第四章 气体制冷与液化循环

第四章气体制冷与液化循环有些应用低温的场合，只是利用液化气体来冷却某些装置或器件，即仅是利用低温液体的气化热来冷却部件和补偿外界的漏热，称之为低温液体制冷机。在这些情况下，低温液体蒸发后蒸气的显热（从沸点升温至室温所吸收的热量）并不加以利用，这是不经济的在有些场合，使用低温液体是不方便的（例如在空间飞行器上的电子元件的冷却等），人们设计了在一定温度下得到一定冷量，但并不生产低温液体的制冷机，用它来直接冷却需保持在低温的部件。因此，对于那些以制取冷量为目的的制冷循环，没有液态产品从制冷机中输出，称之为低温气体制冷机低温气体的制冷和液化循环有四种基本类型：节流循环、带膨胀机的循环、利用气体制冷机的循环、及采用逐级冷却的复叠循环4.1节流循环节流循环是低温技术中最基本的循环之一由于节流循环的装置结构简单、运行可靠，这就在一定程度上抵消了节流膨胀过程不可逆损失较大的缺点主要介绍简单林德循环有预冷的节流循环林德双压循环4.1.1一次节流循环—次节流循环是最早在工业上采用的气体液化循环1895年德国林德和英国汉普逊分别独立地提出了一次节流循环。因此也常称之为简单林德循环或汉普逊循环，或林德-汉普逊循环。林德循环是指以高压节流膨胀为基础的气体液化循环，其特点是循环气体既能被液化又起冷冻剂作用气体在环境温度下被等温压缩，并由冷却介质（如水、空气等）带走压缩热，在图上简单地用等温线1—2表示压缩气体在换热器内被节流后的返流气体冷却到点3，这是一个等压冷却过程，在图上用等压线2—3表示高压气体经节流阀节流膨胀至点4，此时有部分气体被液化。在图上节流过程用等焓线3—4表示节流后末被液化的气体及作为制冷机时由于吸收热负荷后气化的气体，从贮液器（g点）引出，流经换热器被进入系统的压缩气体加热到常温（点1），返回到压缩机入口。其复热过程在图上用g-1等压线表示压缩机的需用功，可由在稳定流动条件下压缩机的热平衡来确定12hhqWQmR（4-1）在等温压缩的条件下式中：QR——等温压缩过程与外界交换的热量W——压缩过程耗功121ssTqQmR（4-2）将式（5-2）带入式（5-1），得21211hhssTqWm（4-3）对于制冷循环来说，假设除了节流阀外没有不可逆压力降，没有漏热，换热器的效率为100%，可分别对贮液槽部分或对除压缩机之外的系统部分进行热平衡。由此得出制冷系统的制冷量为21hhqQmo（4-4）于是，一次节流制冷循环在理想条件下的制冷系数为2121121hhssThhWQo（4-5）同样，当该系统用作液化循环时，对换热器、节流阀和贮液槽进行能量平衡，得fmfmfmmhqhqqhq12（4-6）mmfqqy/设液化率，则由式（4-6）可得fhhhhy121（4-7）式中：hf——被液化气体的比焓qmf——从贮液槽中移出的液体流量由此可知，在液化循环中，制冷量Qo被从贮液槽中移出的液体的所取代，在这种情况下，只有在节流后未被液化的气体通过换热器返回到压缩机fmfhq4.1.2有预冷的一次节流循环降低高压空气进换热器的温度对增加等温节流效应、提高液化率起到一定的作用若用一次节流循环液化转化温度低于环境温度的气体，就要求采用外部的辅助冷却剂进行预冷，以提高循环的经济性对于空气节流液化循环，一般采用二氧化碳、氨、氮利昂（或替代工质）制冷机组进行预冷，可使高压空气的温度降低至–40~–50℃，再进入换热器。采用的辅助预冷剂的临界温度，应高于环境温度，以使制冷剂与室温下的空气或冷却水换热后能冷凝由于氖、氢和氦的转化温度分别为250K、205K和45K，因此液氮是H2和Ne液化系统的最佳预冷剂，液氢可用作氦液化系统的预冷剂有预冷的林德循环流程图及T-s图sT图有预冷的空气液化系统流程图4.1.3二次节流循环二次节流循环也叫林德双压循环（Dual-PressureProcess）它是在循环中，将高压气体节流到某一中间压力后，分成两部分，一部分回收其冷量后再回到高压压缩机（这部分气体称为循环气体），以提高高压压缩机的进气压力，减少功耗；另一部分气体从中压再次节流到低压并获得液体。这种具有部分循环气体的液化循环，称为二次节流循环该循环可以减少液化需用功，因为在简单林德循环中，只有压缩气体的很小部分被液化，节流后末被液化的大部分低压气体返回到压缩机。双压循环中，部分压缩气体节流膨胀到中压就返回压缩机。虽然双压循环的液化率会有些降低，但其单位液体产品的功耗比简单林德循环低。然而，双压循环环增大了系统的复杂性，因而也降低了过程的可靠件4.2等熵膨胀循环在绝热条件下，压缩气体进入膨胀机进行等熵膨胀并对外作功，可获得较大的温降及制冷量采用气体输出外功等熵膨胀的循环，在气体液化和分离设备中应用尤为广泛。在作功的等熵膨胀中，气体的温度总是会降低的，因而制冷量并不取决于在膨胀前是否低于气体的转化温度在大型机器中，膨胀时所产生的功应加以回收。但对于小型制冷机，膨胀功通常消耗在功吸收装置或过程中与上述等熵膨胀概念对应的是西蒙氦液化器等熵膨胀循环流程图及T-s图西蒙氦液化器西蒙氦液化器被用以生产少量的液氦，利用绝热放气原理制冷。虽然这一制冷过程为一不可逆过程，但容器内工质的比熵不变循环过程1过程l—2：将高压氦气充入厚壁容器，氦气的压力大约为15MPa，温度为环境温度循环过程2过程2—3：用液氮将容器和高压氦气冷却到77K，在冷却过程中继续对容器充气，以维持容器内压力不变循环过程3过程3—4：一旦达到液氮温度时，就将原来在真空空间中的氦气抽走，然后在液氢空间中注入液氢，将其中的氦气置换出来。于是内容器及其中的氦气被冷却到液氢温度20.4K循环过程4过程4—5：对液氢抽空，使压力降低到其三相点以下，内容器及其15MPa的氦气被进一步冷却到10~12K。循环过程5过程5—6：最后，开启氦气排放阀，将氦的压力从15MPa降低至0.101MPa。由于保留在容器中的氦对排放出的氦气做功，该过程基本上是等熵膨胀过程，能使容器中80%~100%的氦气液化。4.3等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环采用节流阀膨胀在热力学上是一个不可逆过程采用膨胀机的等熵膨胀，可获得比等焓膨胀低得多的温度现在工业上应用的大多数制冷和液化装置都采用等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环，以期在贮液器中获得更多的低温液体。这通常是为了避免因膨胀机中生成液体而带来麻烦克劳持循环就是典型的具有等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环（CombinationofIsenthalpicandIsentropicExpansion）克劳特循环1902年，法国的克劳特首先实现了带有活塞式膨胀机的空气液化循环在克劳特系统中，气体首先被压缩到大约4MPa的压力，然后进入第一换热器A。从第一换热器出来的主流气中，大约有60%~80%的气体分流到膨胀机，膨胀后的气体在第二换热器B后面与返流气汇合。待液化气体则连续通过B、C换热器，最后通过节流阀进入贮液器。贮液器的冷蒸气则通过各级换热器冷却后返回压缩机在克劳持系统中，膨胀阀仍是不可缺少的、因为在实际系统中不允许膨胀机中生成很多液体。倘若在容积式膨胀机中的气缸中存在液体，便会形成很高的瞬态应力。某些透平膨胀机（轴流式）可以允许含有15%或更高的液体而不致对透平叶片产生危害克劳特循环流程图及T-s图在克劳特循环中，高压气体压力p2，进入膨胀机的气量me，以及进膨胀机的高压气体温度T3等参数，不仅影响循环的性能指标制冷量、液化率和需用功等，还会影响系统中换热器的工况。现讨论如下：当p2和T3不变时，增大膨胀量me，膨胀机的产冷量随之增大，循环的制冷量及液化率相应增加。但过分增大时，由于进入节流阀的气量太少，会导致制冷量过剩，使第二换热器偏离正常工况，或造成不必要的冷量损失当me和T3一定时，提高高压气体压力p2，等温节流效应和膨胀机的单位制冷量均增大，液化率或制冷量增大。但过分提高，会造成冷量过剩，冷损增大，进而使能耗增大当p2和me一定时，提高膨胀前气体温度T3，膨胀机焓降即单位制冷量增大，膨胀后气体的温度也同时提高。节流部分的高压气体出第二换热器的温度与有关，若太高，膨胀机产生的较多冷量不能全部传给高压气体，导致冷损增大，甚至会破坏第二换热器的正常工作在上述讨论中，都假定两个参数不变。但在实际过程中，三个参数之间是相互制约的，因此在确定循环参数时要综合考虑，才能得到最佳值