化工熱力學(xué)制冷

1、化工熱力學(xué)制冷1第1頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán) 6.1 蒸汽動(dòng)力循環(huán) 6.2 氣體的壓縮 6.3 膨脹過程 6.4制冷循環(huán) 6.5 深度冷凍循環(huán) 第2頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)6.4.2 吸收制冷循環(huán)6.4.3 熱泵及其應(yīng)用 第3頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二173K稱為普通冷凍簡稱普冷，把TL173K稱為深度冷凍簡稱深冷。第8頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)1. 逆卡諾循環(huán)-理想的

2、可逆制冷循環(huán)冷 凝 器 蒸 發(fā) 器壓縮機(jī)膨脹機(jī)121234THTL0S4S1QH3Q04第9頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán) 循環(huán)過程： 1-2：絕熱可逆壓縮，P1-P2，TL-TH，消耗外功，等熵過程； 2-3：等溫可逆放熱過程； 3-4：絕熱可逆膨脹， P2-P1，TH-TL ，對(duì)外作功，等熵過程； 4-6：等溫可逆吸熱過程。第10頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán) 循環(huán)過程的制冷系數(shù)第11頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.

3、1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)1234THTL0S4S1第12頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán) 討論：第13頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二冷凝、冷卻器蒸發(fā)器壓縮機(jī)節(jié)流閥12543TS54123(飽和l)(濕蒸汽)(飽和g)(飽和g)等焓線等壓線過熱蒸氣6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)第14頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)2. 單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán) 循環(huán)的構(gòu)成冷 凝 器蒸 發(fā) 器壓縮機(jī)節(jié)流閥12Q0QH34T0S1234P1P2第15頁，共56頁

4、，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)3-4：飽和液體的節(jié)流膨脹過程，為等焓過程。其余同逆卡諾循環(huán)。 制冷系數(shù) 裝置的制冷能力：功耗：第16頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)制冷機(jī)所消耗的理論功率制冷系數(shù) 制冷劑的選擇： 蒸發(fā)潛熱要大；蒸發(fā)壓力要低且相應(yīng)的飽和蒸汽壓大于大氣壓力，常溫下冷凝壓力要低；較高的臨界溫度和較低的凝固溫度；較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性。第17頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán) 6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán) 常用的制冷劑有：氨、氟氯烴、二氧化碳

5、、乙烷、乙烯等。 注意：1987年蒙特利爾會(huì)議上，起草制訂保護(hù)臭氧層的協(xié)議，提出限定五種氟氯烴的生產(chǎn)。即氟氯烴的書寫：氟氯烴的商品名稱符號(hào)書寫：第18頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)多級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán) 為了獲得較低的低溫，壓縮比較大時(shí)。如氨蒸發(fā)溫度248-208K時(shí)，采用兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)，低于208K時(shí)采用三級(jí)。 以兩級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)為例第19頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)低壓蒸發(fā)器水冷器中間冷卻器中壓蒸發(fā)器低壓氣缸高壓氣缸高壓冷卻器節(jié)流閥節(jié)流閥12234578

6、T0S122345678P1P2P26第20頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)4. 復(fù)迭式壓縮制冷循環(huán) 若蒸發(fā)壓力過低或制冷劑凝固溫度的限制，不可能獲得更低的低溫，可采用復(fù)迭時(shí)制冷循環(huán)。為多個(gè)單級(jí)壓縮制冷循環(huán)的串聯(lián)操作。如石油裂解分離中廣泛采用的氨-乙烯復(fù)迭式制冷，乙烯在蒸發(fā)器中可提供-1000C的低溫。第21頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)6.4.2 吸收制冷循環(huán)6.4.3 熱泵及其應(yīng)用 第22頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán) 6.

7、4.2 吸收制冷循環(huán) 消耗熱能，利用二元溶液中各組分蒸汽壓不同來實(shí)現(xiàn)制冷的。即使用在一定壓力下各組分的揮發(fā)性（或蒸汽壓）不同的溶液為工質(zhì)，以揮發(fā)性大（蒸汽壓大）的組分為制冷劑，而揮發(fā)性小的組分為吸收劑。 工質(zhì)：二元溶液，如氨-水(-660C- -460C)、水-溴化鋰(0-60C)溶液等。第23頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán) 6.4.2 吸收制冷循環(huán) 冷 凝 器蒸 發(fā) 器壓縮機(jī)節(jié)流閥12Q0QH34吸收器換熱器解吸器泵冷 凝 器節(jié)流閥蒸 發(fā) 器1冷卻水Q0Q冷卻水234QH第24頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.2

8、 吸收制冷循環(huán) 吸收制冷裝置的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)用熱能利用系數(shù)表示 氨-水吸收制冷循環(huán)壓力：再生器壓力由冷凝器中氨冷凝溫度決定，吸收器壓力由蒸發(fā)器液氨蒸發(fā)壓力決定；溫度：再生和吸收溫度分別由熱源和冷卻水溫度決定。即分別由其他給定條件決定，因此濃、稀氨水的濃度不能隨意變動(dòng)。 優(yōu)點(diǎn)：直接利用熱能，且品位較低。第25頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二吸收器換熱器解吸器泵冷 凝 器節(jié)流閥蒸 發(fā) 器1冷卻水Q0Q冷卻水234QH6.4制冷循環(huán)6.4.2 吸收制冷循環(huán) 第26頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 吸收制冷裝置的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)用熱能利用系數(shù)表示 如：氨-水吸收制

9、冷循環(huán)中壓力：再生器壓力由冷凝器中氨冷凝溫度決定，吸收器壓力由蒸發(fā)器液氨蒸發(fā)壓力決定；溫度：再生和吸收溫度分別由熱源和冷卻水溫度決定。即分別由其他給定條件決定，因此濃、稀氨水的濃度不能隨意變動(dòng)。 優(yōu)點(diǎn)：直接利用熱能，且品位較低。6.4制冷循環(huán)6.4.2 吸收制冷循環(huán) 第27頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)6.4.2 吸收制冷循環(huán)6.4.3 熱泵及其應(yīng)用 第28頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.4制冷循環(huán)6.4.3 熱泵及其應(yīng)用 熱泵：消耗機(jī)械功，完成熱能從低溫區(qū)傳向高溫區(qū)并維持高于環(huán)境溫度的裝置。 工作原理

10、：同蒸汽壓縮制冷循環(huán)過程。 不同點(diǎn)：工作目的與操作的溫度范圍。 應(yīng)用：工業(yè)上用于廢熱回收，家用空調(diào)等。 性能指標(biāo)：供熱系數(shù)HP第29頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán) 6.1 蒸汽動(dòng)力循環(huán) 6.2 氣體的壓縮 6.3 膨脹過程 6.4制冷循環(huán) 6.5 深度冷凍循環(huán) 第30頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 深度冷凍循環(huán)的目的就是獲得低溫度液體，由純物質(zhì)的P-T相圖知：當(dāng)氣體溫度高于其臨界溫度時(shí)，無論加多大的壓力都不能使其液化，因此，氣體的臨界溫度越低，所需的液化溫度也越低。為了使這些難液化的氣體液化，必須設(shè)法將其溫度降低到臨界溫

11、度以下，這就需要深度冷凍。利用一次節(jié)流膨脹液化氣體是最簡單的氣體液化循環(huán)。1896年德國工程師Linde首先應(yīng)用此法液化空氣，故稱為簡單的林德循環(huán) 6.5 深度冷凍循環(huán) 第31頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.5 深度冷凍循環(huán) 流體P熔化曲線固相 汽 化 曲線三相點(diǎn)升華曲線液相ABCT0 圖2-2 純流體的P-T圖TC123PC氣相VVc汽相第32頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.5 深度冷凍循環(huán) 林德循環(huán)（Linde Cycle） 工作原理和T-S圖 此系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷卻器、換熱器、節(jié)流閥與氣液分離器組成 第33頁，共56頁，2022年，5月2

12、0日，1點(diǎn)4分，星期二林德循環(huán)（LindeCycle） 1-2 常溫T1、常壓P1的氣體經(jīng)過壓縮至高壓P2（由于壓縮比很大，實(shí)際上是多級(jí)壓縮組成的，可視為等溫壓縮），高壓氣體經(jīng)冷卻器冷至常溫T1（2）。2-3 經(jīng)換熱器冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟龋c(diǎn)3）。3-4 經(jīng)節(jié)流閥膨脹變?yōu)閴毫镻1的氣液混合物(4)4-5 送入氣液分離器，飽和液體(0)沉降于分離器底部，未液化的氣體（點(diǎn)5）送入熱交換器與點(diǎn)2的高壓氣體換熱，自身溫度回升返回到壓縮機(jī)。 6.5 深度冷凍循環(huán) 第34頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二林德循環(huán)（LindeCycle） 深冷與普冷是有區(qū)別的。主要表現(xiàn)在： 普冷：兩個(gè)封閉

13、式循環(huán)，制冷循環(huán)與被冷物系是兩種物質(zhì)，是封閉循環(huán)。 深冷：制冷循環(huán)與分離、液化物質(zhì)是同一 種物質(zhì)，且是不封閉循環(huán) 6.5 深度冷凍循環(huán) 第35頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二林德循環(huán)（LindeCycle） 熱力學(xué)計(jì)算（以處理1Kg氣體為基準(zhǔn)） 林德循環(huán)的基本計(jì)算主要是液化量、耗功量和制冷量 。 氣體液化量（液化率）x 定義：液化率就是1Kg被處理的氣體所能產(chǎn)生的液體Kg數(shù) 6.5 深度冷凍循環(huán) 第36頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 林德循環(huán)（LindeCycle） 6.5 深度冷凍循環(huán) 取換熱器、節(jié)流閥、氣液分離器為研究體系 第37頁，共56頁，

14、2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 由熱力學(xué)第一定律 林德循環(huán)（LindeCycle） 6.5 深度冷凍循環(huán) 第38頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 這是理論液化量，實(shí)際中由于考慮到換熱器的不完全換熱，造成的損失稱為溫度損失Q2；以及系統(tǒng)保溫不良造成的冷量損失Q3，所以較理論量少。實(shí)際液化量為 林德循環(huán)（LindeCycle） 6.5 深度冷凍循環(huán) 第39頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 林德循環(huán)（LindeCycle） 6.5 深度冷凍循環(huán) 制冷量 在穩(wěn)定操作下，液化xKg氣體所取走的熱量 理論制冷量實(shí)際制冷量第40頁，共56頁，2022年，

15、5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 功耗 液化循環(huán)裝置的功量消耗是用于對(duì)氣體的壓縮。如果按理想氣體的可逆等溫壓縮考慮，對(duì)體系所作軸功為 T壓縮機(jī)的等溫壓縮效率，一般按經(jīng)驗(yàn)可取 0.59. 林德循環(huán)（Linde Cycle） 6.5 深度冷凍循環(huán) 比功: 每液化1Kg的氣體所消耗的功稱為比功(耗)第41頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 制冷系數(shù) 一次節(jié)流液化循環(huán)比較簡單，但效率很低。目前只有小型氣體分離，液化裝置如小型空分裝置還有使用. 林德循環(huán)（LindeCycle） 6.5 深度冷凍循環(huán) 第42頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 在簡單的林德循環(huán)中，由于高

16、壓氣體的相對(duì)量大和熱容大，用未冷凝的低壓氣體無法將其冷卻到足夠的低溫，克勞德循環(huán)通過增設(shè)一臺(tái)膨脹機(jī)來解決這一矛盾 6.5 深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（Claude Cycle ） 第43頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二1）工作原理和T-S圖 6.5 深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（Claude Cycle ） 123 1-M456789x換熱器。節(jié)流閥汽液分離器膨脹機(jī)壓縮機(jī)12679843T0S第44頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.5 深度冷凍循環(huán) 克勞德循環(huán)（Claude Cycle ） 高壓氣體經(jīng)冷卻器和第一換熱器冷卻后（3點(diǎn)），一部分經(jīng)第二、第三換熱器

17、冷卻到節(jié)流膨脹所需的低溫（6點(diǎn)），另一部分送進(jìn)膨脹機(jī)作功，膨脹后的低溫氣體（4點(diǎn)）與第三換熱器來的低壓氣體合并，送入第二換熱器作冷卻介質(zhì)用。采用這一措施，減少了高壓氣體的量，增加了作為冷卻介質(zhì)的低壓氣體的量，因而可將高壓氣體冷卻到更低的溫度，從而提高了液化率，同時(shí)還可以回收一部分有用功。但要注意，高壓氣體進(jìn)膨脹機(jī)的狀態(tài)要慎重選定，保證膨脹后不產(chǎn)生液體，以防引起破壞性震動(dòng)。 第45頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二克勞德循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在： 減少了高壓氣體量，增加了作為冷卻介質(zhì)的低壓氣體量，增加了冷凍量； 提高了液化率； 回收了部分功。 6.5 深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（Cl

18、aude Cycle ） 第46頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二 2）熱力學(xué)計(jì)算 液化量x： 以圖中虛線作為研究體系 6.5 深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（Claude Cycle ） T0S126798434123 1-M456789x換熱器。節(jié)流閥汽液分離器膨脹機(jī)壓縮機(jī)第47頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.5 深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（Claude Cycle ） 若考慮不完全熱交換損失Q2和系統(tǒng)的冷損失Q3，實(shí)際的液化量為123 1-M456789x換熱器。節(jié)流閥汽液分離器膨脹機(jī)壓縮機(jī)第48頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.

19、5 深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（Claude Cycle ） 第49頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.5 深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（Claude Cycle ） 制冷量Q0 理論制冷量： 實(shí)際制冷量： 與林德循環(huán)相比較，制冷量多出第50頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二6.5 深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（Claude Cycle ） 功耗WS 在理想情況下：壓縮為等溫過程，氣體在膨脹機(jī)中的膨脹過程是等熵過程，在圖中用3-4線表示。實(shí)際上由于各種損失使它偏離等熵過程，而是有熵增的過程，在圖中用線3-4表示 T0S126798434第51頁，共56頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)4分，星期二功耗WS 在理想情況下：壓縮為等溫過程，氣體在膨脹機(jī)中的膨脹過程是等熵過程，在圖中用3-4線表示。實(shí)際上由于各種損失使它偏離等熵過程，而是有熵增的過程，在圖中用線3-4表示 6.5 深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（Claude Cycl