制冷与低温技术原理7液态低温工质的制取.pdf

《制冷与低温技术原理7液态低温工质的制取.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、返回目录7液态低温工质的制取7.1一次节流液化循环一次节流循环是最早在工业上采用的气体液化循环。1895年德国林德和英国汉普逊分别独立地提出了一次节流循环，因此在文献上常称之为简单林德（或汉普逊）循环。一次节流液化循环的流程图及T−s图如图7-1所示。我们先讨论没有外部不可逆损失的理论循环，然后再推及实际循环。图7-1一次节流液化循环流程图及T−s图(点击观看动画)图7-2一次节流液化循环逐渐冷却过程的T−s图（1）理论循环如图7-1所示，常温T，常压p下的空气（点1′），经压缩机I等温压缩至高压p，在12T−s图上简单地用等温线1′－2表示。此后，高压空气在换热器II内被节流后

2、的返流空气（点5）冷却至温度T（点3），这是一个等压冷却过程，在T−s图上用等压线2－3表示。s然后高压空气经节流阀III节流膨胀至常压p（点4），温度降低到p压力下的饱和温度，11同时有部分空气液化。在T−s图上节流过程用等焓线3－4表示。节流后产生的液体空气（点0）自气液分离器Ⅳ导出作为产品；未液化的空气（点5）从气液分离器引出，返回流经换热器II，以冷却节流前的高压空气，在理想情况下自身被加热到常温T（点1′），其复热过程在T−s图上用等压线5－1′表示。至此完成了一个空气液化循环。如前所述，必须将高压空气预冷至一定的低温，节流后才能产生液体。因此，循环开始需要有一个逐渐冷

3、却的过程，或称为起动过程。图7-2表示一次节流液化循环逐渐冷却过程的T−s图。空气由状态1′等温压缩到状态2，2－4′为第一次节流膨胀，结果使空气的温度降低∆t。节流后的冷空气返回流入换热器以冷却高压空气，而自身复热到初始状态1′。1高压空气被冷却到状态3′（T′），其温降为∆t′。第二次节流膨胀从3′沿3′－4′′等焓线进31''行，节流后达到更低的温度T。当它经过换热器复热至初态1′时，可使新进入的高压空气4''被冷却到更低的温度T（状态3′′），其温降为∆t′。接着是从点3′′沿3′′－4′′′进行的节流膨32胀等等。这种逐渐冷却过程继续进行，直到高压空气冷却到某一温度T（

4、状态3），使节流3后的状态进入湿蒸气区域；若此时两股空气流的换热已达到稳定工况，则起动过程结束，空气液化装置开始进入稳定运转状态。现在讨论一次节流液化理论循环的液化量。设压缩1kg空气时产生Zkg的液体空气，则相应返流空气量为（1－Z）kg。取换热器II、节流阀III与气液分离器Ⅳ为研究的热力系统，根据系统的热量平衡式1×h=Zh+(1−Z)h′(7-1)201可得h′−h12Z=（kg/kg加工空气）(7-2)h′−h10因为h′−h是温度为T的高压空气由p节流到p时的等温节流效应−∆h1221T−∆hT所以Z=（kg/kg加工空气）h′−h10(7-3)循环的单位制冷量即Zk

5、g液态空气回复到初态温度T′时吸收的热量：1q=Z(h′−h)=h′−h=−∆h（kg/kg加工空气）(7-4)01010T式(7-4)表明，一次节流液化理论循环的单位制冷量在数值上等于高压空气的等温节流效应。由式(7-3)可见，当−∆h为最大值时Z最大。在温度一定时−∆h是压力p的函数，TT所以欲使−∆h为最大值，则需T∂(∆h)T[(]=0(7-5)T∂p∆h可用热力学微分关系式表示。对于等温过程T∂vdh=−[T()−v]dpTp∂T积分后得p2∂v∆h=−[T()−v]dp(7-6)T∫pp1∂T因此，式(7-5)成立的条件必须是∂vT(−)−v=0(7-7)p∂T上式系

6、转化曲线方程，即微分节流效应α等于零的方程。由此可见，对应−∆h及ZhT最大值的气体压力p必通过等温线T和转化曲线的交点。对于空气，若T=303K，23p=98kPa，则p≈48×10kPa时Z最大。实际采用的压力p约为1223(20~22)×10kPa，因为压力过高使设备增加，而装置的制冷量增加比较小。（2）实际循环一次节流实际循环同理论循环相比存在许多不可逆损失。主要有：（1）压缩机中工作过程的不可逆损失；（2）换热器中不完全热交换的损失。即返流气体只能复热到T（见图17-2）；（3）环境介质传热给低温设备引起的冷量损失，也称跑冷损失。由于这些损失的存在，使循环的液化系数减小

7、，效率降低。下面在考虑这些损失的条件下进行循环的分析和计算。设不完全热交换损失为q（kJ/kg加工空气），它由温差∆T=T′−T确定（见图7-2）。312通常假定返流空气在T′与T之间的定压比热容是定值。则q=(1−Z)c(T′−T)。设112prpl11跑冷损失为q。其值与装置的容量、绝热情况及环境温度有关。至于压缩机的不可逆损失，3一般由压缩机的效率予以考虑。我们仍取图7-1中点划线包围的部分为热力系统，加工空气量为1kg，得下列热平衡方程式h+q=hZ+(1−Z)h230p