1、第二章制冷低溫裝置的原理空氣在地球周圍，通常是過熱蒸氣，將其液化，需要通過液化循環來實現。液化循環由一系列必要的熱力過程組成，制取冷量將空氣由氣態變成液態。低溫循環的用途，從熱力學的觀點有下列幾種情況：1）把物質冷卻到預定的溫度，通常由常溫冷卻到所需的低溫；2）在存在冷損的條件下，保持已冷卻到低溫的物質的溫度，即從恒定的低溫物質中不 斷吸取熱量；3）為上述兩種情況的綜合，即連續不斷地冷卻物質到一定的低溫，并隨時補償冷損失，維持所達到的低溫工況。空氣液化循環屬于第三種情況，要將空氣連續不斷地冷卻到當時壓力下的飽和溫度，又要提供潛熱，補償冷損， 維持液化工況。這首先要選擇制冷方法，而后組成行之有效

2、的液化循環，這就是本章所討論的內容。第一節獲得低溫的方法X105C,從300K變為干飽和蒸氣需取出 222.79kJ /kg熱量，再從干飽和蒸氣變為液 體需取出168.45kJ /kg熱量（即潛熱），顯然，為使空氣液化首先要獲得低溫。工業上空氣液化常用兩種方法獲得低溫，即空氣的節流和膨脹機的絕熱膨脹制冷。一、氣體的節流節流可以降溫，如打開高壓氧氣瓶的閥門， 使氧氣從瓶中放出， 不多久就能感到閥門變 冷了。這表示高壓氧氣經過閥門降低壓力后， 溫度也降低了。把這種現象應用到空分中，使 壓力空氣經節流閥降壓降溫。1、節流降溫具有一定壓力的空氣流過節流閥，由于通流截面的突然縮小， 氣體激烈擾動，壓力下

3、降。由于氣體經閥門的時間很短，來不及和外界產生熱交換，所以 q=0,氣體對外也沒有作功，Lo=0,同時認為在閥門前后，氣體流速是不變的，即w1 02像這樣的流動過程稱為節流。122由能重方程得：q h（w2 w1 ） （Z2 Z1） L02gh h2 h1式中hi 節流后空氣的燃值；h2 節流前空氣的始值。這表示節流過程最基本的特點是氣體在節流前后的始值不變。為氣體節流后的溫度變化，點1表示節流后的p1、1、h1值，點2表示節流前的p2、1、h2值。節流使氣體溫度變化的大小，與節流前的溫度、壓力有關。為進一步說明節流前后的溫度變化關系，常用節流閥前后微小的壓力變化p和氣體溫度的微小變化T的比值

4、h來表示節流的效果。即h ( T/ P)h我們稱h為節流微分效應，下腳 h表示節流過程為等始過程，若節流后溫度降低則 卜0, h值越大，降溫效果越好，若溫度沒有變化，則 h 0,若節流后溫度升高，則 h0。xi05xi05Pa,壓力的微小降低反使溫度升高。氣體節流過程是等始過程，也就是節流 前后氣體的總能量不變。節能只是內能和推動功之間的轉化。而內能又包括內位能及內動能，內動能的大小只與氣體溫度有關。節流后內動能降低時節流后的溫度下降；內動能不變時節流后的溫度也不變；內動能增大時節流后的溫度升高。內動能的變化只有確定了內位能與流動功變化關系后才能確定。氣體節流后的壓力總是降低的，其比容增大，內

5、位能總是增大的。只有流動功的變化可能變大也可能不變或變小。當流動功的變化d(pU) 0時，氣體節流時溫度降低，此時氣體分子間呈吸引力，當d(pU )0其絕對值大于內位能的增加值時，氣體節流時溫度升高，此時氣體分子之間排斥力很大。對于某種氣體而言，在節流時內位能的 增加正好等于流動功的減少時，節流前后的溫度保持不變，這一溫度叫做轉化溫度。只有在轉化溫度以下節流才能產生冷效應。卜表列出幾種氣體的轉化溫度。氣體名稱轉化溫度/K氣體名稱轉化溫度/K空氣650笳204氧771氨-3/-439/46氮604氟1079僦785氤1476對于空氣、氧、氮、氟、氤因轉化溫度很高，因而從室溫節流時總是產生冷效應。

6、只有 氨室溫節流溫度會升高。選用節流工質時應該注意其轉化溫度。2、等溫節流制冷量空氣經過節流，雖可降溫，但對外沒有熱交換(絕熱)，也沒有作功。因此，節流前后氣體的總能量不變即等烙過程也就是節流過程本身不產生冷量。但是為了提供一定壓力的節流氣體，需要先將氣體通過壓縮機等溫壓縮后再由節流閥節流，節流后的氣體再經過換熱器去冷卻被冷介質，構成壓縮、節流、換熱流程如圖21所示。圖”2等溫節流整環示意圖xi05Pa, 30c的空氣等溫壓縮至 98xi05Pa后節流。在烙一溫圖2x l05Pa, 此時溫 度降到12c (285K),即圖中點3。在熱交換器中，低溫的空氣吸熱，使本身溫度從12c再升到30c即由

7、點3再恢復到點1,空氣此時所吸收的熱量稱為等溫節流制冷量用qT表示。qT可以用始值計算：qThT hi h3(2-1)始值用氣體的熱力性質圖查出。在節流前后壓差較小時，利用查圖法計算等溫節流循環制冷量時往往誤差很大，此時等溫節流制冷量qT可以由比熱來計算：為 Cp* T T節流溫降，可以查圖確定，也可以根據微分節流效應ai來確定。微分節流效應可理解為節流時單位壓力降的溫度變化率，故T爾p TOC o 1-5 h z 因此qT Cpah pr(2-2)根據精確的實驗得出，空氣在壓力P ah,即氣體的微分等嫡效應永遠大于氣體的微分節流效應。值，這意味著膨脹機膨脹永遠產生溫降。微分節流效應程不一定會

8、產生冷效應。只有氣體溫度低于轉化溫度時, 才會降溫。從溫降的大小方面比較，從圖24可以看出， 膨脹機的膨脹可以產生較大的溫降，在膨脹前、 后壓力相同的條件下，等嫡膨脹的溫降總是大大 的大于節流膨脹的溫降。這是由于氣體的能量大 量地消耗于作外功的結果。C(303K),膨脹到 0.0981MPa,在空氣 丁一 S 圖可以查出膨脹機的等嫡膨脹溫降 110C,即膨脹 后的溫度為-80 CC。可見，降溫幅度的差別之大。從制冷量比較，等嫡膨脹制冷量qs也遠遠大而且微分等嫡效應總是 as 0,為正ah 0或ah 0 ,才能產生冷效應，節流后于等溫節流制冷量。正如上述 qs值等于qt與膨脹功W之和。制冷量可以

9、由 TS圖中的面積來表示。圖24中的面積01 bc表示等溫節流制冷量； 面積02ac表示等嫡膨脹制冷量。 等嫡膨脹制冷量包含了等溫節流制冷量，其余部分面積即表示膨脹功。總之，無論從溫度效應大小及制冷量多寡方面，等嫡膨脹都比節流膨脹制冷效果顯著，而且膨脹機還可以回收一部分膨脹功，從而提高其經濟性。節流過程用節流閥結構簡單，調節方便，并且可以工作在氣液兩相區內。所以等溫節流制冷及膨脹機等嫡膨脹制冷都是重要 的制冷方法，都有互不可取代的應用價值。尤其是在初溫較低時， 等溫節流的制冷能力增強，等嫡膨脹的制冷能力減弱，兩者差別縮小時，應用節流閥較為有利。怎樣應用這兩種制冷方式，在制氧機中，依視具體情況而

10、定。正向循環的熱效率用表布:w qi q2 d q2 Iqiqiqi熱效率可以衡量正向循環的經濟性。 越多。二、逆向循環、制冷系數逆向循環包括：越大，說明吸收相同熱量時,(2-5)所轉化成的機械能第二節氣體液化循環的性能指標在制冷機中，氣體工質連續不斷地工作，需要經歷一系列的狀態變化，重新回復到原始狀態，也就是要經歷一個循環。功變熱，還是熱變功，按照循環的效果不同，可分為正向循環和逆向循環。把熱能轉化為機械能的循環叫正向循環；把機械能轉化為熱能的循環叫逆向循環。一、正、逆向循環正向循環包括下面兩個過程：1）工質從溫度較高的外界熱源吸收熱量q1；2）工質向溫度較低的外界熱源放出熱量q2。AW q

11、i q2 ，吸收的熱量q大于放出的熱量兩者之差為對外所作的機械功，即 TOC o 1-5 h z i）工質從溫度較低的外界熱源吸入熱量qi ；2）工質向溫度較高的外界熱源放出熱量q2。這種轉化要消耗機械功，W q q2, q q2,即機械功轉變為熱量與 q2 一起排給溫度較高的外界熱源。一切制冷機都按逆向循環工作，其經濟性可用制冷系數表示。(2-6)q2 （也即制冷量），因而經q2q2wqiq2越大，表明消耗相同的機械功，能從低溫熱源排走較多的濟性高。三、氣體液化的最小功低溫液化循環由等溫壓縮，絕熱膨脹降溫，等壓換熱等一系列過程組成。其目的是獲得低溫使空氣液化。低溫液化循環獲得冷量必須消耗功，

12、耗功的大小代表了循環的經濟性。假若在整個液化循環中的各過程均為可逆過程，無任何損失，則該液化循環為理想液化循環，通過這種循環使氣體液化所消耗的功為最小，稱之為氣體液化的理論最小功。對于理想過程可依下列情況進行，先將氣體等溫壓縮至嫡值等于液化氣體之嫡值，在圖24中用1 2線表示，然后進行等嫡膨脹至氣體液化，由圖中2 0線表示。再沿等壓線031換熱，氣體回復到原始狀態，形成一個可逆循環。液化循環的最小功Wmin為：(2-7)T 2等赤膝E2-5氣體施&老榭蕾訝汴意國WminTl(SSo)(hlho)最小功由圖25中的陰影面積來表示。顯然，氣體液化的最小功只與被液化氣體的種類及初、終狀態有關，而與過

13、程無關。對于不同氣體，液化的最小功也不相同。表22給出了幾種氣體產生 1kg液體或1L液所需的理論 最小功。實際上各種過程總存在著不可逆性， 如節流及膨脹機 都存在著摩擦及冷損失，換熱器存在著傳熱溫差，所以理 想的循環是不能實現的。實際液化循環的耗功總是大于表 中液化耗功的數值，功耗小于 Wmin的循環不可能存在。因此，理論循環可以作為實際液化循環的不可逆程度的比較標準，理論最小功是氣體液化功耗的極限值。由熱力學第二定律可知，不可逆循環的嫡總是增加的。嫡增S,可作為不可逆性的度(2-8)量。由不可逆性所增加的功為 T- AS, T為周圍介質的溫度。在實際循環中，液化氣體所需 要的功為WWWmi

14、nT S表2 2幾種氣體液化理論最小功氣體名稱kJ/kgkW- h/kgkW- h/L空氣氧氮僦注：空氣、氧、氮、僦的初態p1 105 Pa, T； 303K四、實際液化循環的性能指標實際液化循環的經濟性除用所消耗的功W表示外，通常還采用?化系數 Z、單位功耗W、制冷系數、循環效率Y液來表示。液化系數Z是每千克氣體經過液化循環后所獲得的液體量。單位功耗W0為獲得1kg液化氣體所消耗的功。即： WWQ 2 2-9)式中W-一加工1kg氣體循環所消耗的功；Z液化系數。每千克氣體經過循環所得的冷量為單位制冷量qo。單位制冷量與耗功之比稱為制冷系數 ,其表達式為：q0(2-10)W單位功耗越小，制冷系

15、數越大，說明液化循環越有效，經濟性越好。循環效率刀液表明實際循環的制冷系數與理論循環制冷系數之比。由下式表示：液qo/WWmin1、液 2-1- )理論 qo/WminW可見，循環效率又可以被表述為理論循環最小功與實際循環所消耗的功之比。應用循環效率能夠度量實際循環的不可逆性以及作為評價循環損失大小。顯然，循環效率永遠小于1,其值越接近1,實際循環的不可逆性就越小，循環的損失也越小，經濟性越好。第三節以節流為基礎的循環目前空氣液化循環主要有三種類型：1)以節流為基礎的液化循環；2)以等嫡膨脹與節流相結合的液化循環；3)以等嫡膨脹為主的液化循環。本節著重討論以節節流為基礎的液化循環。一次節流膨脹

16、循環，由德國的林德首先研究成功，故亦稱簡單林德循環。如第一節所述，節流的溫降很小，等溫節流的制冷量也很少，所以在室溫下通過節流膨脹不可能使空氣液化， 必須在接近液化溫度的低溫下節流才有可能液化。因此，以節流為基礎的液化循環，必須使空氣預冷，常常采用逆流換熱器，回收冷量預冷空氣。AM簡仲獸料SI-7循環流程的示意圖由圖 2-6表示。這種循環也稱作為簡單林德循環。系統由壓縮機、逆流換熱器、節流閥及氣液分離器組成。圖 2-7是簡單林德循環在 T S圖上的示意圖。應用 簡單林德循環液化空氣需要有一個啟動過程，首先要經過多次節流，回收等溫節流制冷量預冷加工空氣，使節流前的溫度逐步降低，其制冷量也逐漸增加

17、，直至逼近液化溫度，產生液空。這一連串多次節流循環如圖2-8所示。為討論簡單林德循環的性能指標方便起見，首 先將其分為理論簡單林德循環及實際簡單林德循 環。理論簡單林德循環有兩個假設：1）在逆流換熱器中冷量被完全回收，即熱端溫差為零；2）無冷損失。理論循環的制冷量q0為：qo hrhi h2(2-12)液化系數Z應為：Z h1 h2(2-13)hi ho這里還需要指出，冷量 q0并不是節流過程產生的。它是壓縮機等溫壓縮時，冷卻水帶走的熱量比空壓機輸入的壓縮功多分 ,而具有產生冷量的內因。該冷量借助于逆流換熱器和節流閥表現出來。液化循環總是謀求通過一個循環獲得比較多的冷量及比較大的液化系數。分析

18、式2 12與式213,當初始狀態 科、P2給定時，幾及兒均為定值，顯然，降低 h2才能得到較多的制冷量及較大的液化系數。h2是由P2及會所決定，由于是等溫壓縮，所以 h2只取決于p2即節流前的壓力。對于空氣在T1=303K, Pi=0.98MPa時，p2=42MPa時，液化系數Z最大，但是壓縮機耗功也增加。對于理論簡單林德循環，當p2 27MPa時，空氣循環制冷系數q0 /W呈最大值。這對我們選擇循環參數很有參考價值。液化系數的最大值所對應的節流前的最高壓力，可由氣體的T-S圖求得。當T2 T1 一定時，通過等溫線與轉化曲線交點的壓力即為Z最大值所對應的最高壓力。實際林德循環存在著許多不可逆損

19、失，主要有：1）壓縮機組（包括壓縮和水冷卻過程）中的不可逆性，引起的能量損失；2）逆流換熱器中存在溫差即換熱不完善損失；3）周圍介質傳入的熱量即跑冷損失。第一項損失包含在壓縮機的等溫效率之中。令換熱不完全損失為q2,令跑冷損失為q3 ,按圖3-7點劃線所包圍的系統且加工空氣為lkg 。列平衡式整理得出:Z實際幾 h2 (q2 q3)hi ho q2%(q2 q3)hi ho q2(2-14 )相對于始差（hi ho）, q2的值較小，所以工程計算中可用下式:Z實際hrGq3)hihohrqNho(2-15)忽略了 q2,實際計算誤差不超過1%實際-7*/UU U HYPERLINK l boo

20、kmark36 o Current Document qoZ實際 *(，ho)hrq(2-16 )實際實際qoq。W示Wt/ t(2-17)式中WT 等溫壓縮功;T 空壓機的等溫效率。在理論循環中已討論了節流前壓力 p2 對制冷量 q0 及液化系數Z 的影響。 對于節流后的壓力Pl而言，當P2、Ti 一定時，隨Pl的提高，hr減小即制冷量減少，液化系數Z也必然減少。 但對制冷系數的影響， 并不這樣單純。 由于制冷系數q0 / W ， 當 p1 升高時，q0減小。同時壓縮機耗功也減小，且下降得更快，因此，制冷系數反而增大，其趨勢Pl 是越接近P2。制冷系數e越大，這時的產冷量更少，已沒有實際意義

21、。但它給出了適當地提高R,縮小節流壓比能改善制冷系數的啟示。再討論一下逆流換熱器熱端溫度 Tl 對循環性能指標的影響。當節流前后的壓力一定時，隨Ti溫度的降低制冷量q0增大，同時液化系數Z也增大。綜上所述：1）當Pi、工一定時，提高P2到一定程度，可以顯著提高簡單林德循環的經濟性，因此通常節流前的壓力選擇在20MPa；為了降低換熱器前的熱端溫度， 可以采用預冷的方法， 因而出現具有氨預冷的一次節 流循環；適當縮小壓力比， 能夠提高經濟性。 為了節省能量， 盡量保持大的壓力差及小的壓力比。壓力差較大所獲得的等溫節流制冷量就多，壓力比小，消耗的壓縮功就少。因而，可以得到較大的制冷系數， 在這樣的前

22、提下， 在簡單林德循環的基礎上又出現了具有二次節流的 循環。第四節 以等熵膨脹與節流為基礎的循環林德循環是以節流膨脹為基礎的液化循環， 其溫降小， 制冷量少， 液化系數及制冷系數都很低，而且節流過程的不可逆損失很大并無法回收。采用等熵膨脹，氣體工質對外作功，能夠有效地提高循環的經濟性。i902 年，克勞特提出了膨脹機膨脹與節流相結合的液化循環稱之為克勞特循環。空氣由1點（Ti、Pi）被壓縮機I等溫壓縮至2點（P2、Ti）經換熱器n冷卻至點3后分為兩部分，其中Mkg進入換熱器n、出繼續被冷卻至點 5,再由節流閥節流至大氣壓（點6）,這時 zkg 氣體變為液體。 （M-Z）kg 的氣體成為飽和蒸氣

23、返回。當加工空氣為 ikg 時，另一部 分（i 一 M）kg氣體，進入膨脹機膨脹至點4,膨脹后的氣體在換熱器出熱端與節流后返回的飽和空氣相匯合，返回換熱器n預冷卻Mkg壓力為P2的高壓空氣，再逆向流過換熱器n,冷卻等溫壓縮后的正流高壓空氣。與分析簡單林德循環相同，克勞特循環的性能指標可根據系統熱平衡式計算。取ABCD為系統。在穩定工況下：hb (1 M)h4 q3 Z實 ph (1 M)h3 (1 Z 實際)h若：h h1 q2整理得出：(hi h2) (1 M )(h3 h4) q2 q3Z實際；幾 ho q2工程上近似為：(%h2)(1M)(h3h4)qhT(1M)(h3h)qZ 實際(2-18)幾hoA ho制冷量 q/示Z實p(%ho)hT (1 M)(h3 hu)q(2-19)式中h3 h4是單位氣體工質在膨脹時的實際始降，它與等嫡始降hr的比值為膨脹機的絕熱效率絕熱，表達式為：絕熱(2-20)hs式中 h 實際始降。絕熱效率是衡量膨脹機的實際膨脹偏離理論等嫡膨脹程度的度量，將在后面膨脹機的章節詳細討論。與簡單林德循環相比較，克勞特循環的制冷量和液化系數都大，這是由于 (1 一 M