三、2.空气液化时的制冷原理(精)

LOGO三、2.空气液化时的制冷原理二、空气液化时的制冷原理工业上空气液化常用两种方法获得低温，即空气的节流膨胀和膨胀机的绝热膨胀制冷。什么是节流膨胀?什么是膨胀机的绝热膨胀？连续流动的高压气体，在绝热和不对外做功的情况下，经过节流阀急剧膨胀到低压的过程，称为节流膨胀。过程不可逆。压缩气体经过膨胀机在绝热下膨胀到低压，同时输出外功的过程．称为膨胀机的绝热膨张。过程可逆。节流膨胀为等焓过程，气体经过节流膨胀后，一般温度要降低。膨胀机的绝热膨胀为等熵过程。利用气体T-S图能十分方便地计算出节流膨胀前后温度的变化。在图中，由2点作等焓线H2，与等压线p1相交于1点，线段2→1表示节流膨胀过程，1点的温度T1即为节流膨胀后的温度，T2—T1为节流膨胀前后的温度差。线段2—3表示气体由压力为p2、温度为T2的2点，等熵膨胀到p1时的过程，T2—T3为膨胀前后气体的温度差。等熵膨胀的降温效果比节流膨胀的降温效果好。但膨胀机的结构比节流阀复杂。二、空气液化时的制冷原理三、空气的液化循环目前空气液化循环主要有两种类型：以节流为基础的液化循环；以等熵膨胀与节流相结合的液化循环。1．以节流膨胀为基础的循环亦称简单林德循环。节流的温降很小，制冷量也很少，所以在室温下通过节流膨胀不可能使空气液化．必须在接近液化温度的低温下节流才有可能液化。因此，以节流为基础的液化循环，必须使空气预冷，常采用逆流换热器，回收冷量预冷空气。节流循环流程的示意图及T-S图由图表示。系统由压缩机、中间冷却器、逆流换热器、节流阀及气液分离器组成。林德循环的流程图及T-S图林德循环启动阶段应用简单林德循环液化空气需要有一个启动过程，首先要经过多次节流，回收等焓节流制冷量预冷加工空气，使节流前的温度逐步降低．其制冷量也逐渐增加，直至逼近液化温度，产生液化空气。这一连串多次节流循环即林德循环启动阶段如上图。实际林德循环存在着许多不可逆损失，主要有：①压缩机组（包括压缩和水冷却过程）中的不可逆性，引起的能量损失；②逆流换热器中存在温差，即换热不完善损失；③周围介质传人的热量，即跑冷损失。2．以等熵膨胀与节流相结合的液化循环(1)克劳特循环：1902年，克劳特提出了膨胀机膨胀与节流相结合的液化循环称之为克劳特循环，其流程及在T-S图中的表示见图：空气由1点（T1，p1）被压缩机工等温压缩至2点（p2，T1）经换热器Ⅱ冷却至点3后分为两部分，其中Mkg进入换热器Ⅲ继续被冷却至点5，再由节流阀V节流至大气压（点6），这时Zkg气体变为液体。(M﹣Z)kg的气体成为饱和蒸气返回。当加工空气为lkg时，另一部分(1—M)kg气体，进入膨胀机Ⅳ膨胀至点4，膨胀后的气体在换热器Ⅲ热端与节流后返回的饱和空气相汇合，返回换热器Ⅲ预冷却Mkg压力为p2的高压空气，再逆向流过换热器Ⅱ，冷却等温压缩后的正流高压空气。(2)卡皮查循环该循环是一种低压带膨胀机的液化循环，由于节流前的压力低，节流效应很小，等焓节流制冷量也很小，所以这种循环可认为是以等熵膨胀为主导的液化循环，此液化循环是在高效离心透平式膨胀机问世后，1937年原苏联院士卡皮查提出的，因此称为卡皮查循环。从实质上来看，卡皮查循环是克劳特循环的特例。在循环中采用了高效离心空压机及透平膨胀机，其制冷效率等于0.8或更高，大大提高了液化循环的经济性。通常卡皮查循环的高效透平膨胀机制冷量占总制冷量的80%～90%，得到广泛地应用。卡皮查循环流程示意及T-S图空气在透平压缩机中被压缩至约0.6MPa，经换热器I冷却后，分成两部分，绝大部分Gkg进透平膨胀，膨胀至大气压，然后进入冷凝器Ⅱ，将其冷量传递给未进膨胀机的另一部分空气。未进膨胀机的空气数量较小，数量为(1—G)kg，它在冷凝器的管间，被从膨胀机出来的冷气流冷却，在0.6MPa的压力下冷凝成液体，而后节流到大气压。节流后小部分汽化变成饱和蒸气，与来自膨胀机的冷气流汇合，通过冷凝器管逆流，流经换热器I冷却等温压缩后的加工空气。而液体留在冷凝器的底部。