氣體液化三大基本循環(huán)比較

1、氣體液化基本循環(huán)我們知道，只有當氣態(tài)物質溫度降低到其臨界溫度以下才能液化。所有低溫工質的臨界溫度遠比環(huán)境低，要使這些氣體液化，必須應用人工制冷的方法制造低溫。氣體液化循環(huán)由一系列的熱力過程組成，起作用就在于使氣態(tài)工質冷卻到液化所需的低溫，并補償系統(tǒng)的冷量損失，從而獲得液化氣體。氣體液化循環(huán)是開式循環(huán)，氣態(tài)低溫工質（如空分行業(yè)中的空氣）在循環(huán)過程中既起制冷劑的作用，本身又被液化，部分或全部作為液態(tài)產(chǎn)品從低溫裝置中輸出。任何氣體液化循環(huán)都是利用低溫工質進行狀態(tài)循環(huán)變化過程，通過它的作用使氣體在低溫時放出的熱量轉移到環(huán)境介質中去。這一過程是非自發(fā)的，必須消耗一定的能量?？諝庖夯h(huán)有四種基本類型：節(jié)

2、流液化循環(huán)、帶膨脹機的液化循環(huán)、利用氣體制冷劑的液化循環(huán)及復疊式液化循環(huán)。前兩種液化循環(huán)目前應用最為廣泛，這里也主要介紹這兩種循環(huán)。林德循環(huán)理論循環(huán)基本原理節(jié)流液化循環(huán)是低溫技術中最常用的循環(huán)之一。由于節(jié)流液化循環(huán)裝置結構簡單，且運轉可靠，這就在一定程度上抵消了節(jié)流膨脹過程不可逆損失大帶來的缺點。1985年德國林德和英國漢普孫分別獨立提出了一次節(jié)流液化循環(huán)，因此也常稱之為簡單林德（或漢普孫）循環(huán)。林德循環(huán)系統(tǒng)由制冷壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四大部件構成。四大件由聯(lián)接管道串聯(lián)成一個閉合循環(huán)系統(tǒng)，內注制冷工質。圖1林德循環(huán)T-s圖及循環(huán)流程圖如圖1所示，常溫、常壓（p）下的空氣（點1），經(jīng)壓縮

3、機1A壓縮至高壓p2,溫度升高,并經(jīng)由冷卻器B等壓冷卻至常溫T（點2）。上述過程可近似認為壓縮與冷卻兩過程同時進行，是一個等溫壓縮壓縮過程。此后，高壓空氣在換熱器C中被節(jié)流后的返流空氣（5點）冷卻至溫度T3（3點），這是等壓冷卻過程。然后高壓空氣（p）經(jīng)2節(jié)流閥節(jié)流閥節(jié)流膨脹至常壓p，節(jié)流過程會使空氣溫度降低，降低1到p壓力下的飽和溫度，同時有部分空氣液化。節(jié)流后產(chǎn)生的液體空1氣從氣液分離器D導出作為產(chǎn)品，而氣體部分引出返流經(jīng)換熱器C，來冷卻節(jié)流前的高壓空氣，在理想情況下自身被加熱至常溫T（點1）。實際循環(huán)實際的一次節(jié)流液化循環(huán)同理論循環(huán)相比存在不可逆損失，主要有：（1）壓縮機工作過程中的不可

4、逆損失；（2）換熱器中不完全熱交換的損失；（3）環(huán)境介質傳熱給低溫設備引起的冷量損失，也稱為跑冷損失。由于這些損失使循環(huán)的液化系數(shù)（lkg空氣液化得到的液化氣體量）減小，效率降低。循環(huán)性能指標的影響因素計算表明（此處從略）：隨高壓p2增大，液化系數(shù)增大，效率提高，并且只有當高壓達到一定值時才能得到液化氣體，液空的積累才有可能。當然高壓提高對壓縮機要求提高，成本提高。另外，降低換熱器端高壓空氣（點2處）的溫度可以提高循環(huán)的經(jīng)濟性，為此除了利用節(jié)流后的低壓返流空氣外，還可以采用外部冷源預冷，以降低進換熱器的高壓空氣的溫度，如采用氨或氟利昂制冷機組進行預冷。采用預冷之所以獲得較高的效率，主要是因為減

5、少了換熱器內高、低壓空氣的溫差，使傳熱過程的不可逆損失減少，從而提高了循環(huán)的效率?？藙谔匮h(huán)循環(huán)基本原理在絕熱條件下，壓縮空氣進入膨脹機膨脹對外作功，可獲得大的溫降和冷量。采用氣體輸出外功絕熱膨脹的循環(huán)，目前在氣體液化和分離設備中應用較為廣泛。1902年法國克勞特首先實現(xiàn)了帶有活塞式膨脹機的空氣液化循環(huán)，其流程圖如圖2。T5m0PCCi11AID圖2克勞特液化循環(huán)流程圖及T-s圖空氣經(jīng)壓縮機等溫壓縮到高壓p（點2）,然后經(jīng)換熱器I冷卻2至T（點3）后分成兩部分：一部分空氣進入膨脹機E膨脹到常壓p31（點4）,溫度降低并對外作功,二膨脹后氣體與返流氣體匯合流入換熱器II、I以預冷高壓空氣；另一部

6、分空氣經(jīng)換熱器II、III冷卻至溫度T后,經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流到p（點6）,獲得部分液體,其余的未液51化的飽和蒸汽經(jīng)各換熱器冷卻高壓空氣。在理想情況下,氣體膨脹機中的膨脹過程是等熵過程（圖中3-4s線）；實際上由于氣體在膨脹機中流動存在各種能量損失；外界熱量也不可避免的要傳入,因此膨脹機的實際膨脹過程有熵增（圖中3-4）。衡量氣體在膨脹機中的實際膨脹過程偏離等熵過程的尺度,稱為膨脹機的絕熱效率,它可以用膨脹氣體的實際焓降與等熵膨脹焓降之比來表示即：（h-h）/（h-h）。絕熱效率越接近于1表明膨脹過s434s程越近絕熱膨脹，能量損失越小?？藙谔匮h(huán)比一次節(jié)流循環(huán)的實際液化系數(shù)和單位制冷量大。在克勞特

7、循環(huán)中，制冷量主要由膨脹機產(chǎn)生，其次為節(jié)流閥等溫節(jié)流效應產(chǎn)生。循環(huán)性能指標與主要參數(shù)的關系如果p與T不變，增大膨脹量V，膨脹機產(chǎn)冷量隨之增大，循23e環(huán)制冷量及液化系數(shù)相應增加。但膨脹量太大的話，去節(jié)流閥的氣流量就會太少，會導致冷量過剩，使換熱器II偏離正常工作狀況。若單獨提高高壓p，等溫節(jié)流效應和膨脹機的單位制冷量均增2大，液化系數(shù)增加。但過分增大P，會造成冷量過剩，冷損增大，并2因冷量被浪費而是能耗曾加。若單獨提高膨脹前溫度T3膨脹機焓降即單位制冷量增大膨脹后氣體的溫度（T）也升高，節(jié)流后的高壓空氣處換熱器II的溫度（T）43和T有關，若T太高膨脹機產(chǎn)生的較多冷量不能全部傳給高壓空氣，43

8、導致冷損增大，甚至破壞換熱器的正常工作。實際循環(huán)中以上三個參數(shù)是相互制約的關系，需要同時考慮三個參數(shù)，才能得到最佳值。實際循環(huán)中最佳膨脹量的確定，對于整個空分系統(tǒng)的優(yōu)化是很重要的?？藙谔匮h(huán)的特點與應用克勞特循環(huán)制冷量大，單位能耗低，廣泛應用于中、小型空分裝置，一般壓力范圍為（1.54.0）x103kp，采用活塞式或透平膨脹機,a如國產(chǎn)KFS-300型、KFS-860型、KFZT800型空分裝置等?？ㄆげ檠h(huán)1循環(huán)基本原理1937年蘇聯(lián)的卡皮查實現(xiàn)了帶有高效率透平膨脹機的低壓液化循環(huán)，即卡皮查循環(huán)。卡皮查循環(huán)也是克勞特循環(huán)的一種特殊情況。其流程及T-s圖見圖3。圖3卡皮查液化循環(huán)流程與T-s圖

9、膨脹機分為活塞式膨脹機和透平膨脹機，透平膨脹機利用一定氣體壓力在其中絕熱膨脹對外做功，自身強烈地冷卻而達到制冷的目的，同時其輸出的能量由同軸的壓縮機獲風機回收。如圖3，空氣在透平壓縮機中等溫壓縮到500600kPa,經(jīng)換熱器I冷卻到T3（點3）后分為兩部分，大部分空氣進透平膨脹機E膨脹到100kPa，溫度降到T4（點4）,而后進入冷凝器C的管內并輸出冷量，使由膨脹機前引入冷凝器管間的小部分壓力為500600kPa的空氣液化（點5）。冷凝液經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流到100kPa，節(jié)流后產(chǎn)生的液體作為產(chǎn)品放出，其余的飽和蒸汽膨脹機出來的冷空氣混合，經(jīng)冷凝器和換熱器I回收冷量后排出?，F(xiàn)代低壓空分設備多采用帶增壓

10、的透平膨脹機。其一端帶動增壓壓縮機，將供給膨脹機的壓縮空氣進一步提高壓力，然后再熱交換器內降溫后再供給膨脹機膨脹。這樣產(chǎn)生相同的制冷量時，所需膨脹空氣量減少，同時降低膨脹后氣體的過熱度減小對上塔精餾的影響，主冷卻器熱負荷增加利于提高精餾效率，冷量調節(jié)能力大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。2循環(huán)特點與應用卡皮查循環(huán)采用的壓力較低，其等溫節(jié)流效應與膨脹機絕熱焓降均較小，循環(huán)的液化系數(shù)不可能超過5.8%，卡皮查循環(huán)之所以能夠實現(xiàn)，主要是采用了絕熱效率高的透平膨脹機和效率高的蓄冷器（或可逆式換熱器）進行換熱并同時采用雜質氣體自清除原理清除空氣中的水分和二氧化碳?？ㄆげ檠h(huán)流程簡單，由于采用透平機械，單位能耗小，金屬耗量及投資降低，操作簡單，廣泛應用于大、中型空分裝置?？偨Y以上介紹的只是液化循環(huán)中最基本的循環(huán)，空氣、氧和氮液化循環(huán)還有其它型式，如有預冷的一次節(jié)流液化循環(huán)二次節(jié)流液化循環(huán)，氣體兩級膨脹循環(huán)，膨脹機并聯(lián)循環(huán)等，但