制冷原理与技术第三章低温原理与技术

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1、第三章低温原理与技术第一节气体液化与分离第二节低温制冷机第三节低温绝热3.1气体液化与分离3.1.1气体液化3.1.2气体分离和纯化系统3.1.4变压吸附3.1.5空气分离系统3.1.3气体的分离原理3.1.1气体液化1.基本概念2.热力学理想系统3.简单林德－汉普逊系统4.带预冷林德－汉普逊系统5.林德双压系统6.复迭式系统7.克劳特系统8.卡皮查系统9.海兰特系统10.采用膨胀机的其它液化系统11.液化系统12.各种液化系统的性能比较13.用于氖和氢的预冷林德－汉普逊系统14.用于氖或氢的克劳特系统15.氦制冷的氢液化系统16.考林斯氦液化系统17.西蒙氦液化系统1.基本概念(3.1

2、)系统的性能参数单位质量气体的压缩功单位质量气体液化功液化率三者之间的关系是:循环效率FOM(热力完善度):通常以理想循环所需的最小功与实际循环液化功比值作为评定的标准。压缩机和膨胀机的绝热效率压缩机和膨胀机的机械效率换热器的效率换热器和管道的压降系统与环境的热交换(3.2)实际性能参数2.热力学理想系统图3.1热力学理想液化系统.(a)T-S图，(b)系统图。稳定物流的热力学第一定律:通常动能和势能的变化相对于焓变而言小得多:理想系统时:等熵过程:液化气体的理论最小功:(3.3)(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)表3.1液化气体的理论最小功(初始点P=101.3kPa，T=300

3、K)气体名称沸点(K)理论最小功(kJ/kg)氦－33.198178氦－44.216819氢20.2712019氖27.091335氮77.36768.1空气78.8738.9一氧化碳81.6768.6氩87.28478.6氧90.18635.6甲烷111.71091乙烷184.5353.1丙烷231.1140.4氨239.8359.13.简单林德－汉普逊系统图3.2林德－汉普逊系统.图3.3林德－汉普逊循环的T－S图气体的液化率依赖于：大气条件下(点1)的压力和温度,从而决定了和；等温压缩后的压力，由决定。我们无法改变环境状态,因此系统的性能取决于压力要使液化率最大，则必须使最小：热力

4、学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到:(3.8)(3.10)图3.4用氦或氢作工作流体简单林德－汉普逊系统的启动过程简单的林德－汉普逊循环不能用于液化氖、氢和氦:1.由于这些气体的转化温度低于环境温度，所以无法降温启动。2.用林德－汉普逊系统能够获得降温，通过低温下节流后完全都是蒸汽，没有气体被液化。图3.5即使氢或氦的简单林德－汉普逊系统能按正确方向启动，它仍不能传递足够的能量以获得液体林德－汉普逊系统的耗功:单位质量耗功:单位质量的液化功:(3.11)(3.12)(3.13)4.带预冷林德－汉普逊系统预冷林德－汉普逊系统:对简单林德－汉普逊系统，当热交换器入口温度低于环境温度时

5、，可以改善简单林德－汉普逊系统的性能指标。图3.6液化率随热交换器入口温度变化关系.图3.7预冷林德－汉普逊系统图3.8预冷林德－汉普逊循环的T-S图应用热力学第一定律定义制冷剂的质量流率比:液化率:带预冷系统的最大液化率:(3.14)(3.15)(3.16)(3.17)假定主压缩机是可逆等温的,附加压缩机是可逆绝热的.单位质量加工气体压缩耗功:(3.18)图3.9液化率与极限液化率随制冷剂流率的变化。图3.10带预冷林德－汉普逊系统单位质量氮气液化功5.林德双压系统图3.11林德双压系统图3.12林德双压系统T－S图取热交换器，两个气液分离器，二个节流阀，作为热力分析系统，针对稳定流动

6、，根据能量守恒原则，可得液化率为:中间压力蒸汽流率比：热力学第一定律应用于两个压缩机，单位质量气体的压缩耗功为:(3.19)(3.20)(3.21)图3.13林德双压系统液化功6.复迭式系统复迭式系统是预冷系统的展开，由其它制冷系统来预冷。优点第一个用于生产液空的液化装置系统的性能好所需压力降低缺点系统的每一级循环都必须完全不漏，以防止流体渗漏图3.14复迭式系统7.克劳特系统图3.15克劳特系统图3.16理论克劳特系统T－S图取热交换器、节流阀、气液分离器作为能量分析系统，该系统没有外部热功交换，对该系统应用热力学第一定律:膨胀机的流量比率:进膨胀机质量流量占总流量比例:液化率:净耗功

7、:(3.22)(3.23)(3.24)(3.26)(3.25)图3.17克劳特循环单位质量液化功8.卡皮查系统卡皮查循环：带有高效率透平膨胀机的低压液化循环。它采用低压力，等温节流效应及膨胀机焓降均较小。图3.18卡皮查系统.海兰特循环：带高压膨胀机的气体液化循环。实际上它也是克劳特循环的一种特殊情况。图3.19海兰特系统9.海兰特系统10.采用膨胀机的其它液化系统双压克劳特:原理与林德双压系统相似。通过节流阀的气体被压缩至高压经过