MRC混合制冷.ppt

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1、混合制冷 王斌 第一章制冷基础知识概论制冷 又叫冷冻 指使物系温度降到低于周围介质温度的过程 习惯上将冷冻温度大于173K的制冷叫普冷 将温度小于173K的制冷叫深冷 在工业上 为了达到制冷的目的 常用以下三种操作方法 a 溶液的减压蒸发 b 流体的节流膨胀 c 气体做外功的等熵膨胀 第一种方法 主要用于普冷 其余用于深冷 第一节普冷因为在低温甲醇洗过程中 需要在较低温度下来操作 因此 就需要能提供冷量的装置 而根据设计所使用的冷源为 40 和0 这样 选用冷冻剂氨的减 压蒸发工艺即可满足工艺要求 一 热机及卡诺循环 1 热机 用热能来做功的机器叫热机 一般由锅炉 透平冷凝器和泵组成 其整个循

2、环由四热力过程组成 见下图 1 等压加热过程 工质水从高温热源吸收热量成为过热蒸汽 高温热源的温度为TH 吸热量为QH 2 绝热膨胀过程 高温高压工质在透平中绝热膨胀 对外做功为W 3 等压冷凝过程 乏汽在冷凝器中冷凝 工质由气态变为液态 放出热量为QL 4 绝热压缩过程 工质水用泵送至锅炉 所需功为WP 其热效率为 2 卡诺循环 由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程所构成的循环叫卡诺循环 完成卡诺循环的装置叫卡诺热机 其效率为 即 热效率只与高低温热源温度有关 与工质种类无关 可逆热机的热效率最大 下图为卡诺循环示意图 二 温熵图 T S图 T S示意图 用它可以表示某物质在各种状态下的热力

3、学性质 图中 P1 P2 P3为等压线H1 H2 H3为等焓线c点为临界点ac为饱和液体线bc为饱和蒸汽线ac左侧为液体区 L acb之下为气 液两项区 L G dcb之上为气相区 G 2 T S图应用举例 2 1等压加热或冷却过程 1 2为等压加热过程 所需热量QP H2 H1 3 4为等压冷却过程 其放出热量 H3 H4 3 节流过程示意图 如下图 2 等温压缩或膨胀过程 1 2过程为等温压缩过程 过程热量 Q T S T S2 S1 过程焓差 H H2 H1 因为 H Q W 所以 过程轴功W Q H T S2 S1 H2 H1 3 4为等温膨胀过程 由T S图 同理可计算出过程轴功W

4、2 1为节流膨胀过程 它沿等焓线进行 该过程 H 0由图可见 a S1 S2表明过程可自发进行b T1 T2表明节流膨胀后温度降低 P2 4 等熵膨胀过程 T1 第二节我公司的制冷一 制冷的目的和意义 由于粗煤气净化工艺采取低温甲醇洗工艺流程 而低温甲醇洗的操作温度在 如上图所示 2 1为绝热凳上膨胀过程 该过程沿等熵线进行 因Q T S H H1 H2由 H Q W知 H W由图可见 等熵膨胀过程 温度由T2降到T1 图中2 1 过程为不绝热膨胀过程 因 因S1 S1 故同绝热等熵膨胀过程相比 T2 T1 T2 T1 30 60 之间 而其中一部分冷量就需要制冷装置来补偿 而且通过热力学计算

5、得出我工艺的低品位热能有相当的富裕 出于能量利用的最大化考虑 采取压缩吸收混合制冷工艺 二 制冷的基本概念 1 制冷的定义 制冷是指用人工的方法将物系的温度降到低于环境温度的过程 2 普冷和深冷 普冷 通常把制冷温度在 100 以上 的称为普冷 深冷 通常把制冷温度在 100 以下的称为深冷 根据我公司的工艺流程图看 空分 LNG是深冷 而低温甲醇洗属于普冷 三 制冷的热力学基础 首先 必须明确制冷是以热力学为其主要理论依据的 热力学是一门研究能量及其相互转换规律的基础学科 主要研究热能和机械能等其它能量转换规律 其中热力学的第一定律和第二定律是制冷的重要依据 我们重复一下热力学第一定律和热力

6、学第二定律 热力学第一定律就是能量守恒定律 热力学第二定律是指 热不可能自动从低温物体传给高温物体 或者说不可能从单一热源吸热使之完全转变为有用功 而不引起其它变化 上图为热机工作过程示意图 热机一般是由四个部分组成 锅炉 透平冷凝器 泵四部分 流程简介 由锅炉出来的高温高压蒸汽 实际为过热蒸汽 进入透平 在其中膨胀 推动透平做功 带动发电机 而出透平的乏汽 低温低压蒸汽 进入冷凝器 由冷凝水移走热量后 经泵打压返回锅炉 吸收热量汽化 构成循环 如果蒸汽在透平或汽轮机 中膨胀和冷凝水用泵升压都是绝热过程 并且升压所需之功WP由透平供给 则整个循环由四个过程组成 而1 2水由高温 TH 热源吸收

7、热量QH而汽化 2 3蒸汽在透平中进行绝热膨胀作出净功W 3 4乏汽在低温 TL 下放出QL 负值 冷凝 4 1冷凝水用泵绝热压缩升压后返回锅炉 每次循环 工质从高温热源吸收热除去部分用作净功外 必定还有部分热量排至低温热源 由此可见 经过循环过程 热量并没有完全转化为功 而是有一定限制的 四 制冷的原理 普冷的物理制冷法原理 相变制冷 1 相变 是指物质聚集状态的变化 在这个变化过程中 物质分子重新排列 物质分子的运动速度发生改变 并伴随着热量 变化 我们将这种热量叫相变热 2 相变制冷 利用某些物质在相变化时的吸热效应来达到制冷目的 任何液体液体汽化 都会产生吸热效应 所以液体汽化的相变制

8、冷应用非常广泛 3 冷冻剂的选择 相变制冷是利用某些物质发生相变化时的吸热效应来制冷的 而这些物质就是制冷剂或称为冷冻剂 3 1冷冻剂的选择原则 首先 冷冻剂的汽化潜热应尽可 能的大 这样在一定的冷冻能力下 可以降低冷冻剂的循环量 从而使冷冻设备的体积和实际动力消耗减少 其次 冷冻剂在蒸发温度下蒸汽比热容要小 以缩小压缩机的体积和节省实际功消耗 第三 冷冻剂必须具有稳定的化学性质 不应有显著的腐蚀和分解作用 对操作人员也不应有毒害和强烈的刺激作用 第四 不应具有易燃或易爆性 最后 冷冻剂的价格应便宜 同时供应方便 如果采取往复式压缩机则上述条件必须满足 如果采用离心压缩机则不必考虑第二条 而经

9、过综合考虑我们工艺采取液氨作为制冷剂 4 氨的性质 氨的汽化潜热较大 对钢铁的腐蚀性小 极易溶于水 有刺激性气味 汽化潜热大 对人的呼吸道有害 我们将相变制冷中的相变物质叫冷冻剂 饱和氨蒸汽表 从上表中可以看出 液氨的蒸发温度与压力有关 温度愈低 压力也愈低 因此可以根据所要求的冷冻温度确定液氨蒸发压力 根据冷冻量 即取走的热量 来确定液氨蒸发量 液氨蒸发为气氨 从环境吸收热量 使环境达到冷冻的目的 在整个工艺上和经济上才更合理 气氨变成液氨必须采取冷却的办法 可是蒸发温度很低 要把低温下的气氨变成液氨 则要求冷却剂的温度更低 这与制冷相矛盾 从上表中可以看出 如果把气氨压力提高 则冷凝温度也

10、 相应提高 当冷凝温度高于冷却水温度后 就可以用冷却水来冷却 例如 把气氨压力提高到16atm后 冷凝温度达到40 显然可以用冷却水来冷凝气氨 使氨气重新变成液氨 液氨再减压蒸发如此循环 气氨压力的提高可以由压缩机来完成 也可以经溶液吸收后用泵加压送至精馏装置 再精馏出高压气氨 即用 热压缩机来完成 最后用冷却水降温后送出界区 5 冷冻剂的循环使用 液氨蒸发 变成气氨 需从外界环境吸收吸收热量 使环境温度降低 从而达到制冷的目的 氨循环使用 必须采取冷却的办法将气氨再变成液氨 由液氨的性质知 低压下 冷冻量大 高压时 气氨冷凝温度高 故氨可以采用下法循环使用 1 高压液氨进行减压蒸发 2 将气

11、氨提压 以便于用冷却水冷凝 3 气氨变成液氨 重新从第一步开始循环 对于氨制冷剂 1 蒸发温度和压力有关 压力越低 蒸发温度也越低 2 汽化潜热和压力有关 压力提高 汽化潜热值降低 即 在低温低压下的制冷能力较大 五 普通冷冻循环 冷冻剂完成从液到气 再从气到液的循环过程 必须具备四个主要设备 膨胀设备 蒸发装置 升压装置和冷凝装置 从低温蒸发态向高温冷凝态转变的过程不能自动进行 需要外界提供能量 按照外界 输入能量的形式不同 我们将制冷循环分为两大类 即消耗机械能的制冷和消耗热能的制冷 制冷循环 机械能制冷 气体压缩制冷 g态 蒸汽压缩制冷 g l态交替 热能制冷 吸收制冷 蒸汽喷射制冷 我

12、们重点介绍蒸汽压缩制冷和吸收制冷 1 蒸汽压缩制冷 1 原理说明 制冷剂 由高压节流到低压 呈液态 压缩机将气态的工质由低压压缩到高压 蒸发器完成液态到气态的转变过程 冷凝器完成气态到液态的相转变过程 图中 12等熵压缩过程233恒压冷凝过程34等焓膨胀过程41恒温恒压吸热过程12341是理想过程 实际运行是不可逆过程 存在差异 应该是1 2 233 4 1 过程 为了减小功消耗 同时获得不同的冷冻温度 常采用多级蒸汽压缩制冷循环 即通过多级压缩和多级膨胀的组合 使装置在更经济的条件下运行 2 吸收制冷 1 吸收制冷 就是直接利用热能制冷的冷冻循环 通过吸收和精馏装置来完成循环的过程 2 氨吸

13、收制冷热力学依据 吸收制冷是利用二元溶液组分蒸汽压的不同来进行的 对于氨 水二元溶液 氨易挥发 且汽化潜热大 用作制冷剂 而水挥发性小用作吸收剂 3 氨吸收制冷循环 整个循环过程 由冷凝 节流后蒸发 吸收和精馏组成 用稀氨水吸收气氨为浓氨 水溶液 加压后送往精馏塔 将氨分离出来 通过冷却水冷却 气氨变成液氨 液氨再减压蒸发 被循环利用 示意图如下 3 冷冻能力 冷冻能力是指冷冻装置在一定条件下 制冷剂自被冷物体中所能取出的热量 对于相同的温度条件和一定的冷冻剂而言 冷冻能力与冷冻机的大小 转速 效率 操作条件等有关 通常是以单位时间所吸取的热量KJ H或者kcal h表示 或者以单位重量冷冻剂

14、或单位容积的冷冻剂所能吸取的热量 单位 KJ Kg或kcal m3 设以G为每小时循环于冷冻机内的冷冻剂的重量 则冷冻能力为 Q0 Gq0kcal h式中 式中 q0 单位重量冷冻剂的冷冻能力G 冷冻剂量Q0 冷冻能力若已知冷冻能力 则可算出冷冻剂的循环量 而对于同一台冷冻机 若操作的温度条件 如冷冻剂的蒸发温度 液化温度 过冷温度 发生变化 冷冻能力也随之改变 为了确切地说明冷冻机的特性 就必须指定冷冻机的操作温度 由于冷冻机的操作温度很难与国际给定的标准相符 国际标准为 蒸发温度258 16k 液化温度303 16 k 过冷温度为298 16k 即过冷5k 故必须将实际冷冻能力换算为标准准

15、冷冻能力 冷冻操作所需实际消耗的功耗 可由所需理论功率求出 冷冻操作中的压缩机的理论功率 Nt WF 860KW又知 Q0 WF所以 Nt Q0 860 冷冻系数 消耗单位外功所获得的冷冻量 WF 外界输入的功 号表示输入Q0 冷冻量由于实际压缩时 考虑到压缩机的效 率 需将理论功除以总效率方为电动机的实际消耗功率 此效率 一般为0 75即N Nt 4 多级蒸汽压缩制冷循环 如果要获得较低的温度 蒸发压力较低 则蒸发的压缩比就要增大 这时采取单级压缩就不易 必须采用多级压缩 在用氨作为制冷剂时 低压蒸发温度为248k 208k时 一般采取两级压缩制冷 当氨蒸发温度小于208k时 一般采取三级压

16、缩制冷 同时 多级压缩制冷通常与多级膨胀结合级间用冷却水或依靠冷却剂蒸发中间冷却 此时蒸发容积减小 因而 多级压缩制冷循环不仅可以节约功的消耗 而且还能获得多种不同的冷冻温度 每级压缩比的减小 降低了被压缩蒸汽的过热温度 这就改善了压缩机的润滑和工作条件 常用的二级蒸汽压缩制冷循环的流程图即T S图如下 两级压缩制冷流程图 1 高压压缩机2 冷凝器3 高压节流阀4 中间预冷器5 中间蒸发器6 低压节流阀7 低压蒸发器8 低压压缩机9 水冷却器 流程简述 低压蒸汽器7内所产生的压力为P02 温度为T02 T S图上状态点为1 的干饱和蒸汽被低 压压缩机汽缸吸入 压缩至中间压力P01 状态点为2

17、后 过热的蒸汽即在此压力下被水冷却至状态2 而后借在中间预冷器内部分冷冻剂的蒸发冷至温度T01 点3 高压压缩机汽缸吸入的是四种冷冻剂蒸汽的混合物 由低压压缩机来的蒸汽 中间制冷是产生的蒸汽 通过节流阀3在中间预冷器内产生的蒸汽和冷却低压压缩机来的蒸汽所蒸发出来的蒸汽 混合蒸汽在高压压缩机内压缩至状态4 此过热蒸汽在冷凝器中冷却至状态5 和冷凝成液态 点6 并且可能过冷至 点7 液体制冷剂经节流到压力P01及 温度T01 点8 进入中间预冷器 部分制冷剂在中间蒸发器制冷 另一部分经节流阀6节流 点9到点10 进入低压蒸发器制冷 两级压缩制冷所消耗的功及获得的冷冻量 不能象单级压缩制冷那样在T

18、S图上简单的表示出来 因为全部制冷都经过高压压缩机 而低压压缩机只压缩低压蒸发器出来的蒸汽 即经过两个压缩机的冷冻剂蒸汽量是不同的 有时是一台压缩机分几个汽缸来进行几级压缩 T S图中 WHP及WLP只分别表示经过高压及低压压缩机单位冷冻剂所消耗的功 因此 冷冻量及消耗功的计算 主要涉及到冷冻剂蒸汽量计算 在现代化的化工厂中 因为冷却温度是逐步降低的 就采取了三级压缩三级膨胀的氨冷循环 在三种不同蒸发压力和冷凝温度下逐步冷凝 以降低制冷所消耗的功 5 吸收制冷和压缩制冷的区别 1 吸收制冷有利于热能的综合利用 由于氨吸收制冷加热所需要的热源温度较低 故可以充分利用低温热能 在工厂中的低压蒸汽

19、蒸汽透平机的排气均可作为热源 因而可以节约不少能量 大大降低了生产成本 2 吸收制冷的负荷调节范围大 通常 负荷可以在30 100 的范围内变化 而压缩制 冷负荷的范围变化较小 当负荷减到70 时就无法正常运行 因此 吸收制冷不但操作方便 而且可以节约部分控制费用 3 吸收制冷可以露天安装 而压缩制冷需要厂房 因此可以降低建筑费用 4 维修简单 易于管理 由于氨吸收制冷装置除氨水泵外 都是静止设备 如塔 热交换器 罐等 结构简单 维护检修工作量小 易于管理 5 吸收制冷和压缩制冷相比钢材消耗和冷却水消耗量都比压缩制冷的消耗量大 6 氨吸收制冷和压缩制冷流程对比 1 蒸发器2 节流阀3 冷凝器4

20、 压缩机5 再沸器6 吸收器7 换热器8 泵由上图可以看出 两图虚线的右侧是完全相同 而所不同的是左侧 氨吸收制冷循环中的吸收器和再沸器代替了蒸汽压缩机 再沸器将吸收得到的液氨水溶液进行精馏 由热源向供热作为分离所需的能量 吸收器用精馏后的稀氨水溶液作为吸收剂来吸收蒸发器的气氨 由冷却水移走吸收 时所释放的热量 而对于压缩制冷来讲 图虚线左侧相当于一台热机 因为它同样在高温热源吸热 向低温冷却水排热 显然 此过程提供了能量 使冷冻循环得以进行 吸收制冷循环的再生器压力 是由冷凝器中冷凝器中冷凝氨的温度所决定的 同样 吸收器的压力决定于液氨蒸发器中的蒸发压力 再生器的压力较吸收器的压力要高 因此

21、需要泵将吸收器中的浓氨水溶液想再生器中输送 再生器和吸收器的温度分别由所用热源和冷却水的温度所限定 因此氨水的浓度也就不能随意变动了 换句话说 要保证这两台设备各自的温度 压力条件 必然要维持氨水溶液在两台设备间有一定的浓度差 稀的氨水和浓的氨水溶液可通过换热器进行换热 以减小热源所供给的热量和冷却水的消耗量 若环境温度为T0 制冷温度为TL 则在理想情况下制冷所需的最小功 可根据逆卡诺循环的冷冻系数求得 Q0 TL 式中 Q0 为液氨在TL蒸发时吸收的热量 也就是所提供的冷冻量 WF 在理想情况下制冷所需的最小功 假如所用热源的温度为TR 则获得的最小功WF所需的最小热量Qmin可根据卡诺热

22、机的效率求得 因此 为了获得冷冻量所需要的热源供给的热量可以联合上两式求得 因为卡诺循环实际是不可逆的 是不能实现的 故氨吸收制冷的实际热力系数总比上式所求的理论值要低 氨吸收虽可以利用各种废热源 但是实际的热力系数较低 也是它的缺点 实际吸收制冷循环需要的热源给的热量可由能量平衡算出 在稳定流状况下 环境加入体系的能量 应等于体系传给的能量 以保持能量平衡 加入体系的能量包括 蒸发器内由冷却介质传给的热量 单位制冷量 Q0 供给发生器的热量 单位热负荷 QR氨水泵加入的能量 WS由体系传出的能量包括 吸收器放出的热量QA冷凝器放出的热量Qc故氨吸收制冷装置的热平衡式为Q0 QR WS QA Qc其热力系数