03-制冷原理和方法10.8改

2020/3/3LNG1第三章制冷原理和方法液化天然气（LNG）技术2020/3/3LNG2第三章制冷原理和方法利用某些物质（即制冷剂）在相变时的吸热效应来产生冷量。蒸汽压缩式、蒸汽喷射式和吸收式。天然气液化常采用----节流膨胀制冷、膨胀机绝热膨胀制冷、蒸汽压缩制冷等三种。制取冷量的方法:气体膨胀制冷和相变制冷两大类。(1)气体膨胀制冷:高压力气体节流阀或膨胀机绝热膨胀气体降压降温获得冷量(2)相变制冷:2020/3/3LNG3第一节气体的节流制冷节流:连续流动的高压流体，在绝热且不对外做功的情况下通过节流阀急剧膨胀到低压的过程。节流的最终结果是等焓的实际节流过程是不可逆过程，过程进行时，熵随之增加。21HH2020/3/3LNG4第一节气体的节流制冷一、节流效应流体节流时，由于压力的变化所引起的温度变化，称为节流效应或焦尔—汤姆逊效应（简称焦-汤效应，即J-T效应）。1.微分节流效应:定义：（3-2）αH—微分节流效应系数（或焦—汤系数）。（3-3）式中Cp—气体的定压比热。对于理想气体，由于PV=RT，则由公式（3-3）得αH=0，即理想气体节流温度不变。=PTH∂∂αVTVTCpPH1TVPRTVp2020/3/3LNG5第一节气体的节流制冷对于真实气体，有以下三种情况：时，αH0节流后温度降低，称为冷效应；时，αH=0节流后温度不变，称为零效应；时，αH0节流后温度升高，称为热效应。VTVTPVTVTPVTVTPVTVTCpPH12020/3/3LNG6第一节气体的节流制冷2.积分节流效应积分节流效应（ΔTH）：（3-4）（3-5）式中T1、T2—气体节流前、后的温度；P1、P2—气体气流前、后的压力。212112PPPPHHHdpdpPTTTT21112PPPPHdpVTVTCTTTVTVTCpPH1天然气是复杂的气体混合物，目前大多数采用真实气体状态方程式，利用节流前后焓相等的关系迭代计算得到。2020/3/3LNG7第一节气体的节流制冷二、节流循环气体节流降温组成的制冷循环称为节流循环。下图为一种简单的一次节流循环的Ｔ－Ｓ图。一次节流循环的T-S图所吸收的热量（即制冷量）为：天然气往往具有一定压力，在液化过程中，只要善于利用气体的压力，就可以组成各种节流制冷循环，为工艺装置补充冷量。这样，一方面既不会无谓地将压力能泄放掉，另一方面又不会因产冷而过多地消耗动力。2020/3/3LNG8第二节气体作外功的绝热膨胀一、气体做外功的等熵膨胀过程该过程的特点是气体膨胀对外做功其熵值不变。高压天然气透平膨胀机做外功产生冷量21SS画图举例！2020/3/3LNG9第二节气体作外功的绝热膨胀1.等熵膨胀效应等熵膨胀效应：气体进行等熵膨胀时，由于压力的变化引起的温度变化。（3-8）（3-9）αs0。即等熵膨胀过程总是产生冷效应。产冷值为绝热焓降ΔH0=H1－H2积分等熵膨胀效应ΔTS：（3-10）式中T1、T2—气体等熵膨胀前、后的温度；P1、P2—气体等熵膨胀前、后的压力。ssPTpPsTVCT212112PPsPPssdpPTdpTTT2020/3/3LNG10第二节气体作外功的绝热膨胀1.等熵膨胀产冷量等熵膨胀单位产冷量，即绝热焓降（ΔHS），气体等熵膨胀开始状态的焓（H1）与膨胀终了状态的焓（H2）之差，即：对于实际气体，积分等熵膨胀效应通常用热力学图去查，最方便的是有关T-S图，如右图所示。等熵膨胀过程的温差2020/3/3LNG11第二节气体作外功的绝热膨胀VTVTCpPH1因此，在制冷过程中采用气体输出能量的等熵绝热膨胀比采用节流膨胀好。pPsTVCT二、气体节流与气体作外功的绝热膨胀的比较V/CP—为气体对外做功引起的温度降由于V0，CP0，则V/CP0，故αsαH。温降大，且能回收一部分膨胀功。两种膨胀的差量为V/CP。气体从同一状态开始膨胀到相同终压，节流膨胀的温降小，等熵膨胀的2020/3/3LNG12第二节气体作外功的绝热膨胀三、膨胀机制冷循环膨胀制冷循环流程1-压缩机；2-干燥器；3-冷凝器；4-汽液分离器；5-膨胀机2020/3/3LNG13第三节蒸气压缩制冷一、蒸气压缩制冷原理蒸气压缩制冷是利用液体汽化相变制冷。它包括：节流膨胀、液体冷剂蒸发、气体冷剂压缩、过热气体冷凝等四个过程。图3.4蒸气压缩制冷循环工艺流程图3.5蒸气压缩制冷压力—焓（P-H）2020/3/3LNG14第三节蒸气压缩制冷(3-13)(3-14)(3-15)式中X—节流膨胀后（B点）制冷剂的液体分率；hLB—节流膨胀后（B点）液相制冷剂的焓；hVB—节流膨胀后（B点）气相制冷剂的焓；hLA—节流膨胀前（A点）饱和液相制冷剂的焓。LAVBLBhhXhX)1()()()(LBVBLAVBhhhhX)()()1(LBVBLBLAhhhhX1、节流膨胀过程（A-B）2020/3/3LNG15第三节蒸气压缩制冷2）液体蒸发过程（B-C）制冷剂的效率（η）：(3-16)式中η—制冷剂的效率；hVB—节流膨胀后（B点）气相制冷剂的焓；hLA—节流膨胀前（A点）饱和液相制冷剂的焓。制冷剂的流量：(3-17)式中Qref—制冷负荷，kW；m—制冷剂的流量。LBVBhhX)LAVBhh（)(LAVBrefhhQm2020/3/3LNG16第三节蒸气压缩制冷3）气体压缩过程（C-D）增压的目的是让循环的制冷剂在高压下再一次液化。理想气体制冷剂从压力PB压缩到PA的等熵压缩功Wi为：(3-18)式中Wi—理想气体等熵压缩功，kW；m—制冷剂的流量；—理想气体等熵压缩后（D´点）气体的焓；hVB—节流膨胀后（B点）气相制冷剂的焓；)(VBVDihhmWVDh2020/3/3LNG17第三节蒸气压缩制冷的值由制冷剂在压力PA时的性质和熵值SC所确定。由于制冷剂不是理想的流体，而且制冷的压缩机也不能在理想状态下工作。所以，实际的压缩功W可由下式得到：(3-19)式中ηi—等熵效率；m—制冷剂的流量；hVD—实际气体压缩后（D点）气体的焓；压缩机出口流体的焓：(3-20)压缩功：(3-21)其中，3600J/h=1kW。VDh)(/)(/VBVDiVBVDiihhmhhmWWVBiVBVDVDhhhh)(3600/WBP2020/3/3LNG18第三节蒸气压缩制冷4）过热气体冷凝过程（D-A）气相制冷剂由过热状态降低到露点温度，再由露点温度的气体被冷凝到饱和液体。冷凝负荷Qcd：(3-22)制冷剂的冷凝压力与所使用的冷却介质（空气、冷却水还是其它制冷剂）有关。注意：由于压缩机出口蒸气是过热的，因而制冷剂的冷凝曲线不是一条直线，它是脱过热和恒温冷却的结合。设计冷凝器必须考虑这一因素。)()()hLAVDVBVDLAVBcdhhmhhhmQ（2020/3/3LNG19第三节蒸气压缩制冷二、制冷剂天然气制冷装置中应用最普遍的是:丙烷、乙烯、乙烷、甲烷等制冷剂。制冷剂代号制冷剂名称化学分子式标准大气压力下沸点（℃）凝固温度（℃）临界湿度（℃）R50甲烷CH4-161.67-182.78-82.2R170乙烷CH3CH3-88.6-172.232.3R290丙烷CH3CH2CH3-42.12-187.196.8R600正丁烷CH3CH2CH2CH3-0.39-135152.2R1150乙烯C2H4-103.8-168.79.33R1270丙烯C3H6-47.6-18591.1表3-1碳氢化合物制冷剂2020/3/3LNG20第三节蒸气压缩制冷三、蒸汽压缩制冷循环流程单一制冷剂压缩制冷、级联式制冷和混合制冷剂制冷等几种形式。1.单一制冷剂压缩制冷（1）单一制冷剂单级压缩制冷数据是纯丙烷制冷剂图3.6单级制冷系统图3.7单级冷却、冷凝和加热曲线1740为什么？49?108-402020/3/3LNG21第三节蒸气压缩制冷（2）单一制冷剂两级制冷系统用一个两级制冷系统并有级间闪蒸节能器，可节能20%。图3.8两级制冷系统-4？-40？2020/3/3LNG22第三节蒸气压缩制冷（3）单一制冷剂三级制冷系统用三级压缩制冷系统与两级系统类似，也可使用闪蒸节能器和级间热负荷。其节能的程度虽不能与两级同单级之间的差异相比，但其节能量仍足以证明增加设备是值得的。图3.9为典型的三级丙烷系统。图3.9三级制冷系统38？2020/3/3LNG23第三节蒸气压缩制冷4）制冷系统结构比较随着压缩机增加能耗迅速降低。然而，随着压缩机增加，制冷系统的安装费用也会升高。最佳的总费用与特定的制冷系统有关而由一系列的经济参数确定。级数123制冷负荷，kW293293293.制冷温度℃-40-40-40制冷剂冷凝温度℃383838压缩功BPkW218176167N下降值%Base19.223.3冷凝器负荷kW511469462冷凝器负荷的变化%Base-8.2-9.6表3-2级数对丙烷制冷系统的影响2020/3/3LNG24第三节蒸气压缩制冷2.级联式制冷用单一的中温制冷剂两级压缩获得低温，受到蒸发压力过低的限制；而用单一的低温制冷剂又受到冷凝压力过高或在超临界区工作的限制。采用两种制冷剂的级联式制冷循环。其典型流程见图3.10。图3.10级联式制冷循环流程图为什么？2020/3/3LNG25第三节蒸气压缩制冷3.混合制冷剂制冷循环为了获得较低的制冷温度，采用两种或两种以上工质混合而成的混合制冷剂制冷循环。1-压缩机；2-冷凝器；3-储液器；4-冷凝蒸发器；5-储液器；6-回热器；7-蒸发器；8、9-节流阀图3.11混合工质单级分凝低温制冷系统低温冷剂混合制冷剂部分液化2020/3/3LNG26第三章制冷原理和方法习题1.在天然气液化工业中，制冷一般可以采用哪些方式？2.请解释节流效应？为什么天然气在有压力降低时会产生温降？3.请解释气体作外功的绝热膨胀效应，并说明膨胀机制冷工作过程。4.蒸气压缩制冷制冷的原理是什么？说明它的四个过程。5.说明蒸气压缩制冷制冷四个过程压力、焓、熵是怎么变化的？。6.天然气液化工业中常用的制冷剂有哪些？7.为何单一制冷剂采用多级压缩制冷的效率要比采用单级压缩高？8.请解释为何要采用级联式和混合冷剂制冷？它们的原理是什么？