气体液化

空气、氧、氮与氩的初态参数p1＝105Pa，T1=303K 氢、氦、氖、甲烷的初态参数p1＝101.3kPa，T1=303K
气体液化循环的性能指标
• 单位能耗w0
w w0 = Z
kJ / kg液化气体
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w——加工1kg气体所耗的功（kJ/kg加工气体） Z——液化系数，表示加工1kg气体所获得的液体 量（kg/kg加工气体）
一次节流液化循环性能分析
1. 高压p2
T = 303 K p1= 98 kPa Σq＝1 1.5 kJ/kg 加工空气 ηT= 0.59
p2
－ΔhT
Zpr
εpr
ηcy
单位能耗w0,pr 只有当高压达到一定值时，才能获得液化气体
2. 初压p1对循环性能的影响 （T＝293K , p2 = 19.6MPa )
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。
对1kg气体的实际压缩功
ηT
ηT
实际单位能耗
循环实际制冷系数
w0, pr =
w pr Z pr q0, pr w pr
(h1' − h0 ) RT ln p 2 / p1 = ηT (− ΔhT − Σq ) =
ε pr =
η T (− ΔhT − Σq )
RT ln p 2 / p1
T ( s1' − s0 ) − (h1' − h0 ) ε pr η 循环效率 η cy = ε cy = ε pr h1' − h0 th q0 h1' − h0 理论液化循环 ε th = = 的性能系数 wmin T ( s1' − s0 ) − (h1' − h0 )
一次节流液化实际循环分析
不完全热交换损失q2 kJ／kg加工空气
由温差确定。通常假定返流空气在T1'与T1之间 的比热是定值。
q2 = (1 − Z pr )C p1 (T1' − T1 )
跑冷损失q3
kJ／kg加工空气
其值与装置的容量、绝热情况及环境温度有关 压缩机的不可逆损失，由压缩机的效率予以考虑
循环的实际单位制冷量 q0, pr = Z ;r (h1' − h0 ) = − ΔhT − Σq (kJ / kg加工空气)
实际循环的液化系数及制冷量的大小取决于 等温节流效应与Σq的差值。
一次节流液化实际循环分析 压缩机 压缩机的等温效率ηT
w pr = wT = RT ln p 2 / p1
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
第二章 气体液化循环
2.1 概述
• 冷却、液化 困难 只有当气态物质的温度降低到其临界温 度以下才能液化。所有的低温工质的临 界温度远比环境温度低，要使这些气体 液化，必须应用人工制冷的方法。 气体液化循环由一系列热力过程组成，其作 用在于使气态工质冷却到所需的低温，并补 偿系统的冷损，以获得液化气体（或称低温 液体）。
p2
1
p1
T2
0
p1 3
wmin = T1 ( s1 − s2 ) − (h1 − h0 )
s2=s0
s3
s1
s
气体液化理论循环
wmin = T1 ( s1 − s 2 ) − (h1 − h0 )
气体液化的理论最小功仅 与气体的性质及初、终态 有关。 对于不同气体，液化所需 的理论最小功不同。
T T1 2 p2 1 p1
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
⎛ ∂v ⎞ T⎜ ⎟ −v = 0 ⎝ ∂T ⎠ p
转化曲线方程
对于空气， 若T＝303K，p1＝98kPa 则p2≈43MPa时Z最大。
− ΔhT Z= h1' − h0
最大？
⎡ ∂ (ΔhT ) ⎤ ⎢ ∂p ⎥ = 0 ⎣ ⎦T
⎡ ∂ (ΔhT ) ⎤ ⎢ ∂p ⎥ = 0 时液化系数最大 ⎣ ⎦T
⎡ ⎛ ∂v ⎞ ⎤ 热力学微分关系式 dhT = − ⎢T ⎜ ⎟ − v ⎥ dp ⎢ ⎝ ∂T ⎠ p ⎥ ⎣ ⎦ ΔhT = ∫
一次节流液化循环
一次节流液化循环逐渐冷却过程（起动过程 ）
1’
一次节流理论循环的液化量
取热力系统：换热器III、节流阀 IV与气液分离器V 根据系统热量平衡式 1 × h2 = Zh0 + (1 − Z )h1'
得
h1' − h2 Z= h1' − h0
(kg / kg加工空气)
h1' − h2 = －ΔhT 温度为T的高压空气由p2节
T2 0 p1 3
s2=s0
s3
s1
s
几种气体液化理论最小功
气体 空气 氧 氮 氩 氢 氦 氖 甲烷 h1-h0 kJ/kg 427.7 407.1 433.1 273.6 3980 1562 371.2 915 最小理论功wmin kJ/kg 741.7 638.4 769.6 478.5 11900 6850 1331 1110
流到p1时的等温节流效应
− ΔhT Z= h1' − h0
(kg / kg加工空气)
循环的单位制冷量
Zkg液态空气回复到初态温度T1'时吸收的热量
q0 = Z (h1' − h0 ) = h1' − h2 = −ΔhT
(kJ / kg加工空气)
一次节流循环的理论制冷量在数值上等于高 压空气的等温节流效应
2.2 空气节流液化循环
空气、氧和氮的液化循环基本类型
• 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。
一、一次节流液化循环流程图及 T－s 图
•
性能系数，制冷系数
性能系数为液化气体复热时的单位制冷量q0与所 消耗单位功w之比
q0 ε = w
Z (h1 − h0 ) ε＝ w
每加工1 kg气体得到的液化气体量为Z kg，故单 位制冷量可表示为
q0 = Z (h1 − h0 )
kJ / kg加工气体
循环效率（或称热力完善度）
• 实际循环的效率同理论循环效率之比 • 度量实际循环的不可逆性和作为评价有关损失的方法 • 循环效率定义为实际循环的性能系数（εpr）与理论
• • • • 循环所耗的功等于压缩功与膨胀功的差值 压缩可逆，过程1－2消耗的功最小 膨胀可逆，过程2－0所作的功最大 可逆气体液化过程所需消耗的功最小，即为理论最小功
wmin = wco − we
热一律 w＝q－Δh wco＝T1(s2－s1)－(h2－h1) we＝－(h0－h2)
T T1 2
循环的性能系数（εth）之比
ε pr wmin η cy = η cy = (q0 / w pr ) / (q0 / wmin ) = w pr ε th
ηcy总是小于1。ηcy值越接近于1，说明实际循环的不可
逆性越小，经济性越好。 实际循环与理论循环的制冷量相等，循环效率可表示为 理论循环所需的最小功与实际循环所消耗的功之比。
节流循环的ε－p1－p2关系图
• 对应于每个p1值，有 一个相应的最大理论制 冷系数εmax及p2值 • 当p2一定，p1越高， ε越大 • 最佳的p1值尽可能高 甚至接近p2，这样ε也将 达到最佳值。 适当地提高p1以减少循环 压力范围可以提高理论 制冷系数。
T＝288K
3. 换热器热端温度T和的-ΔhT关系
气体液化理论循环
• 任何气体液化循环是熵减过程,必需消耗能量 • 气体液化的理论循环是指由可逆过程组成的循环 • 采用理论循环使气体液化所需消耗的功最小，即理论最小功
T T1 2 p2 1 p1 T T1 2 p2 1 p1
T2
0
p1
3
T2
0
p1
3
s2=s0
s3
s1
s
s2=s0
s3
s1
s
气体液化理论最小功
制冷循环与液化循环
• 在制冷循环中制冷工质进行的是封闭循环过程 A refrigerator operates as a closed loop, constantly circulating the same working fluid, or refrigerant. • 对液化循环来说，气态低温工质在循环过程中 既起制冷剂的作用，本身又被液化，部分或全 部地作为液态产品从低温装置中输出，应用于 需要保持低温的过程（如在低温试验中作为冷却 剂）或用来进行气体分离过程（如液态空气分离 为氧、氮等）。气体液化循环是开式循环。 A liquefier is an open system. A liquid product is removed, and an equivalent make-up stream must be added.
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。
p2≈（20～22）MPa， 因为压力过高使设备费 用增加，而装置的制冷 量增加比较小。
一次节流液化实际循环
实际的一次节流循环存在许多不可逆损失： • 压缩机中工作过程的不可逆损失 • 换热器中不完全热交换的损失，即返流气体只能 复热到T1 • 环境介质传热给低温设备引起的冷量损失，也称 跑冷损失 由于这些损失的存在，使循环的液化系数减小， 效率降低。