化工熱力學(xué)制冷

化工熱力學(xué)制冷1第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)

6.1蒸汽動力循環(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，2023年，2月20日，星期一6.4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，2023年，2月20日，星期一<Tlow

保持

－100℃

普通制冷

深冷

制冷第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一氣體液化制冷低溫反應(yīng)食品儲存結(jié)晶分離潤滑油凈化氣溫調(diào)節(jié)第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一Q代價

(W)自發(fā)OK!!制冷的實質(zhì)：利用外功將熱持續(xù)的從低溫物體傳給高溫環(huán)境介質(zhì)第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一消耗外功型消耗內(nèi)能型制冷蒸氣壓縮制冷空氣壓縮制冷蒸汽噴射制冷吸收制冷第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4制冷循環(huán)6.4.1蒸汽壓縮制冷循環(huán)

制冷，即根據(jù)熱力學(xué)第二定律的原理，消耗功把熱量自低溫物體移向高溫物體并保持低溫的過程。工程上習(xí)慣把TL>173K稱為普通冷凍簡稱普冷，把TL<173K稱為深度冷凍簡稱深冷。第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4制冷循環(huán)6.4.1蒸汽壓縮制冷循環(huán)1.逆卡諾循環(huán)-理想的可逆制冷循環(huán)冷凝器蒸發(fā)器壓縮機膨脹機121234THTL0S4S1QH3Q04第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4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，對外作功，等熵過程；

4-6：等溫可逆吸熱過程。第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4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)ε第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4制冷循環(huán)6.4.1蒸汽壓縮制冷循環(huán)1234THTL0S4S1第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4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，2023年，2月20日，星期一冷凝、冷卻器蒸發(fā)器壓縮機節(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，2023年，2月20日，星期一6.4制冷循環(huán)6.4.1蒸汽壓縮制冷循環(huán)2.單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)循環(huán)的構(gòu)成冷凝器蒸發(fā)器壓縮機節(jié)流閥12Q0QH34T0S1234P1P2第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4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)ε

裝置的制冷能力：功耗：第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4制冷循環(huán)6.4.1蒸汽壓縮制冷循環(huán)制冷機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；較強的化學(xué)穩(wěn)定性。第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4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、乙烷、乙烯等。注意：1987年蒙特利爾會議上，起草制訂保護臭氧層的協(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書寫：第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4制冷循環(huán)6.4.1蒸汽壓縮制冷循環(huán)多級蒸汽壓縮制冷循環(huán)為了獲得較低的低溫，壓縮比較大時。如氨蒸發(fā)溫度248-208K時，采用兩級壓縮制冷循環(huán)，低于208K時采用三級。以兩級蒸汽壓縮制冷循環(huán)為例第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4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122’34578T0S122’345678P1P2’P26第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.4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)迭時制冷循環(huán)。為多個單級壓縮制冷循環(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，2023年，2月20日，星期一6.4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，2023年，2月20日，星期一6.4制冷循環(huán)6.4.2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，2023年，2月20日，星期一6.4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，2023年，2月20日，星期一6.4制冷循環(huán)6.4.2吸收制冷循環(huán)吸收制冷裝置的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)用熱能利用系數(shù)ξ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。

優(yōu)點：直接利用熱能，且品位較低。第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一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，2023年，2月20日，星期一吸收制冷裝置的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)用熱能利用系數(shù)ξ表示如：氨-水吸收制冷循環(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。

優(yōu)點：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，2023年，2月20日，星期一6.4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，2023年，2月20日，星期一6.4制冷循環(huán)6.4.3熱泵及其應(yīng)用熱泵：消耗機械功，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：同蒸汽壓縮制冷循環(huán)過程。

不同點：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)εHP第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)

6.1蒸汽動力循環(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，2023年，2月20日，星期一

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，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，2023年，2月20日，星期一6.5深度冷凍循環(huán)

流體P熔化曲線固相汽化曲線三相點升華曲線液相ABCT0

圖2-2純流體的P-T圖TC123PC氣相V<VcV>Vc汽相第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.5深度冷凍循環(huán)

林德循環(huán)（LindeCycle）

⑴工作原理和T-S圖此系統(tǒng)由壓縮機Ⅰ、冷卻器Ⅱ、換熱器Ⅲ、節(jié)流閥Ⅳ與氣液分離器Ⅴ組成第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一林德循環(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，實際上是多級壓縮組成的，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c3）。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5）送入熱交換器與點2的高壓氣體換熱，自身溫度回升返回到壓縮機。6.5深度冷凍循環(huán)

第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一林德循環(huán)（LindeCycle）深冷與普冷是有區(qū)別的。主要表現(xiàn)在：

普冷：兩個封閉式循環(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，2023年，2月20日，星期一林德循環(huán)（LindeCycle）

⑵熱力學(xué)計算（以處理1Kg氣體為基準(zhǔn)）林德循環(huán)的基本計算主要是液化量、耗功量和制冷量。

①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，2023年，2月20日，星期一

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，2023年，2月20日，星期一

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，2023年，2月20日，星期一這是理論液化量，實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，2023年，2月20日，星期一

林德循環(huán)（LindeCycle）

6.5深度冷凍循環(huán)

②制冷量在穩(wěn)定操作下，液化xKg氣體所取走的熱量

理論制冷量實際制冷量第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

③功耗液化循環(huán)裝置的功量消耗是用于對氣體的壓縮。如果按理想氣體的可逆等溫壓縮考慮，對體系所作軸功為

ηT—壓縮機的等溫壓縮效率，一般按經(jīng)驗可取0.59.林德循環(huán)（LindeCycle）

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，2023年，2月20日，星期一

④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，2023年，2月20日，星期一在簡單的林德循環(huán)中，由于高壓氣體的相對量大和熱容大，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)一臺膨脹機來解決這一矛盾6.5深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（ClaudeCycle）第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一1）工作原理和T-S圖6.5深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（ClaudeCycle）1231-M456789x換熱器Ⅰ。Ⅱ。Ⅲ節(jié)流閥汽液分離器膨脹機壓縮機12679843T0S第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.5深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（ClaudeCycle）高壓氣體經(jīng)冷卻器和第一換熱器冷卻后（3點），一部分經(jīng)第二、第三換熱器冷卻到節(jié)流膨脹所需的低溫（6點），另一部分送進膨脹機作功，膨脹后的低溫氣體（4點）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，同時還可以回收一部分有用功。但要注意，高壓氣體進膨脹機的狀態(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。第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一克勞德循環(huán)的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：

⑴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；⑵提高了液化率；⑶回收了部分功。6.5深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（ClaudeCycle）第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一

2）熱力學(xué)計算⑴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)（ClaudeCycle）T0S126798434’1231-M456789x換熱器Ⅰ。Ⅱ。Ⅲ節(jié)流閥汽液分離器膨脹機壓縮機第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.5深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（ClaudeCycle）若考慮不完全熱交換損失Q2和系統(tǒng)的冷損失Q3，實際的液化量為1231-M456789x換熱器Ⅰ。Ⅱ。Ⅲ節(jié)流閥汽液分離器膨脹機壓縮機第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.5深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（ClaudeCycle）第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.5深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（ClaudeCycle）

⑵制冷量Q0

理論制冷量：實際制冷量：與林德循環(huán)相比較，制冷量多出第50頁，共56頁，2023年，2月20日，星期一6.5深度冷凍循環(huán)克勞德循環(huán)（ClaudeCycle）⑶功耗WS

在理想情況下：壓縮為等溫過程，氣體在膨脹機中的膨脹過程是等熵過程，在圖中用3-4`線表示。實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，2023年，2月20日，星期一⑶功耗WS

在理想情況下：壓縮為等溫過程，氣體在膨脹機中的膨脹過程是等熵過程，在圖中用3-4`