空分制冷低温装置的原理

空分制冷低温装置的原理 第二章 制冷低温装置的原理 空气在地球周围，通常是过热蒸气，将其液化，需要通过液化循环来实现。液化循环由一系列必要的热力过程组成，制取冷量将空气由气态变成液态。 低温循环的用途，从热力学的观点有下列几种情况: 1) 把物质冷却到预定的温度，通常由常温冷却到所需的低温; 2) 在存在冷损的条件下，保持已冷却到低温的物质的温度，即从恒定的低温物质中不断吸取热量; 3) 为上述两种情况的综合，即连续不断地冷却物质到一定的低温，并随时补偿冷损失，维持所达到的低温工况。 空气液化循环属于第三种情况，要将空气连续不断地冷却到当时压力下的饱和温度，又要提供潜热，补偿冷损，维持液化工况。这首先要选择制冷方法，而后组成行之有效的液化循环，这就是本章所讨论的内容。 第一节 获得低温的方法 要使空气液化，需要从空气中取出热量使其冷却，最后全部成为液体。我们知道，在 50.98×10Pa大气压下，空气液化温度是-191.8?，从300K变为干饱和蒸气需取出222.79kJ,kg热量，再从干饱和蒸气变为液体需取出168.45kJ,kg热量(即潜热)，显然，为使空气液化首先要获得低温。 工业上空气液化常用两种方法获得低温，即空气的节流和膨胀机的绝热膨胀制冷。 一、气体的节流 节流可以降温，如打开高压氧气瓶的阀门，使氧气从瓶中放出，不多久就能感到阀门变冷了。这 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示高压氧气经过阀门降低压力后，温度也降低了。把这种现象应用到空分中，使压力空气经节流阀降压降温。 1、节流降温 具有一定压力的空气流过节流阀，由于通流截面的突然缩小，气体激烈扰动，压力下降。由于气体经阀门的时间很短，来不及和外界产生热交换，所以q=0，气体对外也没有作功， ww,L=0，同时认为在阀门前后，气体流速是不变的，即像这样的流动过程称为节流。 o12 122qhwwZZL,,，,，,，()()由能量方程得: 212102g ,,,hhh 21 52 hh式中——节流后空气的焓值;——节流前空气的焓值。 12 这表示节流过程最基本的特点是气体在节流前后的焓值不变。为气体节流后的温度变 pTh、、pTh、、化，点1表示节流后的值，点2表示节流前的值。节流使气体温度111222 变化的大小，与节流前的温度、压力有关。为进一步说明节流前后的温度变化关系，常用节 ,流阀前后微小的压力变化和气体温度的微小变化的比值来表示节流的效果。即,p,Th ,,,,(T/P),我们称为节流微分效应，下脚h表示节流过程为等焓过程，若节流后温hhh ,>0,,,0度降低则，值越大，降温效果越好，若温度没有变化，则，若节流后温度hhh ,<0升高，则。 h 5对T=283K的空气进行实验，得知在空气分离过程中，节流前压力低于304.78×10Pa 5时，节流效应总是正值，即节流后的温度总是降低的。当P大于304.78×10Pa，压力的微小降低反使温度升高。气体节流过程是等焓过程，也就是节流前后气体的总能量不变。节能只是内能和推动功之间的转化。而内能又包括内位能及内动能，内动能的大小只与气体温度有关。节流后内动能降低时节流后的温度下降;内动能不变时节流后的温度也不变;内动能增大时节流后的温度升高。内动能的变化只有确定了内位能与流动功变化关系后才能确定。气体节流后的压力总是降低的，其比容增大，内位能总是增大的。只有流动功的变化可能变大也可能不变或变小。当流动功的变化时，气体节流时温度降低，此时气体分dpU()0, 子间呈吸引力，当其绝对值大于内位能的增加值时，气体节流时温度升高，此时dpU()<0 气体分子之间排斥力很大。对于某种气体而言，在节流时内位能的增加正好等于流动功的减少时，节流前后的温度保持不变，这一温度叫做转化温度。只有在转化温度以下节流才能产生冷效应。 下表列出几种气体的转化温度。 气体名称 转化温度/K 气体名称 转化温度/K 空气 650 氖 204 氧 771 氦,39/,46 -3/-4 氮 604 氪 1079 氩 785 氙 1476 对于空气、氧、氮、氪、氙因转化温度很高，因而从室温节流时总是产生冷效应。只有氦室温节流温度会升高。选用节流工质时应该注意其转化温度。 2、等温节流制冷量 空气经过节流，虽可降温，但对外没有热交换(绝热)，也没有作功。因此，节流前后气体的总能量不变即等焓过程也就是节流过程本身不产生冷量。 53 但是为了提供一定压力的节流气体，需要先将气体通过压缩机等温压缩后再由节流阀节流，节流后的气体再经过换热器去冷却被冷介质，构成压缩、节流、换热流程如图2—1所示。 55假设将0.98×10Pa，30?的空气等温压缩至98×10Pa后节流。在焓一温图2—2中表 5示，空气的状态由点1变化到点2，再节流到0.98×10Pa，此时温度降到12?(285K)，即图中点3。在热交换器中，低温的空气吸热，使本身温度从12?再升到30?即由点3再 qq恢复到点1，空气此时所吸收的热量称为等温节流制冷量用表示。可以用焓值计算: TT qhhh,,,,, (2-1) TT13 焓值用气体的热力性质图查出。 在节流前后压差较小时，利用查图法计算等温节流循环制冷量时往往误差很大，此时等 q温节流制冷量可以由比热来计算: T qcT,, Tp a?T——节流温降，可以查图确定，也可以根据微分节流效应来确定。微分节流效应i 可理解为节流时单位压力降的温度变化率，故 ,,,Tap h qcap,,因此 (2-2) Tphr 3根据精确的实验得出，空气在压力P,15×10kPa时，微分节流效应为 22273273,,,,,,36 (2-3) aabpp,,,，,，()(2.73100.089510)h00,,,,TT,,,, 54 ab式中 P——节流前压力，kPa;T——节流前温度，K;、——实验常数。 00 可见，节流效应与节流前的压力和温度有关。节流前的温度降低，节流效应增大。节流前的压力增高，节流效应变小。 综上所述，等温节流制冷时，气体需经历等温压缩和节流膨胀两过程才具有制冷量。这是因为气体在等温压缩时焓值降低，压缩机的压缩功和气体的焓降都一同以热量的形式传给环境介质。在等温压缩过程中气体已具备制冷能力。而节流膨胀只不过是一种降温的方法，为气体在等温压缩时已具备的制冷内因表现出来创造条件。 二、压缩气体作外功制冷 气体对外做功的机器称为膨胀机。压缩气体在膨胀机内膨胀后，压力降低，体积增大。由于过程进行得非常快，所以过程是绝热的( )。根据热力学第二定律，绝热过程的,Q,0 Q,实质，即等熵过程。这是在不考虑摩擦及其他损失的理想情况下，膨胀机的,,,s0,T 膨胀为可逆过程。气体在膨胀机中一边膨胀，其内位能增加，又一边对外作功，这两部分能量消耗都需要用内动能来补偿，所以气体在膨胀机中等熵膨胀，焓值下降，温度必然降低。 气体在膨胀机内的膨胀过程用T一S图或H一S 图可清楚地表示出来。 在图2—3中，气体进膨胀机的状态由1点表示， 由1点向下引垂线交于膨胀后压力P等压线于2点。2 ,,,TTT膨胀机的温降，膨胀机对外所作的理想12 功。实际上膨胀机中的膨胀过程是不可逆过程，气体 Whh,,与气体之间、气体与机器壁之间及机器理12 本身转动件之间都存在着摩擦，消耗了气体的一部分作功能力。摩擦产生的热又传给了气体，使气体膨胀终了温度又有所增加，所以膨胀后的温度点为2′点。0点到1点为等温压缩过程。 Tpq如果我们令膨胀后气体恢复到0点的状态(，)则所制取的冷量为: 12s qhhhhhhhW,,,,，,,,,，()() (2-4) sT020112 ,h即等温节流制冷量与膨胀功之和。 WT a同样，将气体等熵膨胀时，压力的微小变化所引起的温度变化称为微分等熵效应，以s ,Ta,()a来表示。，由于气体膨胀比容增大，内位能增加，而且对外作功，所以总是大ss,p 55 a于零，为正值，因此气体的等熵膨胀后温度总是下降的，总是产生冷效应。显然，等熵s 膨胀过程的温降随着压力比P,P的增加而增大，在一定的膨胀压力的情况下，随膨胀前的l2 温度提高而增大，这意味着具有较高温度的气体，有较大的内动能，有较强的作功能力。 三、节流膨胀与等熵膨胀的比较 aa>从理论方面分析，由于等熵膨胀气体在膨胀过程中要作外功，因此微分效应，sh a>0即气体的微分等熵效应永远大于气体的微分节流效应。而且微分等熵效应总是，为正s aa值，这意味着膨胀机膨胀永远产生温降。微分节流效应?0或?0，这表示通过节流过hh a>0，才能产生冷效应，节流后程不一定会产生冷效应。只有气体温度低于转化温度时，h 才会降温。 从温降的大小方面比较，从图2—4可以看出， 膨胀机的膨胀可以产生较大的温降，在膨胀前、 后压力相同的条件下，等熵膨胀的温降总是大大 的大于节流膨胀的温降。这是由于气体的能量大 量地消耗于作外功的结果。 例如，膨胀前空气压力0.5884MPa温度为 30?(303K)，膨胀到0.0981MPa，在空气T一S 图可以查出膨胀机的等熵膨胀温降110?，即膨胀 后的温度为-80?。在同样条件下，通过计算，空 气经过节流膨胀的温降只有1.07?。可见，降温 幅度的差别之大。 qqq从制冷量比较，等熵膨胀制冷量也远远大于等温节流制冷量。正如上述值等于sst与膨胀功W之和。制冷量可以由T一S图中的面积来表示。图2—4中的面积01′bc表示等温节流制冷量;面积02ac表示等熵膨胀制冷量。等熵膨胀制冷量包含了等温节流制冷量，其余部分面积即表示膨胀功。 总之，无论从温度效应大小及制冷量多寡方面，等熵膨胀都比节流膨胀制冷效果显著，而且膨胀机还可以回收一部分膨胀功，从而提高其经济性。节流过程用节流阀结构简单，调节方便，并且可以工作在气液两相区内。所以等温节流制冷及膨胀机等熵膨胀制冷都是重要的制冷方法，都有互不可取代的应用价值。 尤其是在初温较低时，等温节流的制冷能力增强，等熵膨胀的制冷能力减弱，两者差别缩小时，应用节流阀较为有利。怎样应用这两种制冷方式，在制氧机中，依视具体情况而定。 56 第二节 气体液化循环的性能指标 在制冷机中，气体工质连续不断地工作，需要经历一系列的状态变化，重新回复到原始状态，也就是要经历一个循环。 功变热，还是热变功，按照循环的效果不同，可分为正向循环和逆向循环。把热能转化为机械能的循环叫正向循环;把机械能转化为热能的循环叫逆向循环。 一、正、逆向循环 正向循环包括下面两个过程: q1) 工质从温度较高的外界热源吸收热量; 1 q工质向温度较低的外界热源放出热量。 2) 2 AWqq,,qq吸收的热量大于放出的热量，两者之差为对外所作的机械功，即，1212 ,正向循环的热效率用表示: qqqW,122,1 (2-5) ,,,,qqq111 ,热效率可以衡量正向循环的经济性。越大，说明吸收相同热量时，所转化成的机械能越多。 二、逆向循环、制冷系数 逆向循环包括: q1)工质从温度较低的外界热源吸入热量; 1 q2)工质向温度较高的外界热源放出热量。 2 qq>Wqq,,q这种转化要消耗机械功，，，即机械功转变为热量与一起排给温12122度较高的外界热源。 一切制冷机都按逆向循环工作，其经济性可用制冷系数,表示。 qq22,,, (2-6) ,Wqq12 q越大，表明消耗相同的机械功，能从低温热源排走较多的 (也即制冷量)，因而经,2 57 济性高。 三、气体液化的最小功 低温液化循环由等温压缩，绝热膨胀降温，等压换热等一系列过程组成。其目的是获得低温使空气液化。低温液化循环获得冷量必须消耗功，耗功的大小代表了循环的经济性。 假若在整个液化循环中的各过程均为可逆过程，无任何损失，则该液化循环为理想液化循环，通过这种循环使气体液化所消耗的功为最小，称之为气体液化的理论最小功。 对于理想过程可依下列情况进行，先将气体等温压缩至熵值等于液化气体之熵值，在图2—4中用1—2线表示，然后进行等熵膨胀至气体液化，由图中2—0线表示。再沿等压线0 W—3—1换热，气体回复到原始状态，形成一个可逆循环。液化循环的最小功为: min WTsshh,,,,()() (2-7) min11010 最小功由图2—5中的阴影面积来表示。显然，气体 液化的最小功只与被液化气体的种类及初、终状态有关， 而与过程无关。对于不同气体，液化的最小功也不相同。 表2—2给出了几种气体产生1kg液体或1L液所需的理论 最小功。 实际上各种过程总存在着不可逆性，如节流及膨胀机 都存在着摩擦及冷损失，换热器存在着传热温差，所以理 想的循环是不能实现的。实际液化循环的耗功总是大于表 W中液化耗功的数值，功耗小于的循环不可能存在。因此，理论循环可以作为实际液化min 循环的不可逆程度的比较标准，理论最小功是气体液化功耗的极限值。 由热力学第二定律可知，不可逆循环的熵总是增加的。熵增?S，可作为不可逆性的度量。由不可逆性所增加的功为T??S，T为周围介质的温度。在实际循环中，液化气体所需要的功为W: WWTS,，, (2-8) min 表2—2几种气体液化理论最小功 气体名称 kJ/kg kW?h/kg kW?h/L 空气 741.7 0.206 0.18 氧 638.4 0.1770.201 氮 769.6 0.213 0.172 氩 478.5 0.132 0.184 5pPaTK,,10,303注:空气、氧、氮、氩的初态 11 58 四、实际液化循环的性能指标 实际液化循环的经济性除用所消耗的功W表示外，通常还采用液化系数Z、单位功耗W、0制冷系数ε、循环效率η液来表示。 液化系数Z是每千克气体经过液化循环后所获得的液体量。 W为获得1kg液化气体所消耗的功。即: 单位功耗0 W (2-9) W,0Z 式中W——加工1kg气体循环所消耗的功;Z——液化系数。 q每千克气体经过循环所得的冷量为单位制冷量。单位制冷量与耗功之比称为制冷系0 数ε，其表达式为: q0 (2-10) ,,W 单位功耗越小，制冷系数越大，说明液化循环越有效，经济性越好。 循环效率η液表明实际循环的制冷系数与理论循环制冷系数之比。由下式表示: ,qW/W液0min (2-11) ,,,,液qWW/,0min理论 可见，循环效率又可以被表述为理论循环最小功与实际循环所消耗的功之比。应用循环效率能够度量实际循环的不可逆性以及作为评价循环损失大小。显然，循环效率永远小于1，其值越接近1，实际循环的不可逆性就越小，循环的损失也越小，经济性越好。 第三节 以节流为基础的循环 目前空气液化循环主要有三种类型: 1) 以节流为基础的液化循环; 2) 以等熵膨胀与节流相结合的液化循环; 3) 以等熵膨胀为主的液化循环。 本节着重讨论以节节流为基础的液化循环。一次节流膨胀循环，由德国的林德首先研究成功，故亦称简单林德循环。 如第一节所述，节流的温降很小，等温节流的制冷量也很少，所以在室温下通过节流膨胀不可能使空气液化，必须在接近液化温度的低温下节流才有可能液化。因此，以节流为基础的液化循环，必须使空气预冷，常常采用逆流换热器，回收冷量预冷空气。 59 循环流程的示意图由图2-6表示。这种循环也称作为简单林德循环。系统由压缩机、逆流换热器、节流阀及气液分离器组成。图2-7是简单林德循环在T—S图上的示意图。应用简单林德循环液化空气需要有一个启动过程，首先要经过多次节流，回收等温节流制冷量预冷加工空气，使节流前的温度逐步降低，其制冷量也逐渐增加，直至逼近液化温度，产生液空。这一连串多次节流循环如图2-8所示。 为讨论简单林德循环的性能指标方便起见，首 先将其分为理论简单林德循环及实际简单林德循 环。理论简单林德循环有两个假设: 1)在逆流换热器中冷量被完全回收，即热端温 差为零; 2)无冷损失。 q理论循环的制冷量为: 0 qhhh,,,,, (2-12) 012T 液化系数Z应为: hh,12Z, (2-13) hh,10 q这里还需要指出，冷量并不是节流过程产生的。它是压缩机等温压缩时，冷却水带0 ,,h走的热量比空压机输入的压缩功多，而具有产生冷量的内因。该冷量借助于逆流换热T 器和节流阀表现出来。 液化循环总是谋求通过一个循环获得比较多的冷量及比较大的液化系数。分析式2—12 pphhh与式2—13，当初始状态、给定时，及均为定值，显然，降低才能得到较多21021 60 hpTh的制冷量及较大的液化系数。是由及所决定，由于是等温压缩，所以只取决于2222 T=303K，p=0.98MPa时，p=42MPa时，液化系数Z最p2即节流前的压力。对于空气在121 pMPa,27大，但是压缩机耗功也增加。对于理论简单林德循环，当时，空气循环制冷2 ,,qW/系数呈最大值。这对我们选择循环参数很有参考价值。 0 TT,液化系数的最大值所对应的节流前的最高压力，可由气体的T—S图求得。当一21 定时，通过等温线与转化曲线交点的压力即为Z最大值所对应的最高压力。 实际林德循环存在着许多不可逆损失，主要有: 1)压缩机组(包括压缩和水冷却过程)中的不可逆性，引起的能量损失; 2)逆流换热器中存在温差即换热不完善损失; 3)周围介质传入的热量即跑冷损失。 qq第一项损失包含在压缩机的等温效率之中。令换热不完全损失为，令跑冷损失为，23 按图3-7点划线所包围的系统且加工空气为lkg。列平衡式整理得出: hhqqhqq,,，,,,，()()122323T (2-14) Z,,实际hhqhhq,,,,102102 ()hh,q相对于焓差，的值较小，所以 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 计算中可用下式: 102 ,,,hq,T,,,，hqq()T23Z,,, (2-15) 实际hhhh,,1010 q忽略了，实际计算误差不超过1, 2 实际qZhhhq,,,,,,() (2-16) ,010T实际 实际实际qq00 (2-17) ,,q实际/,WWTT实际 W,式中——等温压缩功;——空压机的等温效率。 TT 61 qp在理论循环中已讨论了节流前压力对制冷量及液化系数Z的影响。对于节流后的02 Tp而言，当p、一定时，随p的提高，,h减小即制冷量减少，液化系数Z也必压力21T11 q,,qW/p然减少。但对制冷系数的影响，并不这样单纯。由于制冷系数，当升高时，001 p减小。同时压缩机耗功也减小，且下降得更快，因此，制冷系数反而增大，其趋势是越1 pp接近。制冷系数ε越大，这时的产冷量更少，已没有实际意义。但它给出了适当地提高，21缩小节流压比能改善制冷系数的启示。 再讨论一下逆流换热器热端温度T对循环性能指标的影响。当节流前后的压力一定时，1 q随T温度的降低制冷量增大，同时液化系数Z也增大。 10 综上所述: Tpp当、一定时，提高到一定程度，可以显著提高简单林德循环的经济性，因此1)121 通常节流前的压力选择在20MPa; 2)为了降低换热器前的热端温度，可以采用预冷的方法，因而出现具有氨预冷的一次节流循环; 3)适当缩小压力比，能够提高经济性。为了节省能量，尽量保持大的压力差及小的压力比。压力差较大所获得的等温节流制冷量就多，压力比小，消耗的压缩功就少。因而，可以得到较大的制冷系数，在这样的前提下，在简单林德循环的基础上又出现了具有二次节流的循环。 第四节 以等熵膨胀与节流为基础的循环 林德循环是以节流膨胀为基础的液化循环，其温降小，制冷量少，液化系数及制冷系数都很低，而且节流过程的不可逆损失很大并无法回收。采用等熵膨胀，气体工质对外作功，能够有效地提高循环的经济性。 1902年，克劳特提出了膨胀机膨胀与节流相结合的液化循环称之为克劳特循环。 TTpp空气由1点(、)被压缩机I等温压缩至2点(、)经换热器?冷却至点3后分1211 为两部分，其中Mkg进入换热器?、?继续被冷却至点5，再由节流阀节流至大气压(点6)，这时zkg气体变为液体。(M-Z)kg的气体成为饱和蒸气返回。当加工空气为1kg时，另一部分(1一M)kg气体，进入膨胀机膨胀至点4，膨胀后的气体在换热器?热端与节流后返回的饱和空气相汇合，返回换热器?预冷却Mkg压力为p的高压空气，再逆向流过换热器?，2 冷却等温压缩后的正流高压空气。 62 与分析简单林德循环相同，克劳特循环的性能指标可根据系统热平衡式计算。取ABCD为系统。 在稳定工况下: ' hMhqZhMhZh，,，,，,，,(1)(1)(1)24303实际实际 ′hhq,,若: 112 整理得出: ()(1)()hhMhhqq,，,,,,123423 Z,实际hhq,,102 工程上近似为: ()(1)()(1)()hhMhhqhMhhq,，,,,,,，,,,,,123434T Z,, (2-18) 实际hhhh,,1010 实际qZhhhMhhq,,,,,，,,,()(1)()制冷量 (2-19) ,01034T实际 hh,,h式中是单位气体工质在膨胀时的实际焓降，它与等熵焓降的比值为膨胀机34T ,的绝热效率，表达式为: 绝热 ,h,, (2-20) 绝热,hs ,h式中——实际焓降。 绝热效率是衡量膨胀机的实际膨胀偏离理论等熵膨胀程度的度量，将在后面膨胀机的章节详细讨论。 与简单林德循环相比较，克劳特循环的制冷量和液化系数都大，这是由于(1一M)工质在膨胀机中作功而多制取冷量的结果。 影响该循环制冷量及液化系数的因素主要有:膨胀机中的膨胀空气量的多少;膨胀机机 pT前压力;进膨胀机的温度以及膨胀机效率。下面逐一分析各因素的影响: 23 1) 当膨胀前的压力和温度一定，增大进膨胀机的气量，会提高制冷量及液化系数。但并非越大越好。气体去膨胀机量大了，去节流阀的气体量就少了，膨胀机的制冷量就有可能 63 不能全部传递给正流气体，也就是说换热器?的工作有可能不正常。所以最佳的膨胀量(1—M)的确定要兼顾两个条件，既要满足循环系统的热平衡，又要保证换热器?的正常工作。 p2) 膨胀量及机前温度一定，膨胀前的压力与膨胀量的选取相同，是既要满足循环的2 热平衡而又保证换热器?的正常工作的条件。从空气的T一S图可知，压力升高等温节流制 实际Z冷量及等熵膨胀的制冷量都大，所以、都会提高。但节流空气量M未变，这时它q实际0 p有可能无法带走全部冷量，而不能正常。此外，还受到膨胀机后不能出现液体的限制，2 p因而克劳特循环具有最佳的值。 2 T3) 膨胀机进口温度的确定，随着此温度的提高，等熵焓降增大，循环制冷量及液化3 系数都增大。由于膨胀前温度的提高，膨胀后的温度也随之提高，这会直接影响换热器?的工作和节流前温度的提高，减少液化量。 综上所述，在确定克劳特循环最佳参数时，不能仅仅以循环系统的平衡方面考虑，而必须考虑其膨胀量与节流气量的分配，也就是使换热器传热工况尽可能的完善，这样才能提高循环的经济性。 从提高机前温度丁。可以增加膨胀机制冷量，而且对膨胀机的操作有利出发，海兰德提出了具有膨胀机之高温高压循环，称之为海兰德循环。此循环将气体等温压缩后约20MPa的常温气体分两部分，Mkg气体去节流，(1一M)kg气体进入膨胀机膨胀。 思考题: 1. 氧气的制取有哪几种方法, 2. 工业上获取低温的方法, 3. 目前空气液化循环主要有哪几种类型, 64