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1、6 蒸汽动力循环与制冷循环,普冷与深冷,6 蒸汽动力循环与制冷循环 6.1 蒸汽动力循环 6.2 气体的压缩 6.3 膨胀过程6.4制冷循环 6.5 深度冷冻循环,6.4制冷循环6.4.1 蒸汽压缩制冷循环 6.4.2 吸收制冷循环 6.4.3 热泵及其应用,制 冷,制冷的实质：利用外功将热持续的从低温物体传给高温环境介质,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,制冷，即根据热力学第二定律的原理，消耗功把热量自低温物体移向高温物体并保持低温的过程。工程上习惯把TL173K称为普通冷冻简称普冷，把TL173K称为深度冷冻简称深冷。,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,1. 逆卡诺
2、循环-理想的可逆制冷循环,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,循环过程：1-2：绝热可逆压缩，P1-P2，TL-TH，消耗外功，等熵过程；2-3：等温可逆放热过程；3-4：绝热可逆膨胀， P2-P1，TH-TL ，对外作功，等熵过程；4-6：等温可逆吸热过程。,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,循环过程的制冷系数,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,讨论：,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,2. 单级蒸汽压缩制冷循环,循环的构成,6.4制冷循环 6.4.1 蒸
3、汽压缩制冷循环,3-4：饱和液体的节流膨胀过程，为等焓过程。 其余同逆卡诺循环。,制冷系数装置的制冷能力：,功耗：,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,制冷剂的选择：蒸发潜热要大；蒸发压力要低且相应的饱和蒸汽压大于大气压力，常温下冷凝压力要低；较高的临界温度和较低的凝固温度；较强的化学稳定性。,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,常用的制冷剂有：氨、氟氯烃、二氧化碳、乙烷、乙烯等。注意：1987年蒙特利尔会议上，起草制订保护臭氧层的协议，提出限定五种氟氯烃的生产。即,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,多级蒸汽压缩制冷循环为了获得较低的低温，压缩比较大时。如氨蒸发
4、温度248-208K时，采用两级压缩制冷循环，低于208K时采用三级。以两级蒸汽压缩制冷循环为例,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,6.4制冷循环 6.4.1 蒸汽压缩制冷循环,4. 复迭式压缩制冷循环若蒸发压力过低或制冷剂凝固温度的限制，不可能获得更低的低温，可采用复迭时制冷循环。为多个单级压缩制冷循环的串联操作。如石油裂解分离中广泛采用的氨-乙烯复迭式制冷，乙烯在蒸发器中可提供-1000C的低温。,6.4制冷循环6.4.1 蒸汽压缩制冷循环 6.4.2 吸收制冷循环 6.4.3 热泵及其应用,6.4制冷循环 6.4.2 吸收制冷循环,消耗热能，利用二元溶液中各组分蒸汽压不同来实
5、现制冷的。即使用在一定压力下各组分的挥发性（或蒸汽压）不同的溶液为工质，以挥发性大（蒸汽压大）的组分为制冷剂，而挥发性小的组分为吸收剂。工质：二元溶液，如氨-水(-660C- -460C)、水-溴化锂(0-60C)溶液等。,6.4制冷循环 6.4.2 吸收制冷循环,6.4制冷循环 6.4.2 吸收制冷循环,吸收制冷装置的经济技术指标用热能利用系数表示氨-水吸收制冷循环压力：再生器压力由冷凝器中氨冷凝温度决定，吸收器压力由蒸发器液氨蒸发压力决定；温度：再生和吸收温度分别由热源和冷却水温度决定。即分别由其他给定条件决定，因此浓、稀氨水的浓度不能随意变动。优点：直接利用热能，且品位较低。,6.4制冷
6、循环 6.4.2 吸收制冷循环,吸收制冷装置的经济技术指标用热能利用系数表示如：氨-水吸收制冷循环中压力：再生器压力由冷凝器中氨冷凝温度决定，吸收器压力由蒸发器液氨蒸发压力决定；温度：再生和吸收温度分别由热源和冷却水温度决定。即分别由其他给定条件决定，因此浓、稀氨水的浓度不能随意变动。优点：直接利用热能，且品位较低。,6.4制冷循环 6.4.2 吸收制冷循环,6.4制冷循环6.4.1 蒸汽压缩制冷循环 6.4.2 吸收制冷循环 6.4.3 热泵及其应用,6.4制冷循环 6.4.3 热泵及其应用,热泵：消耗机械功，完成热能从低温区传向高温区并维持高于环境温度的装置。工作原理：同蒸汽压缩制冷循环过
7、程。不同点：工作目的与操作的温度范围。应用：工业上用于废热回收，家用空调等。性能指标：供热系数HP,6 蒸汽动力循环与制冷循环 6.1 蒸汽动力循环 6.2 气体的压缩 6.3 膨胀过程6.4制冷循环 6.5 深度冷冻循环,深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体，由纯物质的P-T相图知：当气体温度高于其临界温度时，无论加多大的压力都不能使其液化，因此，气体的临界温度越低，所需的液化温度也越低。为了使这些难液化的气体液化，必须设法将其温度降低到临界温度以下，这就需要深度冷冻。利用一次节流膨胀液化气体是最简单的气体液化循环。1896年德国工程师Linde首先应用此法液化空气，故称为简单的林德循环,6
8、.5 深度冷冻循环,6.5 深度冷冻循环,6.5 深度冷冻循环,林德循环（Linde Cycle） 工作原理和T-S图此系统由压缩机、冷却器、换热器、节流阀与气液分离器组成,林德循环（LindeCycle） 1-2 常温T1、常压P1的气体经过压缩至高压P2（由于压缩比很大，实际上是多级压缩组成的，可视为等温压缩），高压气体经冷却器冷至常温T1（2）。 2-3 经换热器冷却到适当的温度（点3）。 3-4 经节流阀膨胀变为压力为P1的气液混合物(4) 4-5 送入气液分离器，饱和液体(0)沉降于分离器底部，未液化的气体（点5）送入热交换器与点2的高压气体换热，自身温度回升返回到压缩机。,6.5
9、深度冷冻循环,林德循环（LindeCycle） 深冷与普冷是有区别的。主要表现在： 普冷：两个封闭式循环，制冷循环与被冷物系是两种物质，是封闭循环。 深冷：制冷循环与分离、液化物质是同一 种物质，且是不封闭循环,6.5 深度冷冻循环,林德循环（LindeCycle） 热力学计算（以处理1Kg气体为基准） 林德循环的基本计算主要是液化量、耗功量和制冷量 。气体液化量（液化率）x 定义：液化率就是1Kg被处理的气体所能产生的液体Kg数,6.5 深度冷冻循环,取换热器、节流阀、气液分离器为研究体系,由热力学第一定律,这是理论液化量，实际中由于考虑到换热器的不完全换热，造成的损失称为温度损失Q2；以及
10、系统保温不良造成的冷量损失Q3，所以较理论量少。实际液化量为,制冷量在稳定操作下，液化xKg气体所取走的热量理论制冷量,实际制冷量,功耗 液化循环装置的功量消耗是用于对气体的压缩。如果按理想气体的可逆等温压缩考虑，对体系所作轴功为T压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取0.59.,比功: 每液化1Kg的气体所消耗的功称为比功(耗),制冷系数,一次节流液化循环比较简单，但效率很低。目前只有小型气体分离，液化装置如小型空分装置还有使用.,在简单的林德循环中，由于高压气体的相对量大和热容大，用未冷凝的低压气体无法将其冷却到足够的低温，克劳德循环通过增设一台膨胀机来解决这一矛盾,6.5 深度冷冻循环 克
11、劳德循环（Claude Cycle ）,1）工作原理和T-S图,6.5 深度冷冻循环 克劳德循环（Claude Cycle ）,6.5 深度冷冻循环 克劳德循环（Claude Cycle ）,高压气体经冷却器和第一换热器冷却后（3点），一部分经第二、第三换热器冷却到节流膨胀所需的低温（6点），另一部分送进膨胀机作功，膨胀后的低温气体（4点）与第三换热器来的低压气体合并，送入第二换热器作冷却介质用。采用这一措施，减少了高压气体的量，增加了作为冷却介质的低压气体的量，因而可将高压气体冷却到更低的温度，从而提高了液化率，同时还可以回收一部分有用功。但要注意，高压气体进膨胀机的状态要慎重选定，保证膨胀
12、后不产生液体，以防引起破坏性震动。,克劳德循环的优点主要表现在： 减少了高压气体量，增加了作为冷却介质的低压气体量，增加了冷冻量； 提高了液化率； 回收了部分功。,6.5 深度冷冻循环 克劳德循环（Claude Cycle ）,2）热力学计算 液化量x： 以图中虚线作为研究体系,6.5 深度冷冻循环 克劳德循环（Claude Cycle ）,6.5 深度冷冻循环 克劳德循环（Claude Cycle ）,若考虑不完全热交换损失Q2和系统的冷损失Q3，实际的液化量为,6.5 深度冷冻循环 克劳德循环（Claude Cycle ）,6.5 深度冷冻循环 克劳德循环（Claude Cycle ）,制
13、冷量Q0理论制冷量：,实际制冷量：,与林德循环相比较，制冷量多出,6.5 深度冷冻循环 克劳德循环（Claude Cycle ）,功耗WS 在理想情况下：压缩为等温过程，气体在膨胀机中的膨胀过程是等熵过程，在图中用3-4线表示。实际上由于各种损失使它偏离等熵过程，而是有熵增的过程，在图中用线3-4表示,功耗WS 在理想情况下：压缩为等温过程，气体在膨胀机中的膨胀过程是等熵过程，在图中用3-4线表示。实际上由于各种损失使它偏离等熵过程，而是有熵增的过程，在图中用线3-4表示,6.5 深度冷冻循环 克劳德循环（Claude Cycle ）,实际功耗：,6 蒸汽动力循环与制冷循环 6.1 蒸汽动力循
14、环 6.2 气体的压缩 6.3 膨胀过程6.4制冷循环 6.5 深度冷冻循环,思考题：,蒸汽压缩制冷循环与热泵有何区别？吸收制冷循环有什麽优缺点？其基本原理是什麽？Claude循环与Linde循环有何不同？其主要优点是什麽？试在T-S图上表示出Linde循环、Claude循环过程。,作业：,6-3 某空气调节装置的制冷能力为4.18104kJh-1，采用氨蒸汽压缩制冷循环，氨蒸发温度为283K，冷凝温度为313K，假如氨进入压缩机时为饱和蒸汽离开冷凝器时为饱和液体，且压缩过程为可逆过程。试求：制冷剂氨的循环量；冷凝器中制冷剂放出的热量；压缩机的理论功率；装置的制冷系数。,作业题：,6-4 有一Linde循环，液化空气，空气初温为300K，膨胀前的初压为10MPa，节流前温度为140K，节流后压力为0.1MPa，空气流量为（标准状态）0.015m3min-1。试求：（1）理想操作情况下，空气液化的百分率和每小时的液化量；（2）若换热器的热端温差为50C，由外界传入热量为3.34KJKg-1，温度对液化量的影响如何？,
