03-制冷原理和方法10.8改
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制冷温度 ℃ 制冷剂冷凝温度 ℃ 压缩功BP kW N下降值 % 冷凝器负荷kW 冷凝器负荷的变化 %
293
-40 38 218 Base 511 Base
293
-40 38 176 19.2 469 -8.2
293.
-40 38 167 23.3 462 -9.6
2015/12/2
LNG
23
第三节 蒸气压缩制冷
2015/12/2
LNG
5
第一节 气体的节流制冷
2.积分节流效应
积分节流效应（ΔTH）：
P2 T P2 TH T2 T1 dp H dp P P 1 P 1 H
（3-4）
H
1 V T V Cp T P
LNG
20
第三节 蒸气压缩制冷
（2）单一制冷剂两级制冷系统
用一个两级制冷系统并有级间闪蒸节能器，可节能20%。
-4？
-40？
图3.8 两级制冷系统
2015/12/2 LNG 21
第三节 蒸气压缩制冷
（3）单一制冷剂三级制冷系统
用三级压缩制冷系统与两级系统类似，也可使用闪蒸节能器和级间热 负荷。其节能的程度虽不能与两级同单级之间的差异相比，但其节能量仍 足以证明增加设备是值得的。图3.9为典型的三级丙烷系统。 38？
（3-3）
式中 Cp—气体的定压比热。 对于理想气体，由于PV=RT，则 理想气体节流温度不变。
R V V 由公式（3-3）得α H T p P T
=0，即
2015/12/2
LNG
4
第一节 气体的节流制冷
对于真实气体，有以下三种情况：
V T V T P
2015/12/2
LNG
14
第三节 蒸气压缩制冷
2）液体蒸发过程（B-C）
制冷剂的效率（η）：
X hVB hLB
（hVB hLA )
(3-16)
式中η—制冷剂的效率； hVB—节流膨胀后（B点）气相制冷剂的焓； hLA—节流膨胀前（A点）饱和液相制冷剂的焓。 制冷剂的流量：
m
7.为何单一制冷剂采用多级压缩制冷的效率要比采用单级压缩高？
8.请解释为何要采用级联式和混合冷剂制冷？它们的原理是什么？
气体从同一状态开始膨胀到相同终压，节流膨胀的温降小，等熵膨胀的 温降大，且能回收一部分膨胀功。两种膨胀的差量为V/CP。
因此，在制冷过程中采用气体输出能量的等熵绝热膨胀比采用 节流膨胀好。
2015/12/2 LNG 11
第二节 气体作外功的绝热膨胀
三、膨胀机制冷循环
膨胀制冷循环流程
1-压缩机；2-干燥器；3-冷凝器；4-汽液 分离器；5-膨胀机
气相制冷剂由过热状态降低到露点温度，再由露点温度的气体被冷 凝到饱和液体。 冷凝负荷Qcd： (3-22)
hVB hLA ) (hVD hVB ) m(hVD hLA ) Qcd m （
制冷剂的冷凝压力与所使用的冷却介质（空气、冷却水还是其它制 冷剂）有关。 注意：由于压缩机出口蒸气是过热的，因而制冷剂的冷凝曲线不是一条 直线，它是脱过热和恒温冷却的结合。设计冷凝器必须考虑这一因素。
(3-18)
式中 Wi—理想气体等熵压缩功，kW； m—制冷剂的流量； —理想气体等熵压缩后（D´点）气体的焓； hVD hVB—节流膨胀后（B点）气相制冷剂的焓；
2015/12/2
LNG
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第三节 蒸气压缩制冷
的值由制冷剂在压力PA时的性质和熵值SC所确定。由于制冷剂不 hVD 是理想的流体，而且制冷的压缩机也不能在理想状态下工作。所以， 实际的压缩功W可由下式得到： (3-19) hVB ) / i m(hVD hVB ) W Wi / i m(hVD
式中
Qref (hVB hLA )
(3-17)
Qref—制冷负荷，kW； m—制冷剂的流量。
LNG 15
2015/12/2
第三节 蒸气压缩制冷
3）气体压缩过程（C-D）
增压的目的是让循环的制冷剂在高压下再一次液化。
理想气体制冷剂从压力PB压缩到PA的等熵压缩功Wi为：
hVB ) Wi m(hVD
等熵膨胀过程的温差
2015/12/2
LNG
10
第二节 气体作外功的绝热膨胀
二、气体节流与气体作外功的绝热膨胀的比较
H
1 V T V Cp T P
s
T V CP T p
V/CP—为气体对外做功引起的温度降由于V >0，CP>0，则V/CP>0，故αs>αH。
2015/12/2
LNG
18
第三节 蒸气压缩制冷
二、制冷剂
天然气制冷装置中应用最普遍的是 : 丙烷、乙烯、乙烷、甲烷等制冷剂。
表3-1 碳氢化合物制冷剂
制冷剂 代号 制冷剂 名称 化学分子式 标准大气压力下沸点 （℃） 凝固温度（℃） 临界湿度（℃）
R50 R170
R290 R600 R1150 R1270
2.级联式制冷
用单一的中温制冷剂两级压缩获得低温，受到蒸发压力过低的限制；而用 单一的低温制冷剂又受到冷凝压力过高或在超临界区工作的限制。
采用两种制冷剂的级联式制冷循环。其典型流程见图3.10。
为什么？
图3.10 级联式制冷循环流程图
2015/12/2
LNG
24
第三节 蒸气压缩制冷
3.混合制冷剂制冷循环
2015/12/2 LNG 6
第一节 气体的节流制冷
二、节流循环
气体节流降温组成的制冷循环称为节流循环。下图为一种简单的一 次节流循环的Ｔ－Ｓ图。
所吸收的热量（即制冷量）为：
一次节流循环的T-S图
天然气往往具有一定压力，在液化过程中， 只要善于利用气体的压力，就可以组成各种节流 制冷循环，为工艺装置补充冷量。这样，一方面 既不会无谓地将压力能泄放掉，另一方面又不会 因产冷而过多地消耗动力。
1、节流膨胀过程（A-B）
( X )hLB (1 X )hVB hLA
(h hLA ) X VB (hVB hLB )
(1 X ) (hLA hLB ) (hVB hLB )
(3-13)
(3-14)
(3-15)
式中
X—节流膨胀后（B点）制冷剂的液体分率； hLB—节流膨胀后（B点）液相制冷剂的焓； hVB—节流膨胀后（B点）气相制冷剂的焓； hLA—节流膨胀前（A点）饱和液相制冷剂的焓。
2015/12/2
LNG
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第三节 蒸气压缩制冷
三、蒸汽压缩制冷循环流程
单一制冷剂压缩制冷、级联式制冷和混合制冷剂制冷等几种形式。 1.单一制冷剂压缩制冷 （1）单一制冷剂单级压缩制冷 数据是纯丙烷制冷剂 1740
为什么？
49?
108 -40
图3.6单级制冷系统
图3.7 单级冷却、冷凝和加热曲线
2015/12/2
s
s
T P s
（3-8）
T V CP T p
（3-9）
产冷值为绝热焓降ΔH0=H1－H2 积分等熵膨胀效应ΔTS：
Ts T2 T1 s dp
P2
αs>0。即等熵膨胀过程总是产生冷效应。
式中
T dp P1 P1 P s T1、T2—气体等熵膨胀前、后的温度； P1、P2—气体等熵膨胀前、后的压力。
2015/12/2
LNG
3
第一节 气体的节流制冷
一、节流效应
流体节流时，由于压力的变化所引起的温度变化，称为节流效应或焦尔—汤姆 逊效应（简称焦-汤效应，即J-T效应）。 1.微分节流效应: 定义：
αH =
∂ T ∂ P
（3-2）
αH—微分节流效应系数（或焦—汤系数）。
H
1 V T V Cp T P
LNG 7
2015/12/2
第二节 气体作外功的绝热膨胀
一、气体做外功的等熵膨胀过程
透平膨胀机 高压天然气 画图举例！ 做外功 产生冷量
该过程的特点是气体膨胀对外做功其熵值不变。
S1 S 2
2015/12/2
LNG
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第二节 气体作外功的绝热膨胀
1.等熵膨胀效应 等熵膨胀效应：气体进行等熵膨胀时，由于压力的变化引起的温度变化。
天然气液化常采用----节流膨胀制冷、膨胀机绝热膨胀制冷、蒸汽压缩制 冷等三种。
2015/12/2 LNG 2
第一节 气体的节流制冷
节流:
连续流动的高压流体，在绝热且不对外做功的情况下通过节流阀急剧 膨胀到低压的过程。 节流的最终结果是等焓的
H1 H 2
实际节流过程是不可逆过程，过程进行时，熵随之增加。
液化天然气（LNG）技术
第三章 制冷原理和方法
2015/12/2
LNG
1
第三章制冷原理和方法
制取冷量的方法: 气体膨胀制冷和相变制冷两大类。
(1)气体膨胀制冷:
高压力气体
节流阀或膨胀机绝热膨胀
气体降压 降温
获得冷量
(2)相变制冷:
利用某些物质（即制冷剂）在相变时的吸热效应来产生冷量。蒸汽压缩式、 蒸汽喷射式和吸收式。
为了获得较低的制冷温度，采用两种或两种以上工质混合而成的混合制冷剂 制冷循环。
混合制冷剂
部分液化 低温冷剂
图3.11 混合工质单级分凝低温制冷系统
1-压缩机；2-冷凝器；3-储液器；4-冷凝蒸发器；5-储液器；6回热器；7-蒸发器；8、9-节流阀
2015/12/2
LNG
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第三章制冷原理和方法
习 题
时， 时， 时，
αH αH αH
>0节流后温度降低，称为冷效应；
H
V T V T P V T V T P
=0节流后温度不变，称为零效应； <0节流后温度升高，称为热效应。
1 V T V Cp T P
图3.9 三级制冷系统 2015/12/2 LNG 22
第三节 蒸气压缩制冷
4）制冷系统结构比较
随着压缩机增加能耗迅速降低。然而，随着压缩机增加，制冷系统的 安装费用也会升高。最佳的总费用与特定的制冷系统有关而由一系列的经 济参数确定。 表3-2 级数对丙烷制冷系统的影响
级数 1 2 3
制冷负荷，kW
式中
ηi—等熵效率； m—制冷剂的流量； hVD—实际气体压缩后（D点）气体的焓；
压缩机出口流体的焓：
hVD
hVB ) (hVD
压缩功：
i
hVB
(3-20)
BP W / 3600
其中，3600J/h=1kW。
ห้องสมุดไป่ตู้(3-21)
2015/12/2
LNG
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第三节 蒸气压缩制冷
4）过热气体冷凝过程（D-A）
P2
（3-10）
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LNG
9
第二节 气体作外功的绝热膨胀
1.等熵膨胀产冷量
等熵膨胀单位产冷量，即绝热 焓降（ΔHS ），气体等熵膨胀开始 状态的焓（ H1 ）与膨胀终了状态的 焓（H2）之差，即：
对于实际气体，积分等熵膨胀 效应通常用热力学图去查，最方便 的是有关T-S图，如右图所示。
TH T2 T1
P2
P 1
1 CP
V T V dp T P
（3-5）
式中 T1、T2—气体节流前、后的温度； P1、P2—气体气流前、后的压力。
天然气是复杂的气体混合物，目前大多数采用真实气体状态方程式， 利用节流前后焓相等的关系迭代计算得到。
甲烷 乙烷
丙烷 正丁烷 乙烯 丙烯
CH4 CH3CH3
CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 C2H4 C3H6
-161.67 -88.6
-42.12 -0.39 -103.8 -47.6
-182.78 -172.2
-187.1 -135 -168.7 -185
-82.2 32.3
96.8 152.2 9.33 91.1
1.在天然气液化工业中，制冷一般可以采用哪些方式？
2.请解释节流效应？为什么天然气在有压力降低时会产生温降？ 3.请解释气体作外功的绝热膨胀效应，并说明膨胀机制冷工作过程。
4.蒸气压缩制冷制冷的原理是什么？说明它的四个过程。
5.说明蒸气压缩制冷制冷四个过程压力、焓、熵是怎么变化的？。 6.天然气液化工业中常用的制冷剂有哪些？
2015/12/2
LNG
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第三节 蒸气压缩制冷
一、蒸气压缩制冷原理
蒸气压缩制冷是利用液体汽化相变制冷。它包括：节流膨胀、液体冷剂 蒸发、气体冷剂压缩、过热气体冷凝等四个过程。
图3.4 蒸气压缩制冷循环工艺流程
图 3.5 蒸气压缩制冷压力 — 焓（ P-H ）
2015/12/2
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第三节 蒸气压缩制冷
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-40 38 218 Base 511 Base
293
-40 38 176 19.2 469 -8.2
293.
-40 38 167 23.3 462 -9.6
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第三节 蒸气压缩制冷
2015/12/2
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第一节 气体的节流制冷
2.积分节流效应
积分节流效应（ΔTH）：
P2 T P2 TH T2 T1 dp H dp P P 1 P 1 H
（3-4）
H
1 V T V Cp T P
LNG
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第三节 蒸气压缩制冷
（2）单一制冷剂两级制冷系统
用一个两级制冷系统并有级间闪蒸节能器，可节能20%。
-4？
-40？
图3.8 两级制冷系统
2015/12/2 LNG 21
第三节 蒸气压缩制冷
（3）单一制冷剂三级制冷系统
用三级压缩制冷系统与两级系统类似，也可使用闪蒸节能器和级间热 负荷。其节能的程度虽不能与两级同单级之间的差异相比，但其节能量仍 足以证明增加设备是值得的。图3.9为典型的三级丙烷系统。 38？
（3-3）
式中 Cp—气体的定压比热。 对于理想气体，由于PV=RT，则 理想气体节流温度不变。
R V V 由公式（3-3）得α H T p P T
=0，即
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第一节 气体的节流制冷
对于真实气体，有以下三种情况：
V T V T P
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第三节 蒸气压缩制冷
2）液体蒸发过程（B-C）
制冷剂的效率（η）：
X hVB hLB
（hVB hLA )
(3-16)
式中η—制冷剂的效率； hVB—节流膨胀后（B点）气相制冷剂的焓； hLA—节流膨胀前（A点）饱和液相制冷剂的焓。 制冷剂的流量：
m
7.为何单一制冷剂采用多级压缩制冷的效率要比采用单级压缩高？
8.请解释为何要采用级联式和混合冷剂制冷？它们的原理是什么？
气体从同一状态开始膨胀到相同终压，节流膨胀的温降小，等熵膨胀的 温降大，且能回收一部分膨胀功。两种膨胀的差量为V/CP。
因此，在制冷过程中采用气体输出能量的等熵绝热膨胀比采用 节流膨胀好。
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第二节 气体作外功的绝热膨胀
三、膨胀机制冷循环
膨胀制冷循环流程
1-压缩机；2-干燥器；3-冷凝器；4-汽液 分离器；5-膨胀机
气相制冷剂由过热状态降低到露点温度，再由露点温度的气体被冷 凝到饱和液体。 冷凝负荷Qcd： (3-22)
hVB hLA ) (hVD hVB ) m(hVD hLA ) Qcd m （
制冷剂的冷凝压力与所使用的冷却介质（空气、冷却水还是其它制 冷剂）有关。 注意：由于压缩机出口蒸气是过热的，因而制冷剂的冷凝曲线不是一条 直线，它是脱过热和恒温冷却的结合。设计冷凝器必须考虑这一因素。
(3-18)
式中 Wi—理想气体等熵压缩功，kW； m—制冷剂的流量； —理想气体等熵压缩后（D´点）气体的焓； hVD hVB—节流膨胀后（B点）气相制冷剂的焓；
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第三节 蒸气压缩制冷
的值由制冷剂在压力PA时的性质和熵值SC所确定。由于制冷剂不 hVD 是理想的流体，而且制冷的压缩机也不能在理想状态下工作。所以， 实际的压缩功W可由下式得到： (3-19) hVB ) / i m(hVD hVB ) W Wi / i m(hVD
式中
Qref (hVB hLA )
(3-17)
Qref—制冷负荷，kW； m—制冷剂的流量。
LNG 15
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第三节 蒸气压缩制冷
3）气体压缩过程（C-D）
增压的目的是让循环的制冷剂在高压下再一次液化。
理想气体制冷剂从压力PB压缩到PA的等熵压缩功Wi为：
hVB ) Wi m(hVD
等熵膨胀过程的温差
2015/12/2
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第二节 气体作外功的绝热膨胀
二、气体节流与气体作外功的绝热膨胀的比较
H
1 V T V Cp T P
s
T V CP T p
V/CP—为气体对外做功引起的温度降由于V >0，CP>0，则V/CP>0，故αs>αH。
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第三节 蒸气压缩制冷
二、制冷剂
天然气制冷装置中应用最普遍的是 : 丙烷、乙烯、乙烷、甲烷等制冷剂。
表3-1 碳氢化合物制冷剂
制冷剂 代号 制冷剂 名称 化学分子式 标准大气压力下沸点 （℃） 凝固温度（℃） 临界湿度（℃）
R50 R170
R290 R600 R1150 R1270
2.级联式制冷
用单一的中温制冷剂两级压缩获得低温，受到蒸发压力过低的限制；而用 单一的低温制冷剂又受到冷凝压力过高或在超临界区工作的限制。
采用两种制冷剂的级联式制冷循环。其典型流程见图3.10。
为什么？
图3.10 级联式制冷循环流程图
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第三节 蒸气压缩制冷
3.混合制冷剂制冷循环
2015/12/2 LNG 6
第一节 气体的节流制冷
二、节流循环
气体节流降温组成的制冷循环称为节流循环。下图为一种简单的一 次节流循环的Ｔ－Ｓ图。
所吸收的热量（即制冷量）为：
一次节流循环的T-S图
天然气往往具有一定压力，在液化过程中， 只要善于利用气体的压力，就可以组成各种节流 制冷循环，为工艺装置补充冷量。这样，一方面 既不会无谓地将压力能泄放掉，另一方面又不会 因产冷而过多地消耗动力。
1、节流膨胀过程（A-B）
( X )hLB (1 X )hVB hLA
(h hLA ) X VB (hVB hLB )
(1 X ) (hLA hLB ) (hVB hLB )
(3-13)
(3-14)
(3-15)
式中
X—节流膨胀后（B点）制冷剂的液体分率； hLB—节流膨胀后（B点）液相制冷剂的焓； hVB—节流膨胀后（B点）气相制冷剂的焓； hLA—节流膨胀前（A点）饱和液相制冷剂的焓。
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第三节 蒸气压缩制冷
三、蒸汽压缩制冷循环流程
单一制冷剂压缩制冷、级联式制冷和混合制冷剂制冷等几种形式。 1.单一制冷剂压缩制冷 （1）单一制冷剂单级压缩制冷 数据是纯丙烷制冷剂 1740
为什么？
49?
108 -40
图3.6单级制冷系统
图3.7 单级冷却、冷凝和加热曲线
2015/12/2
s
s
T P s
（3-8）
T V CP T p
（3-9）
产冷值为绝热焓降ΔH0=H1－H2 积分等熵膨胀效应ΔTS：
Ts T2 T1 s dp
P2
αs>0。即等熵膨胀过程总是产生冷效应。
式中
T dp P1 P1 P s T1、T2—气体等熵膨胀前、后的温度； P1、P2—气体等熵膨胀前、后的压力。
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第一节 气体的节流制冷
一、节流效应
流体节流时，由于压力的变化所引起的温度变化，称为节流效应或焦尔—汤姆 逊效应（简称焦-汤效应，即J-T效应）。 1.微分节流效应: 定义：
αH =
∂ T ∂ P
（3-2）
αH—微分节流效应系数（或焦—汤系数）。
H
1 V T V Cp T P
LNG 7
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第二节 气体作外功的绝热膨胀
一、气体做外功的等熵膨胀过程
透平膨胀机 高压天然气 画图举例！ 做外功 产生冷量
该过程的特点是气体膨胀对外做功其熵值不变。
S1 S 2
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第二节 气体作外功的绝热膨胀
1.等熵膨胀效应 等熵膨胀效应：气体进行等熵膨胀时，由于压力的变化引起的温度变化。
天然气液化常采用----节流膨胀制冷、膨胀机绝热膨胀制冷、蒸汽压缩制 冷等三种。
2015/12/2 LNG 2
第一节 气体的节流制冷
节流:
连续流动的高压流体，在绝热且不对外做功的情况下通过节流阀急剧 膨胀到低压的过程。 节流的最终结果是等焓的
H1 H 2
实际节流过程是不可逆过程，过程进行时，熵随之增加。
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第三章 制冷原理和方法
2015/12/2
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第三章制冷原理和方法
制取冷量的方法: 气体膨胀制冷和相变制冷两大类。
(1)气体膨胀制冷:
高压力气体
节流阀或膨胀机绝热膨胀
气体降压 降温
获得冷量
(2)相变制冷:
利用某些物质（即制冷剂）在相变时的吸热效应来产生冷量。蒸汽压缩式、 蒸汽喷射式和吸收式。
为了获得较低的制冷温度，采用两种或两种以上工质混合而成的混合制冷剂 制冷循环。
混合制冷剂
部分液化 低温冷剂
图3.11 混合工质单级分凝低温制冷系统
1-压缩机；2-冷凝器；3-储液器；4-冷凝蒸发器；5-储液器；6回热器；7-蒸发器；8、9-节流阀
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第三章制冷原理和方法
习 题
时， 时， 时，
αH αH αH
>0节流后温度降低，称为冷效应；
H
V T V T P V T V T P
=0节流后温度不变，称为零效应； <0节流后温度升高，称为热效应。
1 V T V Cp T P
图3.9 三级制冷系统 2015/12/2 LNG 22
第三节 蒸气压缩制冷
4）制冷系统结构比较
随着压缩机增加能耗迅速降低。然而，随着压缩机增加，制冷系统的 安装费用也会升高。最佳的总费用与特定的制冷系统有关而由一系列的经 济参数确定。 表3-2 级数对丙烷制冷系统的影响
级数 1 2 3
制冷负荷，kW
式中
ηi—等熵效率； m—制冷剂的流量； hVD—实际气体压缩后（D点）气体的焓；
压缩机出口流体的焓：
hVD
hVB ) (hVD
压缩功：
i
hVB
(3-20)
BP W / 3600
其中，3600J/h=1kW。
ห้องสมุดไป่ตู้(3-21)
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第三节 蒸气压缩制冷
4）过热气体冷凝过程（D-A）
P2
（3-10）
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第二节 气体作外功的绝热膨胀
1.等熵膨胀产冷量
等熵膨胀单位产冷量，即绝热 焓降（ΔHS ），气体等熵膨胀开始 状态的焓（ H1 ）与膨胀终了状态的 焓（H2）之差，即：
对于实际气体，积分等熵膨胀 效应通常用热力学图去查，最方便 的是有关T-S图，如右图所示。
TH T2 T1
P2
P 1
1 CP
V T V dp T P
（3-5）
式中 T1、T2—气体节流前、后的温度； P1、P2—气体气流前、后的压力。
天然气是复杂的气体混合物，目前大多数采用真实气体状态方程式， 利用节流前后焓相等的关系迭代计算得到。
甲烷 乙烷
丙烷 正丁烷 乙烯 丙烯
CH4 CH3CH3
CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 C2H4 C3H6
-161.67 -88.6
-42.12 -0.39 -103.8 -47.6
-182.78 -172.2
-187.1 -135 -168.7 -185
-82.2 32.3
96.8 152.2 9.33 91.1
1.在天然气液化工业中，制冷一般可以采用哪些方式？
2.请解释节流效应？为什么天然气在有压力降低时会产生温降？ 3.请解释气体作外功的绝热膨胀效应，并说明膨胀机制冷工作过程。
4.蒸气压缩制冷制冷的原理是什么？说明它的四个过程。
5.说明蒸气压缩制冷制冷四个过程压力、焓、熵是怎么变化的？。 6.天然气液化工业中常用的制冷剂有哪些？
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第三节 蒸气压缩制冷
一、蒸气压缩制冷原理
蒸气压缩制冷是利用液体汽化相变制冷。它包括：节流膨胀、液体冷剂 蒸发、气体冷剂压缩、过热气体冷凝等四个过程。
图3.4 蒸气压缩制冷循环工艺流程
图 3.5 蒸气压缩制冷压力 — 焓（ P-H ）
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第三节 蒸气压缩制冷