1、 气体液化循环一、概述1、制冷的目的：低温气体液化，必须降温至 Ts 以下，需要制冷降温；维持低温系统所需制冷以补偿冷损；生产低温液体，补偿带走的的冷量 气体液化循环2、制冷气体液化理论最小功获得低温实现热量从低到高的转移，必须投入能量。理想过程：等温压缩+等熵膨胀理想最小功 sTWWWminttwhsTdwdhTds0202212121)()()()(hhhsTWhhssThsTWsT01min)(hsTWWWST 气体液化循环2、制冷气体液化理论最小功sTWWWmin01min)(hsTWWWST 气体液化循环3、液化循环指标单位能耗： W为1kg气体耗功，Z为1kg气体的液体量制冷系数，
2、制冷量与耗功之比， 其中循环效率：热力不完善度，实际制冷系数与理论循环系数之比。也是理论最小功与实际耗功之比。zww 0wq0)(010hhzqprthprthpragwwwqwqmin00 前两种属于自身膨胀制冷，最常用。气体液化循环4、低温液化循环形式：节流液化循环：利用节流装置，获得等利用节流装置，获得等温节流效应；温节流效应；带膨胀机的液化循环：利用膨胀机获利用膨胀机获取大的等熵膨胀制冷量取大的等熵膨胀制冷量；带气体制冷机的液化循环：利用低沸利用低沸点气体工质的制冷效应；点气体工质的制冷效应；复叠式液化循环：利用不同沸点工质逐利用不同沸点工质逐级冷却最终液化。级冷却最终液化。 气体液化
3、循环二、空气、氧、氮的液化循环：性质接近，循环相似主要采用自身制冷方法节流液化循环是基础循环特点：装置简单，系统可靠，不可逆损失大，制冷量小 气体液化循环1、一次节流液化循环是最早的液化循环，被德国的林德所采用，故命名林德循环 S T T=T2=T1 0 4 5 3 2 1、 P2 P1 T=T1 -T1 气体液化循环-一次节流液化循环理论循环等温压缩 等压冷却 节流膨胀 液化等压复热降温过程逐级形成 1kg 1 Q (1-Z)kg 0 1 2 4 5 3 气体液化循环-一次节流液化循环理论循环液化量：1kg空气，单位冷量 即为等温节流效应；由于 一定（状态参数）,液化量大，即等温节流效应大，
4、T一定时, 是压力的函数102)1 (hzzhhkgAirkghhhhhhhzT010121Thq001hh Thz0)(TTphTh 气体液化循环-一次节流液化循环理论循环T一定时, 是压力的函数压力增加到多少最好？等温压缩过程焓差的变化正好等价于节流等温压缩过程焓差的变化正好等价于节流过程温差的变化过程温差的变化求解的结果是：等温压缩线与上转化温度求解的结果是：等温压缩线与上转化温度曲线的交点曲线的交点0)(TTphTh 气体液化循环-一次节流液化循环实际循环 压缩过程存在不可逆因素、换热器有温差、不完全换热q2以及跑冷q3等因素。 实际液化量 单位（加工空气）制冷量为 适当升高 p2，升
5、高 p1 ，高压气体 T 下降，对提高 有利0 1hhqhzTprqhqT0 气体液化循环-一次节流液化循环实际循环 适当升高 p2，升高 p1 ，高压气体 T 下降 对提高 有利 气体液化循环-一次节流液化循环实际循环 适当升高 p2，升高 p1 ，高压气体 T 下降 对提高 有利 气体液化循环-一次节流液化循环实际循环 适当升高 p2，升高 p1 ，高压气体 T 下降 对提高 有利 气体液化循环-一次节流液化循环有预冷的一次节流液化循环 气体液化循环-一次节流液化循环有预冷的一次节流液化循环010hhqqhzcTpr 气体液化循环-一次节流液化循环有预冷的一次节流液化循环 提供了冷量 降低
6、了高压气体的温度 减小了传热温差 气体液化循环-二次节流液化循环二次节流液化循环 看作是一个高、低压之间的循环和一个高、中压之间的循环 后者提高了p1, 从而提高了循环效率循环过程也可以有预冷的循环输出液体产品降温循环气体高压压机低压压机复温低压节流降温循环气体高压压机复温高压气体节流 气体液化循环-带膨胀机的液化循环带膨胀机的空气液化循环一、克劳特循环 膨胀过程并非按照等熵 绝热节流过程仍存在 节流和膨胀过程均不可逆 气体液化循环-带膨胀机的液化循环带膨胀机的空气液化循环一、克劳特循环 流程组织： 膨胀机布置入口状态？膨胀气量？ 气体液化循环-带膨胀机的液化循环一、克劳特循环 根据系统能量守
7、恒的关系，并考虑跑冷损失，不完全热交换损失循环 液化系数为 实际制冷量 膨胀机的等熵效率 实际耗功0100143)(hhqhhqhhVehzprTpr 气体液化循环-带膨胀机的液化循环一、克劳特循环 影响因素分析： P2-增大对制冷效果有利 Ve -增大对制冷效果有利 T3 -增大对制冷效果有利膨胀机的制冷量只能被以上温区所利用冷量的产生与利用关系 气体液化循环-带膨胀机的液化循环一、克劳特循环 换热器温度曲线负温差现象 高压气体比热变化大，低温气体比热基本不变 正流气体与反流气体流量不同 气体液化循环-带膨胀机的液化循环二、海兰德循环 高压常温膨胀，增加绝热焓降； 低温部分由等温节流效应提高
8、冷量 可采用预冷，从而 适用于小型液态装置为何需要高压？为何需要高压？ wzr, 气体液化循环-带膨胀机的液化循环二、海兰德循环 气体液化循环-带膨胀机的液化循环三、卡皮查循环 低压低温膨胀，冷量主要来自膨胀机 液体节流，实现液化 流程简单，能耗小，投资低， 全低压流动与换热，设备体积大 适用于大中型空分。能否取消节流装置？能否取消节流装置？ 气体液化循环-带膨胀机的液化循环三、卡皮查循环 气体液化循环-氦液化循环 临界点低，为5.2K， 转化温度也低46K， 7K以下节流才会产生液体； 故必须预冷+节流， 或膨胀对外输出功+节流一、节流液化循环二、带膨胀机液化循环三、其它型式的He液化循环
9、气体液化循环-氦液化循环一、节流液化循环 预冷的必要性，必需的 预冷温度，可分级预冷 预冷介质：LN2, LH2ZprZpr234567910111213151417H2N2液N2液H2(1-Zpr) 气体液化循环-氦液化循环一、带膨胀机液化循环 预冷并非必需，但有效 LN2预冷+膨胀机制冷 LN2预冷+2 膨胀机制冷柯林斯循环 根据最小功原则设计各级膨胀机的参数 保证每级膨胀机的正常工作 气体液化循环-氦液化循环LN2预冷+2 膨胀机制冷 柯林斯循环 气体液化循环-氦液化循环三、其它型式的He液化循环 双压力 双机膨胀、两级节流 附加制冷循环 利用外部制冷机分级冷却 气体液化循环-氦液化循环
10、三、其它型式的He液化循环 气体液化循环-氦液化循环三、其它型式的He液化循环 气体液化循环-氢液化循环氢液化循环一、节流氢液化循环二、带膨胀机的氢液化循环三、氦制冷氢液化循环 气体液化循环-氢液化循环一、节流氢液化循环一次节流二次节流液氮预冷预冷温度如何确定？预冷温度如何确定？ 气体液化循环-氢液化循环二、带膨胀机的氢液化循环 液氮预冷 中温膨胀循环图如何表示？循环图如何表示？ 气体液化循环-氢液化循环二、带膨胀机的氢液化循环 液氮预冷 膨胀气中压返回 气体液化循环-氢液化循环三、氦制冷氢液化循环氦气采用哪种循环？氦气采用哪种循环？氢气循环图如何表示？氢气循环图如何表示？ 气体液化循环-天然
11、气液化循环天然气液化循环一、复叠式制冷液化循环，又称级联式、串联式 二、混合冷剂制冷液化循环 三、带膨胀机的制冷液化循环 复叠式制冷液化循环常规循环,由若干个在不同低温下操作的蒸气压缩制冷循环复叠组成天然气液化，一般由丙烷、乙稀和甲烷为制冷剂的三个独立的制冷循环复叠而成 ,制冷温度分别为-45、-100及-160循环原理:净化后的原料天然气在三个制冷循环的冷却器中逐级地被冷却、冷凝液化并过冷，最后用低温泵将液化天然气(LNG)送至储槽 气体液化循环-天然气液化循环一、复叠式制冷液化循环 复叠式制冷液化循环优点：能耗低；制冷剂为纯物质，无配比问题； 技术成熟， 操作稳定。缺点：机组多，流程复杂；
12、附属设备多； 管道与控制系统复杂，维护不便。混合制冷剂制冷液化循环(MRC)自动复叠式循环：混合制冷剂一般由碳氢化合物和氮气等五种以上组分组成，其组成根据原料气的组成和压力而定,广泛用于基本负荷型天然气液化装置中 混合制冷剂：工作时利用多组分混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝的特性，将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温度级的冷量，使天然气中对应的组分冷凝并最终全部液化。根据混合制冷剂是否与原料天然气相混合，分为闭式和开式两类循环。混合制冷剂制冷液化循环(MRC)混合制冷剂的大致组成优点： 机组设备少，流程简单，投资省；管理方便； 混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身提取与补充 缺点： 能耗
13、较高，比级联式液化流程高1020%左右； 混合制冷剂的合理配比较为困难 组分氮甲烷乙烯丙烷丁烷戊烷体积 0320323444122081538 气体液化循环-天然气液化循环二、混合冷剂制冷液化循环 闭式循环 开式循环三、带膨胀机的制冷液化循环循环原理:利用气体在膨胀机中作外功的绝热膨胀来提供天然气液化所需的冷量 开式循环:直接利用输气管道来的天然气在膨胀机中膨胀来制取冷量，使部分天然气冷却后节流液化 闭式循环:采用一个与天然气液化过程分开的具有一级或两级膨胀的制冷循环来供给天然气液化所需的冷量 带膨胀机的制冷液化循环优点：流程简单，调节灵活，工作可靠，易起动，易操作，维护方便；用天然气本身为工质时，省去专门生产、运输、贮存冷冻剂的费用缺点：送入装置的气流须全部深度干燥；回流压力低，换热面积大，设备金属投入量大；受低压用户多少的限制；液化率低，如再循环，则在增加循环压缩机后，功耗大大增加 三、带膨胀机的制冷液化循环开式循环天然气膨胀丙烷二级预冷 三、带膨胀机的制冷液化循环闭式循环氮气甲烷膨胀三、带膨胀机的制冷液化循环对于闭式循环， 制冷工质选择： 氮气、氮气与甲烷 制冷流程选择： 带预冷单级膨胀 两级膨胀 串联模式 并联模式各种流程能耗的比较
