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1、一、应知：（化学基础、化工原理、有机化学、电器及仪表、化工机械。）二、应会：1、笔试（合成氨工艺、硫酸工艺、相关知识、分析化学知识）2、口试：岗位及工段操作内容。3、论文：答辩4、DCS操作：第十章 冷冻一、基本概念1、冷冻(也称制冷)将物料的温度降低到比空气和水这些天然冷却剂的温度还要低的操作。2、冷冻操作一般分为二种：K=273+t()名称冷冻深度冷冻K开尔文温度(K)173K以上173K以下t摄氏温度()-100以上-100以下3、冷冻方法利用液氨、液态乙烷等在常压下具有低沸点的液体作为冷冻剂。当冷冻剂在低沸点下汽化时，它从被冷冻物料中吸取热量，使物料降至低温。物质的三态:气-液-固汽化
2、潜热如：l 液氨在40.9Kpa下蒸发时，可达223K(-50)；l 液态乙烷在53Kpa下蒸发时，可达173K(-100)。4、冷冻操作用人工的方法，用冷冻剂从被冷冻的物料中取出热量，使被冷冻物料的温度低于周围环境的温度，同时将热量传给周围的水或空气的操作。第一节 压缩蒸汽冷冻机一、压缩蒸汽冷冻机的工作过程热力学第一定律：第一种表述形式：能量守恒与转化定律。能量可以从一种形式转化为另一种形式，但能量既不能凭空创造，也不会自行消灭。第二种表述形式：第一类永动机不可能创造。第一类永动机不靠外界供给能量，也不消耗自身能量，却不断地对外做功的机器。焓体系的状态函数，由体系的状态所确定。把体系的U+P
3、V叫做焓。U内能P压力V体积H焓熵能量分散的度量。从分子运动的角度看，分子是能量的载体，能量越分散，分子运动越混乱。因此，熵是体系内部分子热运动混乱程度的度量。1、冷冻机在冷冻操作中，热量必须由低温物体传递到高温物体。但是从热力学第二定律知道：热量不能自动从低温物体传递到高温物体。因此，必须从外界补充能量(做功)，并利用冷冻剂间接地完成冷冻操作。冷冻机(冰机)用于补充能量的压缩机。l 工业上应用最广泛的是压缩蒸汽冷冻机l 最常用的冷冻剂是氨。2、压缩蒸汽冷冻机的基本组成：压缩机、冷凝器、膨胀阀（节流阀）、蒸发器。3、压缩蒸汽冷冻机的工作过程：氨(干饱和蒸汽)(T1=253K，P1=190Kpa
4、)压缩机(加压)温度(T2=383K)、压力(P2=1167Kpa)氨过热蒸汽冷凝器冷凝(303K)冷却(298K)过冷液体膨胀阀(减压)温度(T1=253K)、压力(P1=190Kpa)部分汽化气液混合物蒸发器(汽化)从被冷冻物料取得热量(全部变成)氨干饱和蒸汽(开始新的循环)压缩机4、冷冻过程的实质由压缩机做功，通过冷冻剂从低温热源取出热量，送到高温热源。这一过程类似用泵将水从低处送到高处，故冷冻机也称热泵。二、温熵图1、温熵图的构造：将冷冻剂的各种参数，如压力P、温度T、比体积、焓I、熵S等数据绘制在一张图上便构成温熵图。温-熵图(图11-2)2、理想的压缩蒸汽冷冻机的工作过程是一个逆行
5、的卡诺循环过程。分四个过程组成：(1)、绝热压缩的等熵过程压缩机将温度为T1的冷冻剂蒸发吸入，等熵压缩到冷凝器入口压强P2，由于冷冻机做了外功A1，冷冻剂的能量增加，温度由T1增至T2，如图中的等熵线12。(2)、等温放热过程冷冻剂蒸汽在冷凝器中被冷凝成液体，放出冷凝热并为冷却水所吸收，冷冻剂的温度不变，如图中等温线23。(3)、绝热膨胀的等熵过程液化后的冷冻剂经节流膨胀阀进行等熵膨胀，压力从P3降为P4，温度相应地从T3变为T4，如图中等熵线34。(4)、等温吸热过程经过膨胀减压之后的冷冻剂进入蒸发器内，从被冷冻物料(或冷冻盐水)中吸取热量而汽化，温度不变，熵值从S4上升为S1，如图中等温线
6、41。经蒸发器气化的冷冻剂重新进行压缩机内，又开始一个新的循环。从温熵图(10-3)中可以看出，冷冻剂在等温放热过程中所放出的热量，可以从图中面积2-3-5-6-2来量度；而在等温吸热过程中所吸收的热量，可以从图中面积1-4-5-6-1来量度，放热与吸热之差，即图上1-2-3-4-1所表示的面积，为压缩机所做的外功。实际压缩机的工作循环比理论的要复杂一些，如图10-4，其不同在于绝热压缩至2之后，首先等压冷却至2，然后沿等温线23冷凝，沿等压线33过冷，接着是等焓膨胀至4，等温蒸发至原点，又开始另一循环过程。这一循环过程说明了冷冻机的工作原理，说明了将热量从低温传向高温，必须要由外部供给能量，
7、必须要有冷冻剂从低温被冷冻物料吸取热量、并转交给高温物料(冷却水)等。2、冷冻能力在单位时间内从被冷冻物料取出的热量。用Q1表示，单位：W(KW)(1)、单位质量冷冻剂的冷冻能力1kg冷冻剂经过蒸发器时从被冷冻物料取出的热量。用q1表示，单位kJ/kg(2)、单位体积冷冻剂的冷冻能力1m3进入压缩机的冷冻剂蒸汽的冷冻能力。用q2表示，单位kJ/ m3(3)、冷冻能力设冷冻剂的质量流量是qm,kg/s对于一定大小和转数的往复压缩机，冷冻能力为：式中：1压缩机的送气系数q2单位体积冷冻能力，kJ/m3qv压缩机的理论送气能力即活塞所经过的体积，m3/s(4)、标准冷冻能力在标准操作温度条件下的冷冻
8、能力。用Qs表示，单位W(KW)因操作温度对冷冻能力有很大影响，为确切的说明冷冻机的冷冻能力，就必须指明冷冻操作温度。按国际人工制冷会议规定，当进入压缩机的冷冻剂是干饱和蒸汽时，任何冷冻机的标准操作温度是：l 蒸发温度T1=258Kl 冷凝温度T2=303Kl 过冷温度T3=298K任何冷冻机铭牌上所标明的冷冻能力就是标准冷冻能力，由于冷冻机的实际操作温度是根据工艺要求决定的，因此很难与标准操作温度相同，必须将生产条件下的冷冻能力换算成标准冷冻能力才能选取用合适的冷冻机。反之，要核算一台现有的冷冻机是否符合生产需要的冷冻能力时，也要将铭牌上标明的标准冷冻能力换算成操作温度下的冷冻能力，才能进行
9、比较。一般冷冻机出厂时都附有工作性能曲线，可以根据该曲线求得不同操作条件下的冷冻能力或产冷量。 如缺乏该资料，也可以按照气缸体积不变这一事实，由式11-6得出标准温度条件和实际操作温度条件下冷冻能力的换算关系。同一冷冻机的实际冷冻能力Q1和标准冷冻能力Qs的关系如下：三、多级压缩蒸汽冷冻机1、单级压缩蒸汽冷冻机的适用范围当蒸发温度很低或冷凝温度很高时，压缩比P2/P1就变得很大，如仍用单级压缩，就会引起以下不良后果：l 送气系数很低，甚至等于零l 单级压缩的终温很高，冷冻剂蒸汽可能分解。如氨在高于393K时会分解。l 所需的功率大为增加。因采用两级或多级压缩。第二节 冷冻剂与载冷体一、冷冻剂1
10、、冷冻剂是在冷冻循环中将热量从低温传向高温的媒介物。冷冻剂的性质对确定冷冻机的大小及其结构、材料等有着重要的影响，因此，在压缩蒸汽冷冻机中，应根据具体操作条件慎重地选用适宜的冷冻剂。2、冷冻剂应具备的条件：l 在大气压强下的沸点要低，这是主要条件。l 在蒸发温度T1时汽化潜热应尽可能大，蒸汽的比容小，单位体积冷冻能力大。在一定的冷冻能力下所需的冷冻剂的循环量小，可以缩小压缩机的尺寸。l 在蒸发温度T1时蒸发压力P1应略高于或接近于大气压力，这是因为防止冷冻剂的漏失比防止空气漏入要容易。防止空气吸入。l 在冷凝温度T2时的冷凝压力P2不应太高，以降低压缩比和功率消耗。P2过高对冷凝器和管路的耐压
11、要求也要高。l 无腐蚀性和毒性，不易燃易爆，使用安全，在操作条件下化学性质稳定。l 价格便宜，容易获得。3、几种工业上常用的冷冻剂名称适用范围优点缺点氨蒸发温度在223-278K内的中型或大型冷冻机操作压力、汽化潜热、单位冷冻能力比其它冷冻剂优越。容易获得，压缩机气缸小，漏气时容易发现，蒸发温度最低可达223K。有毒、有强烈刺激性和可燃性，与空气混合时有爆炸危险，对铜和铜合金有腐蚀性。氟利昂:氟利昂-11(CFCl3 -1氟3氯甲烷)氟利昂-12(CF2Cl2)氟利昂-13(CF3Cl)氟利昂-113(C2F3Cl3)小型冷冻机、空调机无毒、无味、无燃烧爆炸危险，对金属无腐蚀性，汽化潜热小，单
12、位冷冻能力比氨小，冷冻循环量大，消耗能量大。密度大，流动阻力较大，传热膜系数较低，会溶解于润滑油中使油的粘度下降，能渗入极细微的缝隙，不易发现漏损，扩散到大气中会破坏臭氧层，不利于环境保护。二氧化硫冷凝压力比氨低650KPa蒸发温度较高(263K氯甲烷冷凝压力比氨低900KPa249.5K二氧化碳用于船舶用的冷冻装置中无毒，密度大，所需压缩机气缸尺寸小冷凝压力高(6000-8000Kpa)，蒸发压力不能低于530 Kpa，否则将固态化。氟利昂是烷烃的氟氯衍生物，其沸点随其中氯原子数的增加而升高。在常压下，沸点因品种不同而不同(191K313K左右)常用的氟利昂-12是无色透明的液体，在大气压下
13、沸点是384.7K，临界压力是4002Kpa，凝固点是118.2K。在一般操作条件下，蒸发压力比大气压高，冷凝压力也不超过1000Kpa。它的汽化潜热在常压下是167.5KJ/kg，单位体积冷冻能力是945KJ/m3，都比氨的小。二、冷冻盐水1、冷冻盐水的作用冷冻盐水载冷体。(1)、直接制冷用冷冻剂直接吸取被冷冻物料的热量，使达到所需要求的低温。如：用液氨预冷空气进行制氧。(2)、间接制冷间接的用一种盐类的水溶液作为载冷体，吸取被冷冻物料的热量。此载冷体在冷冻剂和冷冻物料之间循环，从被冷冻物料中吸取热量，温度升高；然后将热量传给冷冻剂，温度降低为原温度。(3)、常用的载冷体氯化钠、氯化钙的水溶
14、液。(4)、使用冷冻盐水的优点l 当全厂需要冷冻操作的设备较多时，可以设一大型冷冻车间，把冷冻盐水分送各设备中使用。l 盐水可以与某些冷冻物料(如氯气)直接接触传热，提高传热速率。(5)、使用冷冻盐水的缺点l 使冷冻能力和冷冻系数降低l 冷冻盐水的循环消耗部分动力2、冷冻盐水的选用l 冷冻盐水在一定浓度下有一定的冻结温度。冻结温度必须比所需达到的冷冻温度若干度，否则操作时会发生冻结现象，在蒸发器蛇管外析出冰层，严重影响冷冻机的操作。l 根据所要达到的冷冻温度，选择合适的冷冻盐水及浓度。对于一定的冷冻温度条件所用的冷冻盐水的浓度必须严格控制。l 选用的最低温度必须比冷冻盐水的冻结温度高1013K
15、。氯化钙盐水的最低冻结温度是218K，实际使用时其温度不宜低于228K氯化钠盐水的最低冻结温度是252K，实际使用时其温度不宜低于261K盐水对金属有较大的腐蚀性，通常可在盐水中加入少量的缓蚀剂(重铬酸钠或铬酸钠)，在很大程度上减轻盐水的腐蚀性，但铬酸盐和重铬酸盐具有毒性，使用时应特别注意。第三节 压缩蒸汽冷冻机的主要设备一、主要设备：1、压缩蒸汽冷冻机的主要设备：l 压缩机l 冷凝器l 膨胀阀l 蒸发器2、压缩蒸汽冷冻机的辅助设备：l 油分离器l 气液分离器3、主要设备的特性(1)、压缩机冷冻装置中的压缩机称为冷冻机或冰机，多数采用往复式压缩机。主要形式：卧式双动压缩机、直立单动多缸通流式压缩机、气缸互成角度排列
