化工熱力學制冷1第1頁，課件共56頁，創作于2023年2月6蒸汽動力循環與制冷循環

6.1蒸汽動力循環

6.2氣體的壓縮

6.3膨脹過程

6.4制冷循環

6.5深度冷凍循環第2頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環6.4.2吸收制冷循環6.4.3熱泵及其應用

第3頁，課件共56頁，創作于2023年2月<Tlow

保持

－100℃

普通制冷

深冷

制冷第4頁，課件共56頁，創作于2023年2月氣體液化制冷低溫反應食品儲存結晶分離潤滑油凈化氣溫調節第5頁，課件共56頁，創作于2023年2月Q代價

(W)自發OK!!制冷的實質：利用外功將熱持續的從低溫物體傳給高溫環境介質第6頁，課件共56頁，創作于2023年2月消耗外功型消耗內能型制冷蒸氣壓縮制冷空氣壓縮制冷蒸汽噴射制冷吸收制冷第7頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環

制冷，即根據熱力學第二定律的原理，消耗功把熱量自低溫物體移向高溫物體并保持低溫的過程。工程上習慣把TL>173K稱為普通冷凍簡稱普冷，把TL<173K稱為深度冷凍簡稱深冷。第8頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環1.逆卡諾循環-理想的可逆制冷循環冷凝器蒸發器壓縮機膨脹機121234THTL0S4S1QH3Q04第9頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環

循環過程：

1-2：絕熱可逆壓縮，P1-P2，TL-TH，消耗外功，等熵過程；

2-3：等溫可逆放熱過程；

3-4：絕熱可逆膨脹，P2-P1，TH-TL，對外作功，等熵過程；

4-6：等溫可逆吸熱過程。第10頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環

循環過程的制冷系數ε第11頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環1234THTL0S4S1第12頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環討論：第13頁，課件共56頁，創作于2023年2月冷凝、冷卻器蒸發器壓縮機節流閥12543TS54123(飽和l)(濕蒸汽)(飽和g)(飽和g)等焓線等壓線過熱蒸氣6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環第14頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環2.單級蒸汽壓縮制冷循環循環的構成冷凝器蒸發器壓縮機節流閥12Q0QH34T0S1234P1P2第15頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環3-4：飽和液體的節流膨脹過程，為等焓過程。其余同逆卡諾循環。制冷系數ε

裝置的制冷能力：功耗：第16頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環制冷機所消耗的理論功率制冷系數制冷劑的選擇：蒸發潛熱要大；蒸發壓力要低且相應的飽和蒸汽壓大于大氣壓力，常溫下冷凝壓力要低；較高的臨界溫度和較低的凝固溫度；較強的化學穩定性。第17頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環常用的制冷劑有：氨、氟氯烴、二氧化碳、乙烷、乙烯等。注意：1987年蒙特利爾會議上，起草制訂保護臭氧層的協議，提出限定五種氟氯烴的生產。即氟氯烴的書寫：氟氯烴的商品名稱符號書寫：第18頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環多級蒸汽壓縮制冷循環為了獲得較低的低溫，壓縮比較大時。如氨蒸發溫度248-208K時，采用兩級壓縮制冷循環，低于208K時采用三級。以兩級蒸汽壓縮制冷循環為例第19頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環低壓蒸發器水冷器中間冷卻器中壓蒸發器低壓氣缸高壓氣缸高壓冷卻器節流閥節流閥122’34578T0S122’345678P1P2’P26第20頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環4.復迭式壓縮制冷循環

若蒸發壓力過低或制冷劑凝固溫度的限制，不可能獲得更低的低溫，可采用復迭時制冷循環。為多個單級壓縮制冷循環的串聯操作。如石油裂解分離中廣泛采用的氨-乙烯復迭式制冷，乙烯在蒸發器中可提供-1000C的低溫。第21頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環6.4.2吸收制冷循環6.4.3熱泵及其應用

第22頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.2吸收制冷循環

消耗熱能，利用二元溶液中各組分蒸汽壓不同來實現制冷的。即使用在一定壓力下各組分的揮發性（或蒸汽壓）不同的溶液為工質，以揮發性大（蒸汽壓大）的組分為制冷劑，而揮發性小的組分為吸收劑。

工質：二元溶液，如氨-水(-660C--460C)、水-溴化鋰(0-60C)溶液等。第23頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.2吸收制冷循環冷凝器蒸發器壓縮機節流閥12Q0QH34吸收器換熱器解吸器泵冷凝器節流閥蒸發器1冷卻水Q0Q冷卻水234QH第24頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.2吸收制冷循環吸收制冷裝置的經濟技術指標用熱能利用系數ξ表示氨-水吸收制冷循環壓力：再生器壓力由冷凝器中氨冷凝溫度決定，吸收器壓力由蒸發器液氨蒸發壓力決定；溫度：再生和吸收溫度分別由熱源和冷卻水溫度決定。即分別由其他給定條件決定，因此濃、稀氨水的濃度不能隨意變動。

優點：直接利用熱能，且品位較低。第25頁，課件共56頁，創作于2023年2月吸收器換熱器解吸器泵冷凝器節流閥蒸發器1冷卻水Q0Q冷卻水234QH6.4制冷循環6.4.2吸收制冷循環第26頁，課件共56頁，創作于2023年2月吸收制冷裝置的經濟技術指標用熱能利用系數ξ表示如：氨-水吸收制冷循環中壓力：再生器壓力由冷凝器中氨冷凝溫度決定，吸收器壓力由蒸發器液氨蒸發壓力決定；溫度：再生和吸收溫度分別由熱源和冷卻水溫度決定。即分別由其他給定條件決定，因此濃、稀氨水的濃度不能隨意變動。

優點：直接利用熱能，且品位較低。6.4制冷循環6.4.2吸收制冷循環第27頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.1蒸汽壓縮制冷循環6.4.2吸收制冷循環6.4.3熱泵及其應用

第28頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.4制冷循環6.4.3熱泵及其應用熱泵：消耗機械功，完成熱能從低溫區傳向高溫區并維持高于環境溫度的裝置。

工作原理：同蒸汽壓縮制冷循環過程。

不同點：工作目的與操作的溫度范圍。

應用：工業上用于廢熱回收，家用空調等。

性能指標：供熱系數εHP第29頁，課件共56頁，創作于2023年2月6蒸汽動力循環與制冷循環

6.1蒸汽動力循環

6.2氣體的壓縮

6.3膨脹過程

6.4制冷循環

6.5深度冷凍循環

第30頁，課件共56頁，創作于2023年2月

深度冷凍循環的目的就是獲得低溫度液體，由純物質的P-T相圖知：當氣體溫度高于其臨界溫度時，無論加多大的壓力都不能使其液化，因此，氣體的臨界溫度越低，所需的液化溫度也越低。為了使這些難液化的氣體液化，必須設法將其溫度降低到臨界溫度以下，這就需要深度冷凍。利用一次節流膨脹液化氣體是最簡單的氣體液化循環。1896年德國工程師Linde首先應用此法液化空氣，故稱為簡單的林德循環

6.5深度冷凍循環

第31頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.5深度冷凍循環

流體P熔化曲線固相汽化曲線三相點升華曲線液相ABCT0

圖2-2純流體的P-T圖TC123PC氣相V<VcV>Vc汽相第32頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.5深度冷凍循環

林德循環（LindeCycle）

⑴工作原理和T-S圖此系統由壓縮機Ⅰ、冷卻器Ⅱ、換熱器Ⅲ、節流閥Ⅳ與氣液分離器Ⅴ組成第33頁，課件共56頁，創作于2023年2月林德循環（LindeCycle）

1-2

常溫T1、常壓P1的氣體經過壓縮至高壓P2（由于壓縮比很大，實際上是多級壓縮組成的，可視為等溫壓縮），高壓氣體經冷卻器冷至常溫T1（2）。2-3

經換熱器冷卻到適當的溫度（點3）。3-4

經節流閥膨脹變為壓力為P1的氣液混合物(4)4-5

送入氣液分離器，飽和液體(0)沉降于分離器底部，未液化的氣體（點5）送入熱交換器與點2的高壓氣體換熱，自身溫度回升返回到壓縮機。6.5深度冷凍循環

第34頁，課件共56頁，創作于2023年2月林德循環（LindeCycle）深冷與普冷是有區別的。主要表現在：

普冷：兩個封閉式循環，制冷循環與被冷物系是兩種物質，是封閉循環。

深冷：制冷循環與分離、液化物質是同一種物質，且是不封閉循環6.5深度冷凍循環

第35頁，課件共56頁，創作于2023年2月林德循環（LindeCycle）

⑵熱力學計算（以處理1Kg氣體為基準）林德循環的基本計算主要是液化量、耗功量和制冷量。

①氣體液化量（液化率）x

定義：液化率就是1Kg被處理的氣體所能產生的液體Kg數6.5深度冷凍循環

第36頁，課件共56頁，創作于2023年2月

林德循環（LindeCycle）

6.5深度冷凍循環

取換熱器、節流閥、氣液分離器為研究體系

第37頁，課件共56頁，創作于2023年2月

由熱力學第一定律

林德循環（LindeCycle）

6.5深度冷凍循環

第38頁，課件共56頁，創作于2023年2月這是理論液化量，實際中由于考慮到換熱器的不完全換熱，造成的損失稱為溫度損失Q2；以及系統保溫不良造成的冷量損失Q3，所以較理論量少。實際液化量為

林德循環（LindeCycle）

6.5深度冷凍循環

第39頁，課件共56頁，創作于2023年2月

林德循環（LindeCycle）

6.5深度冷凍循環

②制冷量在穩定操作下，液化xKg氣體所取走的熱量

理論制冷量實際制冷量第40頁，課件共56頁，創作于2023年2月

③功耗液化循環裝置的功量消耗是用于對氣體的壓縮。如果按理想氣體的可逆等溫壓縮考慮，對體系所作軸功為

ηT—壓縮機的等溫壓縮效率，一般按經驗可取0.59.林德循環（LindeCycle）

6.5深度冷凍循環

比功:

每液化1Kg的氣體所消耗的功稱為比功(耗)第41頁，課件共56頁，創作于2023年2月

④制冷系數一次節流液化循環比較簡單，但效率很低。目前只有小型氣體分離，液化裝置如小型空分裝置還有使用.

林德循環（LindeCycle）

6.5深度冷凍循環

第42頁，課件共56頁，創作于2023年2月在簡單的林德循環中，由于高壓氣體的相對量大和熱容大，用未冷凝的低壓氣體無法將其冷卻到足夠的低溫，克勞德循環通過增設一臺膨脹機來解決這一矛盾6.5深度冷凍循環克勞德循環（ClaudeCycle）第43頁，課件共56頁，創作于2023年2月1）工作原理和T-S圖6.5深度冷凍循環克勞德循環（ClaudeCycle）1231-M456789x換熱器Ⅰ。Ⅱ。Ⅲ節流閥汽液分離器膨脹機壓縮機12679843T0S第44頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.5深度冷凍循環克勞德循環（ClaudeCycle）高壓氣體經冷卻器和第一換熱器冷卻后（3點），一部分經第二、第三換熱器冷卻到節流膨脹所需的低溫（6點），另一部分送進膨脹機作功，膨脹后的低溫氣體（4點）與第三換熱器來的低壓氣體合并，送入第二換熱器作冷卻介質用。采用這一措施，減少了高壓氣體的量，增加了作為冷卻介質的低壓氣體的量，因而可將高壓氣體冷卻到更低的溫度，從而提高了液化率，同時還可以回收一部分有用功。但要注意，高壓氣體進膨脹機的狀態要慎重選定，保證膨脹后不產生液體，以防引起破壞性震動。第45頁，課件共56頁，創作于2023年2月克勞德循環的優點主要表現在：

⑴減少了高壓氣體量，增加了作為冷卻介質的低壓氣體量，增加了冷凍量；⑵提高了液化率；⑶回收了部分功。6.5深度冷凍循環克勞德循環（ClaudeCycle）第46頁，課件共56頁，創作于2023年2月

2）熱力學計算⑴液化量x：

以圖中虛線作為研究體系6.5深度冷凍循環克勞德循環（ClaudeCycle）T0S126798434’1231-M456789x換熱器Ⅰ。Ⅱ。Ⅲ節流閥汽液分離器膨脹機壓縮機第47頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.5深度冷凍循環克勞德循環（ClaudeCycle）若考慮不完全熱交換損失Q2和系統的冷損失Q3，實際的液化量為1231-M456789x換熱器Ⅰ。Ⅱ。Ⅲ節流閥汽液分離器膨脹機壓縮機第48頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.5深度冷凍循環克勞德循環（ClaudeCycle）第49頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.5深度冷凍循環克勞德循環（ClaudeCycle）

⑵制冷量Q0

理論制冷量：實際制冷量：與林德循環相比較，制冷量多出第50頁，課件共56頁，創作于2023年2月6.5深度冷凍循環克勞德循環（ClaudeCycle）⑶功耗WS

在理想情況下：壓縮為等溫過程，氣體在膨脹機中的膨脹過程是等熵過程，在圖中用3-4`線表示。實際上由于各種損失使它偏離等熵過程，而是有熵增的過程，在圖中用線3-4表示T0S126798434’第51頁，課件共56頁，創作于2023年2月⑶功耗WS

在理想情況下：壓縮為等溫過程，氣體在膨脹機中的膨脹過程是等熵過程，在圖中用3-4`線