第五章气体液化循环 第一节气体液化的热力学理想循环和系统性能参数 5.1气体液化的热力学理想循环 气体液化的热力学理想循环是指由可逆过程组成的循 环,在循环的各过程中不存在任何不可逆损失。如图3-4所 示,设欲液化的气体从与环境介质相同的初始状态p1、T1(点 )转变成相同压力下的液体状态p、T0(点0),气体液化 的理想循环按下述方式进行:先将气体在压缩机中等温压缩 到所需的高压p,即从点1沿1—2线到达点2(p2、T1)所 示状态;然后,在膨胀机中等熵膨胀到初压p,并作外功, 即从点2沿20线到达0(p1、70)所示状态而全部液化 此后,液体在需要低温的过程中吸热气化并复热到初始状 态,如图3-4中的0—3-1过程,使气体恢复原状。不过这 一过程不是在液化装置中进行。 压缩机 0L液体」 菑液器 图3-4热力学理想气体液化系统 循环所耗的功等于压缩功与膨胀功的差值。因为压缩过 程和膨胀过程都是可逆的,则1—2压缩过程消耗的功最小, 2—0膨胀过程所作的功最大。因此,采用理想循环使气体液 化的过程所需消耗的功最小
第五章 气体液化循环 第一节 气体液化的热力学理想循环和系统性能参数 5.1 气体液化的热力学理想循环 气体液化的热力学理想循环是指由可逆过程组成的循 环，在循环的各过程中不存在任何不可逆损失。如图 3-4 所 示，设欲液化的气体从与环境介质相同的初始状态 p1、T1（点 1）转变成相同压力下的液体状态 p1、T0（点 0），气体液化 的理想循环按下述方式进行：先将气体在压缩机中等温压缩 到所需的高压 p2，即从点 1 沿 1—2 线到达点 2（p2、T1）所 示状态；然后，在膨胀机中等熵膨胀到初压 p1，并作外功， 即从点 2 沿 2—0 线到达 0（p1、T0）所示状态而全部液化。 此后，液体在需要低温的过程中吸热气化并复热到初始状 态，如图 3-4 中的 0—3—1 过程，使气体恢复原状。不过这 一过程不是在液化装置中进行。 (a) (b) 图 3-4 热力学理想气体液化系统 循环所耗的功等于压缩功与膨胀功的差值。因为压缩过 程和膨胀过程都是可逆的，则 1—2 压缩过程消耗的功最小， 2—0 膨胀过程所作的功最大。因此，采用理想循环使气体液 化的过程所需消耗的功最小
(3.16) vao=T1(S1-S0)-(h1-h2) (3.17) h,-ho (3.18) 将开口系统等温压缩功v及绝热膨胀功v的表达式代 入上式可得 Win=T(S-So)-(h,-ho) (3.19) 式(3.19)表明,气体液化的理论最小功仅与气体的性 质及初、终状态有关。对不同气体,液化所需的理论最小功 不同。表3-2列出了一些液化气体(1kg和1L)所需的理论 最小功的数值。 表3-2一些气体液化的理论最小功wm2 h,-ho 理论最小功vm 气体 kJ/kg KJ//kgkW·h/kgkW·hL 空气 427.1 741.7 0.206 0.18 407.1 6384 0.177 0.201 氧氮氩氢氦氖 433.1 7696 0.213 0.172 273.6 478.5 0.132 0.184 3980 11900 3.31 0.235 1562 6850 0.237 371.2 1331 0.37 0.445 甲烷 915 1110 0.307 0.13 注:空气、氧、氮与氩的初态参数为p=10Pa,T=303K;氢 氦、氖、甲烷的初态参数为p=101.3kPa,Ti=303K
wmin = wco − we （3.16） ( ) ( ) 1 1 0 h1 h2 w T s s co = − − − （3.17） we = h2 − h0 （3.18） 将开口系统等温压缩功 wco 及绝热膨胀功 we 的表达式代 入上式可得 ( ) ( ) min 1 1 0 h1 h0 w = T s − s − − （3.19） 式（3.19）表明，气体液化的理论最小功仅与气体的性 质及初、终状态有关。对不同气体，液化所需的理论最小功 不同。表 3-2 列出了一些液化气体（1kg 和 1L）所需的理论 最小功的数值。 表 3-2 一些气体液化的理论最小功 wmin [2] 气 体 h1 − h0 理论最小功 wmin kJ/kg kJ/kg kW·h/kg kW·h/L 空气 427.1 741.7 0.206 0.18 氧 407.1 638.4 0.177 0.201 氮 433.1 769.6 0.213 0.172 氩 273.6 478.5 0.132 0.184 氢 3980 11900 3.31 0.235 氦 1562 6850 1.9 0.237 氖 371.2 1331 0.37 0.445 甲烷 915 1110 0.307 0.13 注：空气、氧、氮与氩的初态参数为 p1=105Pa，T1=303K；氢、 氦、氖、甲烷的初态参数为 p1=101.3kPa，T1=303K
气体液化循环完全由可逆过程组成时所消耗的功最小, 称为气体液化的理论最小功。 实际上,由于组成液化循环的各过程总是存在不可逆性 (如节流、存在温差的热交换、散向周围介质的冷损等), 因此任何一种理论上的理想循环都是不可能实现的。实际采 用的气体液化循环所耗的功,总是显著地大于理论最小功。 此外采用图3-4所示循环虽然可以将状态点1的气体一次性 完全液化但此时的p2是实际设备无法承受的,如用该系统来 液化氮时,p2高达70-80Gpa,故理想液化循环实际上是无法 实现的。然而,理论循环在作为实际液化循环不可逆程度的 比较标准和确定最小功耗的理论极限值方面具有其理论价 值 气体液化循环的性能指标 在比较或分析液化循环时,除理论最小功外,某些表示 实际循环经济性的系数也经常采用,如单位能耗w0、制冷系 数ε、循环效率FOM。 单位能(功)耗w0表示获得lkg液化气体需要消耗的功。 (3.20) 式中w——加工lkg气体循环所耗的功(kJ/kg加工气 体); y—液化系数,表示加工1kg气体所获得的液化 量 制冷系数为液化气体复热时的单位制冷量qo与所消耗 单位功v之比,即 (321) 每加工1kg气体得到的液化气体量为ykg,故单位制冷 量可表示为 q0=h-h)(kJ/kg加工气体) (3.22)
气体液化循环完全由可逆过程组成时所消耗的功最小， 称为气体液化的理论最小功。 实际上，由于组成液化循环的各过程总是存在不可逆性 （如节流、存在温差的热交换、散向周围介质的冷损等）， 因此任何一种理论上的理想循环都是不可能实现的。实际采 用的气体液化循环所耗的功，总是显著地大于理论最小功。 此外采用图 3-4 所示循环虽然可以将状态点 1 的气体一次性 完全液化但此时的 p2 是实际设备无法承受的，如用该系统来 液化氮时，p2 高达 70-80Gpa，故理想液化循环实际上是无法 实现的。然而，理论循环在作为实际液化循环不可逆程度的 比较标准和确定最小功耗的理论极限值方面具有其理论价 值。 气体液化循环的性能指标 在比较或分析液化循环时，除理论最小功外，某些表示 实际循环经济性的系数也经常采用，如单位能耗 w0、制冷系 数 、循环效率 FOM 。 单位能（功）耗 w0 表示获得 1kg 液化气体需要消耗的功。 y w w0 = （3.20） 式中 w——加工 1kg 气体循环所耗的功（kJ/kg 加工气 体）； y——液化系数，表示加工 1kg 气体所获得的液化 量。 制冷系数为液化气体复热时的单位制冷量 q0 与所消耗 单位功 w 之比，即 w q0 = （3.21） 每加工 1kg 气体得到的液化气体量为 y kg，故单位制冷 量可表示为 ( ) 0 h1 h0 q = y − （kJ/kg 加工气体） （3.22）
故 yh,-ho (323) 循环效率(或称热力完善度)FOM说明实际循环的效率 同理论循环效率之比。低温技术中广泛应用循环效率来度量 实际循环的不可逆性和作为评价有关损失的方法。循环效率 定义为实际循环的制冷系数(E)与理论的制冷系数(n) 之比,即 FOM =-pr (3.24) 显然,FOM总是小于1。FOM值越接近于1,说明实际循环 的不可逆性越小,经济性越好。 循环效率可以用不同的方式表示。由于相比较的实际循 环与理论循环的制冷量必须相等,因此式(3-23)可写成 FOM=(qo/wpr)(qo /wmin )=mn (3.25) 于是,循环效率可表示为理论循环所需的最小功与实际 循环所消耗的功之比 此外在实际液化系统中反映部件的性能参数有如下 些 (1)压缩机和膨胀机的绝热效率; (2)压缩机和膨胀机的机械效率; (3)换热器的效率; (4)换热器和管道的压降; (5)设备与环境的换热量。 第二节空气、氧、氮和氩的液化 空气、氧、氮、氩的热力性质相近,故它们的液化循环 类型亦相似。它们的液化循环有四种基本类型:节流液化循
故 w y(h h ) 1 − 0 = （3.23） 循环效率（或称热力完善度）FOM 说明实际循环的效率 同理论循环效率之比。低温技术中广泛应用循环效率来度量 实际循环的不可逆性和作为评价有关损失的方法。循环效率 定义为实际循环的制冷系数（ pr ）与理论的制冷系数（ th ） 之比，即 th pr FOM = （3.24） 显然，FOM 总是小于 1。FOM 值越接近于 1，说明实际循环 的不可逆性越小，经济性越好。 循环效率可以用不同的方式表示。由于相比较的实际循 环与理论循环的制冷量必须相等，因此式（3-23）可写成 pr pr w w FOM q w q w min 0 0 min = ( ) ( ) = （3.25） 于是，循环效率可表示为理论循环所需的最小功与实际 循环所消耗的功之比。 此外在实际液化系统中反映部件的性能参数有如下一 些： （1）压缩机和膨胀机的绝热效率； （2）压缩机和膨胀机的机械效率； （3）换热器的效率； （4）换热器和管道的压降； （5）设备与环境的换热量。 第二节 空气、氧、氮和氩的液化 空气、氧、氮、氩的热力性质相近，故它们的液化循环 类型亦相似。它们的液化循环有四种基本类型：节流液化循
环、带膨胀机的液化循环、利用气体制冷机的液化循环及复 叠式液化循环。前两种液化循环在目前应用最为普遍。节流 液化循环是低温技术中最常用的循环之一。由于节流循环的 装置结构简单,且运转可靠,这就在一定程度上抵消了节流 膨胀过程不可逆损失大所带来的缺点。本节以讨论空气的液 化循环为主。 1简单 Linde- Hampson系统 1.1概述 1895年德国 Linde和英国 Hampson分别独立地提出了 次节流循环,因此文献上也常称之为简单 Linde- Hampson循 环。其流程图及r-s图如图3-5所示。 图3-5 Linde- Hampson系统图及T-s图 为了便于分析系统的性能,先讨论理论循环(除节流阀 外,没有不可逆压降;没有漏热;无热交换不完善损失)。 常温、常压p1下的气体等温压缩至p2,T-s图上用等温线1 2表示;随后高压气体在热交换器中被节流后的返流气体 (点5)冷却至温度T3(点3),这是一个等压冷却过程,用 等压线2-3表示;然后高压气体经节流阀膨胀至常压p(点 4),温度降至p1压力下的饱和温度,同时部分气体液化,节 流过程用等焓线3-—4表示;节流后产生的液体(点0)自气 液分离器引出作为产品;未液化的饱和气体(点5)从气液
环、带膨胀机的液化循环、利用气体制冷机的液化循环及复 叠式液化循环。前两种液化循环在目前应用最为普遍。节流 液化循环是低温技术中最常用的循环之一。由于节流循环的 装置结构简单，且运转可靠，这就在一定程度上抵消了节流 膨胀过程不可逆损失大所带来的缺点。本节以讨论空气的液 化循环为主。 1 简单 Linde-Hampson 系统 1.1 概述 1895 年德国 Linde和英国Hampson 分别独立地提出了一 次节流循环，因此文献上也常称之为简单 Linde-Hampson 循 环。其流程图及 T − s 图如图 3-5 所示。 图 3-5 Linde-Hampson 系统图及 T-s 图 为了便于分析系统的性能，先讨论理论循环（除节流阀 外，没有不可逆压降；没有漏热；无热交换不完善损失）。 常温、常压 p1 下的气体等温压缩至 p2，T − s 图上用等温线 1’ —2 表示；随后高压气体在热交换器中被节流后的返流气体 （点 5）冷却至温度 T3（点 3），这是一个等压冷却过程，用 等压线 2—3 表示；然后高压气体经节流阀膨胀至常压 p1（点 4），温度降至 p1 压力下的饱和温度，同时部分气体液化，节 流过程用等焓线 3—4 表示；节流后产生的液体（点 0）自气 液分离器引出作为产品；未液化的饱和气体（点 5）从气液