − T1 )
q2 h1 = h1' − c p1 (T − T1 ) = h1' − 1 − Z pr
实际液化系数
Z pr = h1' − h2 − (q2 + q3 ) − ΔhT − Σq = h1' − h0 h1' − h0
p2 p1
积分 得
⎡ ⎛ ∂v ⎞ ⎤ − ⎢T ⎜ ⎟ − v ⎥ dp ⎢ ⎝ ∂T ⎠ p ⎥ ⎣ ⎦
微分节流效应等于零 对应 －ΔhT 及Z最大值的气体压力必通过等温线T和转化 曲线的交点 实际采用的压力
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。
高压空气进换热器的温度
结论
对于一次节流液化循环，为改善循环的性能指标 • 可提高p2，一般p2 ≈(20～22) MPa； • 可在保证所需循环制冷量及液化温度的条件 下，适当提高初压p1，从而减小节流的压力范 围； • 可采取措施降低高压空气进换热器时的温度， 从而提高液化系数。
p1（kPa）
－ΔhT （kJ/kg）
98 37.5 445.5 0.0842
4900 26.9 116.2 0.231
9800 15.9 58.3 0.273
wT（kJ/kg）
− ΔhT ε= wT
随p1增加， -ΔhT减少的幅度不如功耗减少的大，故ε显 著增大。相应地循环效率ηcy增加，单位能耗降低。 提高初压p1能够改善循环的经济性。
一次节流液化实际循环分析 热力系统热平衡方程式
h2 + q3 = h0 Z pr + (1 − Z pr ) h1
' 1
q 2 = (1 − Z pr )C p1 (T1' − T1 )
q2 h1 = h1' − c p1 (T − T1 ) = h1' − 1 − Z pr
实际液化系数
Z pr = h1' − h2 − (q2 + q3 ) − ΔhT − Σq = h1' − h0 h1' − h0
p2 p1
积分 得
⎡ ⎛ ∂v ⎞ ⎤ − ⎢T ⎜ ⎟ − v ⎥ dp ⎢ ⎝ ∂T ⎠ p ⎥ ⎣ ⎦
微分节流效应等于零 对应 －ΔhT 及Z最大值的气体压力必通过等温线T和转化 曲线的交点 实际采用的压力
低温原理复习
压缩机的耗功可由在稳定流动条件下压缩机的 热平衡来确定
QR P qm h1 h2
在等熵压缩的条件下
QR P qm h1 h2
W qm
T1 s1 s2 h1 h2
Q0 qmT4 sg s4 qm hg h4
8
第五章 流体混合物分离原理与方法 第二节 流体混合物的分离方法 一、冷凝和闪蒸 如果混合物各个组分的挥发性相差较大，可利用冷凝和蒸发过程使混合物分离 二、精馏 （一）精馏的分离原理 精馏原理：连续多次的部分蒸发或部分冷凝 经过每一次部分蒸发或冷凝，气相中低沸点（易发挥）组分的摩尔分数就增加。 完成这一过程的装置称为精馏塔 分类：板式塔和填料塔 精馏段与提馏段构成一个完整的精馏塔 三、吸附 吸附是依靠固体吸附剂对各组分吸附能力的差异而进行的。 吸附法在气体分离中常用来去除气体中的微量杂质。 （一）吸附分离的基本原理 当气体与固体接触时，在固体表面或内部将发生容纳气体的现象。 吸附现象可以在固体和液体之间发生。 被吸附的物质称为吸附质 起吸附作用的物质称为吸附剂 吸附分为物理吸附和化学吸附 物理吸附：气体间靠分之间作用力（范德华力）吸附在固体吸附剂上。 化学吸附：吸附后气体与固体表面原子之间形成吸附化学键。 吸附是一个传质过程。 外部传递过程（外扩散）：吸附质从气体主流通过吸附剂颗粒周围的气膜到达颗 粒表面
1）等温压缩过程(1-2）2）定容放热过程(2-3）3）等温膨胀过程(3-4） 4）定容吸热过程(4-1）
第四节 其他制冷方法 一、空气蒸发制冷和溶液除湿蒸发制冷 空气蒸发制冷的原理：是指水与未饱和空气接触时，其饱和蒸汽压力大于空气中 水蒸汽的分压力，因而蒸发汽化。 分类：直接蒸发冷却和间接蒸发冷却制冷
9
制冷技术基础第三版教学课件第四章 单级蒸气压缩式制冷循环
影，在上图2所示的温熵图中,相当于1-2-3-4-7-5-1所围成的多边形面积。
29 第 四 章 单 级 蒸 气 压 缩 式 制 冷 循 环
§4—2 单级蒸气压缩式理论制冷循环
4、单位冷凝器负荷 (1)定义 在循环中，制冷压缩机每输送1、kg制冷剂，制冷剂在冷凝器内等压
冷凝时向高温热源放出的热量称为单位冷凝器负荷，常用qk表示，单位 为千焦/千克（kJ/kg）。
温热源处吸收的热量越多，则制冷系数越大，设备的工作效率越高。 实际中的制冷系数可能大于1，也可能小于等于1，不过蒸气压缩式
制冷循环在普冷范围下制冷系数通常为3～5。
5 第四章 单级蒸气压缩式制冷循环
§4—1 理想制冷循环
2、供暖系数 为衡量一台热泵的经济性能，引入了供暖系数（μ）的概念，即实
现热泵循环时向高温热源放出的热量（Qk，供暖量）与完成循环所消耗 的能量（机械功Wnet或工作热能Q）的比值，见式。
由式（4—2）可见，在热泵循环中所消耗的机械功或工作热能越少， 且向高温热源放出的热量越多，则供暖系数越大，设备的工作效越高。
6 第四章 单级蒸气压缩式制冷循环
§4—1 理想制冷循环
2、供暖系数 例题一台热泵型空调器（见
图），在冬季工作时的电功率是 1000 W，它的标准制热量是3200 W，试求其供暖系数。
16 第 四 章 单 级 蒸 气 压 缩 式 制 冷 循 环
两相区的逆向卡诺循环T-S图
§4—1 理想制冷循环
3、湿压缩与干压缩 若果真如上所说，在将循环
完全地转移到两相区时，则压缩过 程中被压缩的就不再是干蒸气，而 是湿蒸气，这样的压缩称为“湿压 缩”,它会导致“液击”事故的发 生。因此，在实际中将循环的压缩 部分移出两相区,如图所示。
29 第 四 章 单 级 蒸 气 压 缩 式 制 冷 循 环
§4—2 单级蒸气压缩式理论制冷循环
4、单位冷凝器负荷 (1)定义 在循环中，制冷压缩机每输送1、kg制冷剂，制冷剂在冷凝器内等压
冷凝时向高温热源放出的热量称为单位冷凝器负荷，常用qk表示，单位 为千焦/千克（kJ/kg）。
温热源处吸收的热量越多，则制冷系数越大，设备的工作效率越高。 实际中的制冷系数可能大于1，也可能小于等于1，不过蒸气压缩式
制冷循环在普冷范围下制冷系数通常为3～5。
5 第四章 单级蒸气压缩式制冷循环
§4—1 理想制冷循环
2、供暖系数 为衡量一台热泵的经济性能，引入了供暖系数（μ）的概念，即实
现热泵循环时向高温热源放出的热量（Qk，供暖量）与完成循环所消耗 的能量（机械功Wnet或工作热能Q）的比值，见式。
由式（4—2）可见，在热泵循环中所消耗的机械功或工作热能越少， 且向高温热源放出的热量越多，则供暖系数越大，设备的工作效越高。
6 第四章 单级蒸气压缩式制冷循环
§4—1 理想制冷循环
2、供暖系数 例题一台热泵型空调器（见
图），在冬季工作时的电功率是 1000 W，它的标准制热量是3200 W，试求其供暖系数。
16 第 四 章 单 级 蒸 气 压 缩 式 制 冷 循 环
两相区的逆向卡诺循环T-S图
§4—1 理想制冷循环
3、湿压缩与干压缩 若果真如上所说，在将循环
完全地转移到两相区时，则压缩过 程中被压缩的就不再是干蒸气，而 是湿蒸气，这样的压缩称为“湿压 缩”,它会导致“液击”事故的发 生。因此，在实际中将循环的压缩 部分移出两相区,如图所示。
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）。
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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制冷与低温原理
5
Applications of R&C Tech.
6
Refrigerants
• Halocarbon compounds (卤化碳制冷剂：甲、 乙、丙烷的衍生物) • Hydrocarbons (甲、乙、丙烷等） • Inorganic compounds (无机化合物：水、氨、 CO2等) • Mixed refrigerant (混合制冷剂) • Cryogenic working fluids (低温工质：CH4, air, fluorin, argon, nitrogen, neon等)
3
Exordium（绪论） • Refrigeration & cryogenic technology The tech. to get a temperature artificially below the temperature of circumstance and to keep it. • Temperature range of refrigeration >120k/-153℃ • Temperature range of cryogenics <120k/-153℃
• Throttling evaporation（闪发、节流气化） • Refrigeration effect （制冷量、制冷效应）
q0 = r (1 − χ )
11
§1.1 Phase Transformation Refrigeration
• Thaw(融化) & sublimation(升华) of solid substances
κ −1 κ
18
§1.2 Refrigeration of gas adiabatic expansion
Applications of R&C Tech.
6
Refrigerants
• Halocarbon compounds (卤化碳制冷剂：甲、 乙、丙烷的衍生物) • Hydrocarbons (甲、乙、丙烷等） • Inorganic compounds (无机化合物：水、氨、 CO2等) • Mixed refrigerant (混合制冷剂) • Cryogenic working fluids (低温工质：CH4, air, fluorin, argon, nitrogen, neon等)
3
Exordium（绪论） • Refrigeration & cryogenic technology The tech. to get a temperature artificially below the temperature of circumstance and to keep it. • Temperature range of refrigeration >120k/-153℃ • Temperature range of cryogenics <120k/-153℃
• Throttling evaporation（闪发、节流气化） • Refrigeration effect （制冷量、制冷效应）
q0 = r (1 − χ )
11
§1.1 Phase Transformation Refrigeration
• Thaw(融化) & sublimation(升华) of solid substances
κ −1 κ
18
§1.2 Refrigeration of gas adiabatic expansion
第4制冷技术
缩过程（sLnp1=s2h ）t ，压力k 由蒸发压 Lnp
力p0压缩到冷凝压力pk。等S熵线与
3
于压力为冷凝压=0 力pk等压线的交点
为2点。压缩过程中外=1界对制P 冷剂
4
2' 2 1
作功，使制冷剂温度增加，2h点处
h
点3表示制冷剂出冷凝器、进膨胀阀的状态，位于与
冷凝温度tk相对应的饱和液体线上。
❖ 液体汽化时要吸收热量，此热量称为汽化潜热。汽化潜 热来自被冷却对象，使被冷却对象变冷。为了使这一过 程连续进行，就必须从容器中不断地抽走蒸汽，并使其 凝结成液体后再回到容器中去。从容器中抽出的蒸汽如 直接冷凝成蒸汽，则所需冷却介质的温度比液体的蒸发 温度还要低，我们希望蒸汽的冷凝是在常温下进行，因 此需要将蒸汽的压力提高到常温下的饱和压力。
h
下继续放出热量，直至最后冷凝成饱
和液体（点3）。压力为pk的等压线
与干度x=0的饱和液体线的交点即为
点3
点4表示制冷剂出节流阀、进蒸发器的状态。过程线3-4 表示制冷剂通过节流阀的节流过程。在这一过程中，制 冷剂的压力由冷凝压力pk降低到蒸发压力p0，温度由冷 凝温度tk降低到蒸发温度t0，并进入两相区。由于节流 前后制冷剂的焓值不变，过程3-4为等焓过程。
控制进入蒸发器的量的制冷装置。
家用冰箱
应用
冷柜 房间空调器
简单
特点
便宜
便于大批量生产
2） 手动膨胀阀
通常与其它控制元件配合使用，一般只在 短时期内使用，例如在冷冻初期辅助送液，或 者在自动膨胀阀出故障时作为旁路备用阀。
3） 定压膨胀阀
从保持蒸发压力恒定为目的，自动调节蒸发器 供液量。其结构原理是：由设定弹簧力和蒸发压力 产生的流体压力之差提供阀打开方向的驱动力。当 蒸发压力降低时，阀开大，供液量增多，以补偿蒸 发压力的下降；当蒸发压力升高时，阀关小，供液 量减少，抑制蒸发压力上升。
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
气体压缩及制冷循环
压气机分类： 活塞式—压头高，流量小， 间歇生产 工作原理 叶轮式—压头低，流量大， 连续生产
通风机—表压0.01MPa以下 鼓风机—表压0.01~0.2MPa 压气机—表压0.2MPa以上
压头高低
蒸气压缩式制冷循环是最典型、最常用的 制冷循环，压缩机是它的主要组成部分。
两级活塞式压气机
一、单级活塞式压气机工作原理
三级压气机所需的总技术功为
n 1 n wt 3wt1 3 Rg T1 1 n n 1 1.25 1 1.25 1.25 3 0.278 293 1 5 kJ/kg 1.25 1
479kJ/kg
解：单级压气机的排气温度为
工作过程： 1-a a-4 4-a a-3 3-4 4-3 3-2 低压缸压缩气体； 低压缸排气； 气体进入中间冷却器； 气体在中间冷却器中被冷却； 气体排出中间冷却器； 气体进入高压缸 高压缸压缩气体 4 n p n
a 3 2 1 低压缸 中冷器 高压缸
（二）理论耗功分析 每生产1kg压缩气体： wC wC,l wC,h
解：该三级压气机各级的增压比为
p z 1 p 1
1z
12.5 0 . 1
13
5
各级气缸的排气温度为
p2 T2 T3 T4 T1 p1
n 1 n
293K 51.251/1.25 404K 131o C
2.等温压缩
wC,T RgT1 ln
3.多变压缩
T2T T1T2 n T1 Nhomakorabean 1 n
1 nn n wC,n p1v1 1 n 1
气体制冷与液化循环要点
（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 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 部的辅助冷却剂进行预冷，以提高循环的经济性
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
T s
图
有预冷的林德循环流程图及T-s 图
有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
h1
h2
（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
qm h2 qm qmf h1 qmf h f
（4-6）
设液化率 y qmf / 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
01-天然气(甲烷)液化循环PPT
二、混合制冷剂制冷液化循环(MRC) 混合制冷剂的大致组成
组分 氮 甲烷 乙烯 丙烷 丁烷 戊烷 体积％ 0~3 20〜32 34~44 12~20 8~15 3~8
［天然气液化循环］-------
二、混合制冷剂制冷液化循环(MRC)
优点
• ①机组设备少，流程简单，节省投资 •②管理方便
③混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身提取与补充
①能耗较咼，比复叠式液化流程咼10~20%左右 ②混合制冷剂的合理配比困难
天然气液化循环
、混合制冷剂制冷液化循环(MRC)
V ―U团式 循环 循环 '
F1
JT式 循环 循环 '
LNG
LNG
［天然气液化循环J---
三、带膨胀机的制冷液化循环
［循环原理
利用气体在膨胀机中膨胀、对外做功来提供天然气液化所需的冷量
①能耗低 •②制冷剂为纯物质，无配比问题
③技术成熟，操作稳定。
•①机组多，流程复杂 •②附属设备多 •③管道与控制系统复杂，维护不便
［天然气液化循环］-------
二、混合制冷剂制冷液化循环(MRC)
自动复叠式液化循环
• 混合制冷剂一般由碳氢化合物和氮气等五种以上组分组成，其组成 根据原料气的组成和压力而定，广泛用于基本负荷型天然气液化装置中。
西安交通大学
i制冷与低温i 技术原理
天然气（甲烷） 液化循环
天然气液化循环
一■复叠式天然气液化循环 又称级联式■串联式
二］混合制冷剂天然气液化循环
三,―带膨胀机的天然气液化循环
［天然气液化循环
I—
一、常复规叠循式环制冷液化循环
由若干个在不同温区下操作的蒸气压缩制冷循环复叠组成
组分 氮 甲烷 乙烯 丙烷 丁烷 戊烷 体积％ 0~3 20〜32 34~44 12~20 8~15 3~8
［天然气液化循环］-------
二、混合制冷剂制冷液化循环(MRC)
优点
• ①机组设备少，流程简单，节省投资 •②管理方便
③混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身提取与补充
①能耗较咼，比复叠式液化流程咼10~20%左右 ②混合制冷剂的合理配比困难
天然气液化循环
、混合制冷剂制冷液化循环(MRC)
V ―U团式 循环 循环 '
F1
JT式 循环 循环 '
LNG
LNG
［天然气液化循环J---
三、带膨胀机的制冷液化循环
［循环原理
利用气体在膨胀机中膨胀、对外做功来提供天然气液化所需的冷量
①能耗低 •②制冷剂为纯物质，无配比问题
③技术成熟，操作稳定。
•①机组多，流程复杂 •②附属设备多 •③管道与控制系统复杂，维护不便
［天然气液化循环］-------
二、混合制冷剂制冷液化循环(MRC)
自动复叠式液化循环
• 混合制冷剂一般由碳氢化合物和氮气等五种以上组分组成，其组成 根据原料气的组成和压力而定，广泛用于基本负荷型天然气液化装置中。
西安交通大学
i制冷与低温i 技术原理
天然气（甲烷） 液化循环
天然气液化循环
一■复叠式天然气液化循环 又称级联式■串联式
二］混合制冷剂天然气液化循环
三,―带膨胀机的天然气液化循环
［天然气液化循环
I—
一、常复规叠循式环制冷液化循环
由若干个在不同温区下操作的蒸气压缩制冷循环复叠组成
【优文档】三空气液化时的制冷原理PPT
其1．冷以量节传流递膨给胀未为进基膨2础胀的机循的环另1 一部分空气。
连 1段．续以2流节—动流的膨3高胀表压为气基示体础，的气在循绝体环热和由不对压外力做功为的情p况2下、，经温过节度流阀为急T剧膨2的胀到2低点压的，过程，称为节流膨胀。 二林等、德熵空 循气环膨液的化流胀时程的图到制及冷Tp-S原1图理时的过程，T2 —T3为膨胀前后气
什么是膨胀机的绝热膨胀？
利用气体T利-S图用能十气分方体便地T计-S算出图节流能膨十胀前分后温方度的便变化地。计算出节流
二、空气液化时的制冷原理
亦在膨称循胀简 环单中前林采德用后循了环高温。效离度心的空压变机及化透平。膨胀在机，图其中制冷，效率由等于2或点更高作，大等大提焓高了液化循环的经济性。
压 卡线缩皮H气查体 循2，经 环过 流与膨 程胀 示等机 意在 及压绝T-S热线图下膨p胀1到相低交压，于同时1输点出外，功的线过程段．称2为→膨胀1机表的绝示热膨张。 (系节M统﹣流由Z)压k膨缩g的机胀气、体中过成间为冷程饱却和，器蒸、气1逆返点流回换。的热器温、节度流阀T及1气即液分为离节器组流成。膨胀后 的温度，T —T 为节流膨胀前后的温度差。线 空气在透平压缩机中被压缩至约，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
压缩气体经过膨胀机在绝热 下膨胀到低压，同时输出外 功的过程．称为膨胀机的绝 热膨张。过程可逆。
二、空气液化时的制冷原理
❖
节流膨胀为等焓过程 ，气体经过节流膨胀后，一般
温度要降低。膨胀机的绝热膨胀为等熵过程。 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；
线段2—3表示气体由压力为p2、温度为T2的2点，等熵膨胀到p1时的过程，T2 —T3为膨胀前后气体的温度差。 实际林德循环存在着许多不可逆损失，主要有：
连 1段．续以2流节—动流的膨3高胀表压为气基示体础，的气在循绝体环热和由不对压外力做功为的情p况2下、，经温过节度流阀为急T剧膨2的胀到2低点压的，过程，称为节流膨胀。 二林等、德熵空 循气环膨液的化流胀时程的图到制及冷Tp-S原1图理时的过程，T2 —T3为膨胀前后气
什么是膨胀机的绝热膨胀？
利用气体T利-S图用能十气分方体便地T计-S算出图节流能膨十胀前分后温方度的便变化地。计算出节流
二、空气液化时的制冷原理
亦在膨称循胀简 环单中前林采德用后循了环高温。效离度心的空压变机及化透平。膨胀在机，图其中制冷，效率由等于2或点更高作，大等大提焓高了液化循环的经济性。
压 卡线缩皮H气查体 循2，经 环过 流与膨 程胀 示等机 意在 及压绝T-S热线图下膨p胀1到相低交压，于同时1输点出外，功的线过程段．称2为→膨胀1机表的绝示热膨张。 (系节M统﹣流由Z)压k膨缩g的机胀气、体中过成间为冷程饱却和，器蒸、气1逆返点流回换。的热器温、节度流阀T及1气即液分为离节器组流成。膨胀后 的温度，T —T 为节流膨胀前后的温度差。线 空气在透平压缩机中被压缩至约，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
压缩气体经过膨胀机在绝热 下膨胀到低压，同时输出外 功的过程．称为膨胀机的绝 热膨张。过程可逆。
二、空气液化时的制冷原理
❖
节流膨胀为等焓过程 ，气体经过节流膨胀后，一般
温度要降低。膨胀机的绝热膨胀为等熵过程。 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；
线段2—3表示气体由压力为p2、温度为T2的2点，等熵膨胀到p1时的过程，T2 —T3为膨胀前后气体的温度差。 实际林德循环存在着许多不可逆损失，主要有：
制冷与低温原理-陈第二版第四章
也就是说，理想气体节流时温度不变。
微分节流效应和微分节流系数
• 微分节流效应有三种情况
JT 0 即
T (V T
)P
V
零效应；
JT 0 即
T
(
V T
)
P
V
正效应；
JT 0 即
V T ( T )P
V
负效应
微分节流效应和微分节流系数
• 由 h u pv 得到
JT
1 u CP [(p )T
( pv) ( p )T ]
式中第一项是T不变，压力变化引起的内
能变化，由物性参数得 由于真实气体分子间具
u (p )T
(，uห้องสมุดไป่ตู้v
)T
(
v p
)T
有吸引力，当比容 v增加时，内能中的位 能因是以部 为 负 节分 T值 流不增 ， 效变加 因 益，， 此 引分所 起子C1以 的P动(温up能()T就度uv不)T必变一变然化定，是取是而正决正(值于pv值)。第T ；一所二定项。
T
)P
V，所以
T
S
• J-T效应
• 作外功的绝热膨胀
J-T效应
• 微分节流效应和微分节流系数 • 转化点和转化曲线 • 积分节流效应
微分节流效应和微分节流系数
• 微分节流效应是指节流时微小压力变化引起的温度变化
• 微分节流系数
JT
(
T P
)h
1 CP
[T (V T
)P
V]
对于理想气体，T (V
T
)P
V
即
JT 0
在我们起初的计算讨论中，假设系统中不 存在任何不可逆损失。
第二节 热力学理想液化系统
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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 )]
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
此时
Q0 = qmf h f
8
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。
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
1
19
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
6
Chapter 4.1 节流循环
一次节流循环(简单林德循环) 压缩机功耗
21
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。
22
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％
9
Chapter 4.1节流循环
有预冷的一次节流循环
10
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
⎜⎜⎝⎛
12
Chapter 4.2 等熵膨胀循环
13
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 )
20
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
−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（高温膨胀和等熵膨胀的组合循环
− 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
5
Chapter 4.1 节流循环
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）
2
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=？
3
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
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
17
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 ％。
−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
)
7
Chapter 4.1 节流循环
qme = x
qm
14
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 ⎤⎦