硕士论文-R134aR23双工质冷凝分离器工作性能研究.pdf

天津商业大学 硕士学位论文 r134a/r23双工质冷凝分离器工作性能研究 姓名：孙颖 申请学位级别：硕士 专业：制冷及低温工程 指导教师：申江;杨永安 20090501 中文摘要 中文摘要 目前，由于食品、电子、医疗等特殊行业的需求，内复叠机已得到了广泛的 应用。这主要是由于其能实现较大的工作温区，能获得6 0 。c 1 5 0 。c 的低温环 境。内复叠式制冷机在我国的研究和应用才刚刚起步，不断的出现新的研究理念， 研究主要集中在高效分离器和新的混合工质性能这两个方面。因此，为了能够获 得比较高的能效比，对内复叠制冷循环系统汽液分离器的研究是具有一定价值 的。本文从以下几个方面展开研究： ( 1 ) 新型水冷冷凝分离器工作性能的理论研究。提出了水冷冷凝分离器凝 结换热的数学模型，结合分离器的结构进行简化，求解出冷凝分离过程中分离器 的捕液量( 即冷凝r 1 3 4 a 的量) 。得出了结论：水冷冷凝分离器的捕液量随着冷 却水进口温度的升高而升高；随着进出口温差的升高而降低；随着冷凝面积的增 大而增加；总体上捕液量随着时间的增加而不断的增大。这些数据为分离器的设 计提供了一定的理论基础。 ( 2 ) 分离器分离效果的实验研究。配比好的两种制冷剂混合物注入复叠机 中，通过改变不同的参数，如进口水温、进出口水温差，进而来验证理论研究的 正确性。 关键词：内复叠、双工质、冷凝、分离器、捕液量 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，b e c a u s eo ft h ef o o d ，e l e c t r o n i c s ，m e d i c a la n do t h e rs p e c i a l sn e e d s ， c a s c a d em a c h i n eh a sb e e nw i d e l yu s e d t h i si sm a i n l yb e c a u s ei tc a na c h i e v eag r e a t e r t e m p e r a t u r e ，c a ng e tl o w - t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n to f - 6 0 。c - 1 5 0 。c r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no nc a s c a d ec h i l l e r so fo u rc o u n t r yh a sj u s ts t a r t e d ，n e wr e s e a r c hi d e a s w h i c hf o c u so n h i g h p e r f o r m a n c es e p a r a t o r a n dt h en e wm i x t u r ea r e e m e r g i n g t h e r e f o r e ，i no r d e r t oo b t a i nh i g h e re n e r g ye f f i c i e n c y , i th a sam u s tr e s e a r c h v a l u ef o rv a p o r - l i q u i ds e p a r a t o ro fa u t oc a s c a d er e f r i g e r a t i o ns y s t e m i nt h i sp a p e r , s o m ec o n t e n t sa b o u ti ta sf o l l o w s ： s t u d i e so nt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c e i tp r o p o s e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ra b o u tw a t e r - c o o l e dc o n d e n s a t es e p a r a t o r a n di tc a l c u l a t e s t h el i q u i dv o l u m ei ns e p a r a t o rd u r i n gt h ep r o c e s so fc o n d e n s a t es e p a r a t i o nw i t h s i m p l es t r u c t u r eo fs e p a r a t o r t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp a r a m e t e rw ec a nc o n c l u d et h a t t h el i q u i dv o l u m eo fw a t e r - c o o l e dc o n d e n s a t es e p a r a t o ri si n c r e a s i n gw i t ht h e i n c r e a s i n go fc o o l i n gw a t e ri n l e tt e m p e r a t u r e ；d e c r e a s i n gw i t hi n c r e a s i n go ft h e c o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n l e ta n do u t l e tt e m p e r a t u r e ； i n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o n d e n s a t i o na r e a ；i n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go f t i m e t h ed a t ao f f e rt h et h e o r e t i c a lb a s i st ot h ed e s i g no fs e p a r a t o r ( 2 ) e x p e r i m e n t a ls t u d yo ns e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fs e p a r a t o r p u tt h er e f r i g e r a n t m i x t u r ew e l li n t ot h ea u t oc a s c a d em a c h i n ec h i l l e r , v e n f yt h ec o r r e c t n e s so f t h e o r e t i c a lr e s e a r c hb yc h a n g i n gt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，s u c ha s i n l e tw a t e r t e m p e r a t u r eo rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n l e ta n do u t l e t k e yw o r d s ：a u t oc a s c a d e ，d u a lr e f r i g e r a n t ，c o n d e n s a t e ，s e p a r a t o r ，f l u i dv o l u m e 关于论文使用授权的说明 关于论文使用授权的说明 本人完全了解天津商业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的 复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。 签名：导师签名：日 期： 7 l 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 研究背景 进入2 1 世纪，高新技术的发展，各种新型试验、食品的冷藏冷冻以及医疗 部门等行业都对特定的低温环境有了很迫切的需求。而传统的制冷方法所获得温 区是有限的，不能满足科技发展的需要。特别是6 0 。c 一1 5 0 。c 的低温环境， 其应用范围正在扩大。 目前，获得6 0 。c 1 5 0 。c 低温环境的方法有单一工质的多级压缩、复叠式 制冷，混合工质的节流制冷等【i - 6 】。由于多级压缩和复叠制冷要获得这样的低温， 制冷系统相对比较复杂，投资费用高等在很多场合受到了限制。而内复叠制冷系 统具有比较大的工作温区，无论是在普冷领域还是在低温电子、低温医学、冷冻 干燥、气体液化等低温领域，都具有比较大的使用价值，所以该技术成为目前应 用范围极为广泛的制冷形式。 内复叠制冷系统又称为自行复叠制冷系统，是一种采用多元混合工质的制冷 系统，它使用单台压缩机，通过自行分离、多级复叠的方法，在高沸点组分和低 沸点组成之间实现了复叠，达到了制取低温的目的。到了2 0 世纪七、八十年代， 由于能源、环保等因素，随着对混合工质的研究的深入，各国科学工作者开展了 对内复叠制冷循环系统的研究。 内复叠制冷循环系统以其结构简单、性能可靠而尤其引起广泛的关注，对其 研究主要集中在两个方面，一方面是对原有的循环流程的改进，包括采用新型的 换热器和高效的气液分离器；另一方面则采用新的混合工质，包括二元和多元混 合工质。因此，为了能够获得比较高的能效比，对内复叠制冷循环系统气液分离 器的研究是一个值得投入人力和物力开发的技术，具有一定的研究价值。 1 1 2 内复叠制冷循环的基本原理 内复叠制冷循环系统( a u t o - r e f r i g e r a t i o nc a s c a d es y s t e m ) 就是一种采用多元 非共沸混合工质的制冷系统，它使用单台油润滑压缩机就能获取很低的温度环 境，其主要特点在于“一级压缩，多级分离，自动复叠“ ，即混合工质一次压缩 第一章绪论 后，在多级复叠管路中的多个冷凝蒸发器中逐级分离，使沸点最低的制冷剂进入 蒸发器，制取预定的低温，可以用来制取6 0 。c 以下的低温。内复叠系统常用的 制冷剂有r 2 2 、r 1 3 4 a 、r 4 0 4 a 、r 2 3 、r 5 0 3 、r 1 4 等，其中r 5 0 3 和r 2 2 对臭氧 层有破坏作用。从1 9 9 6 年起，r 5 0 3 在美国己被联邦政府禁止生产和使用，r 2 2 可使用至2 0 2 0 年( 但最新r 2 2 的限制使用年限将要提前) 。r 5 0 3 在我国还可以 使用【5 | 。 内复叠制冷循环系统原理图【7 1 如图1 1 所示。其工作原理为：当混合工质制 冷剂在压缩机a 中压缩后排到冷凝器b 。由于混合工质中各组元的沸点不同， 在冷凝器b 中大部分的高沸点组分被冷凝为液体，制冷剂中大部分低沸点组分 却仍然为蒸汽。混合工质从冷凝器出来后进入气液分离器，在气液分离器中混合 工质分为主要成分为高沸点组分的液体和主要成分为低沸点组分的蒸汽。其中液 体部分流入储液器c 1 ，并经节流阀儿节流后在冷凝蒸发器e 中蒸发吸热。从气 液分离器出来的蒸汽部分在冷凝蒸发器e 中放热被冷凝为液体并流进储液器 c 2 ，经回热器g ，由节流阀j 2 节流后进入蒸发器f 进行蒸发制冷。最后，从蒸 发器f 出来的低沸点组分气体经回热器g 与从冷凝蒸发器e 出来的高沸点组分 气体混合后进入压缩机，从而完成整个循环。从该循环的原理可以看出，制冷剂 的高沸点组分成为循环的中温制冷剂，制冷剂的低沸点组分成为循环的低温制冷 剂，二者在冷凝蒸发器中实现了复叠。 2 第一章绪论 图1 1内复叠制冷系统 a 一压缩机b 一冷凝器c 1 、c 2 一储液器d 卜_ 气液分离器 e 一冷凝蒸发器卜蒸发器g 一回热器儿、j 2 一节流阀 7 从原理图中可以看出，循环中采用一个气液相分离器将经过冷凝器冷凝的非 共沸混合工质分成气体和液体两相。而分离器的分离效果直接关系到循环的蒸发 温度，如果在分离出的低沸点组分中含有高沸点组分，经过节流在蒸发器中蒸发 制冷时，高沸点组分的蒸发吸热将影响系统的蒸发温度，循环的效率不高。所以 当要求达到的蒸发温度较低，温度误差范围小时就需要提高气液分离器的分离效 果。这样由于分离效果的不同就相应出现了不同的循环，按气液分离次数的不同， 可将内复叠制冷循环分为一次分凝循环、二次分凝循环和多次分凝循环等。若采 用精馏方法对高低沸点的工质进行分离，该循环又称为精馏循环。精馏循环相当 于多次分凝循环的分离，从而简化了设备结构。 1 1 3 气体分离原理 1 1 3 1 气体的理想分离 将气体分离看成理想的热力学可逆系统，可加深了解各种实际分离系统的运 行和能量需求。该系统用假想的半渗透膜模型来分析气体的可逆分离和混合。分 析二元气体混合物分离的理想过程【4 】如图l 。2 所示。假设气缸中a 和b 两种气体 混合物处于理想状态，内有两个无摩擦活塞，左边活塞只允许气体a 渗透，右 边活塞只允许气体b 渗透。这种气体理想的可逆分离所消耗的功，等于等温条 3 第一章绪论 件下将各组成从其在混合物中的分压压缩到混合物总压所需的功。 只渗过a 的 渗透膜 只渗过b 的 渗透膜 搬雯疆q ， 纯气v 1 k a纯气体b 图l 一2 二元系统理想气体分离过程 1 1 3 2 气体分离分类及其原理 1 ) 、冷凝和闪蒸分离 根据混合物的性质，可以用简单的冷凝或蒸发过程达到混合物的局部分离。 混合物部分冷凝时，液相中富集了高沸点( 难挥发) 组分，气相中富集了低沸点 ( 易挥发) 组成。部分冷凝使用与混合物各组分沸点差距较大的情况。若各组分 的沸点比较接近，则采用部分冷凝的方法很难达到分离要求。 2 ) 、精馏分离 混合物中沸点相近组分的分离，不能用单一的部分冷凝或是蒸发的方法，而 应由精馏过程来完成。连续多次的部分蒸发或部分冷凝，称为精馏过程。经过每 一次部分蒸发或部分冷凝，气体中低沸点( 易挥发) 组成的摩尔分数就增加，而 液相中高沸点( 难挥发) 组成的摩尔分数也增加，完成这一过程的装置即为精馏 塔。 3 ) 、吸附法 气体混合物的吸附分离，是依靠固体吸附剂对各组分吸附能力的差异而进行 的。吸附分离方法历史悠久，特别是近几十年来发展较快，无论是在应用范围、 装置规模及吸附技术等方面，均可以与常规的分离方法相提并论。吸附法在气体 分离中通常用来去除气体中的微量杂质，以提高气体的纯度。 4 第一章绪论 当气体与固体接触时，在固体表面或内部将会发生容纳气体的现象，称为固 体对气体的吸附。吸附现象也能在固体和液体之间发生，吸附本身是一个传质过 程。吸附分离通常是将分离的混合气体通过预先活化，并由经过干燥的吸附床进 行吸附，使吸附剂逐渐达到饱和，这一过程称为吸附阶段。在吸附剂达到饱和之 后，通过升高温度或降低压力的方法，使吸附剂脱除已吸附的吸附质而重新回复 吸附能力，这一过程称为解吸阶段或脱附阶段。在工业生产中，可以设置两个或 多个吸附器，使吸附阶段和脱附阶段交替进行，从而达到连续生产的目的。 4 ) 、吸收法 用适当的液体溶剂柬处理气体混合物，使其中一个或几个组分溶解于溶剂 中，从而达到分离的目的，这种方法称为吸收法。 气体与它有吸附作用的液体接触时，便会溶解于液体中。在给定的条件下， 达到溶解平衡时溶解的气体量，称为平衡溶解度。气体的平衡溶解度随气体的压 力而变，压力越高，则其值越大。气体的平衡溶解度还受温度的影响，温度上升， 气体的溶解度将显著下降，因此控制吸收操作的温度是非常重要的。 5 ) 、薄膜渗透法 利用有机聚合膜的渗透选择性，从流体混合物中使特定组分分离的方法，称 为薄膜渗透法。这种分离过程不需要发生相变，不需要高温或低温，并且设备简 单、占地面积小、操作方便等特点。 有机聚合膜分均相无孔膜和微孔膜。由于膜的结构不同，则气体渗透机理也 不同。在微孔内存在着固定的孔隙，气体以流动的方式穿过薄膜。在均相无孔膜 中，由于聚合膜分子的热运动而产生分子链节间的空隙，这些空隙的位置和大小 不断地变化着，气体分子是以活性扩散方式由这个空隙跳入另一个空隙，逐步渗 过聚合膜。 1 2 文献综述 传统的内复叠循环在气液分离方式上是采用等温等压下的平衡闪蒸方式， 将已经形成气液两相的流体，在流道上采取一些措施，使其中的液相和气相分 离开来，但这种分离方式，不能够将工质中高沸点组分全部分离出来，其所分 离出组分的成份完全依靠分离点工质的气液相平衡特性，而且要使两相分开， 还必需在流道设计上采取一定的措施。随着对分离器研究的进一步的深入，出现 5 第一章绪论 了不同类型的分离装置( 如：精馏装置、分凝分离式分离器等) ，其共同点都是 为了能够更好的分离工质使内复叠系统的c o p 提高。 1 2 1 国外对内复叠系统用分离器的研究状况 1 9 3 6 年，p o d b i e l n i a k 提出了混合工质内复叠制冷循环的设想【8 】，在他的美国 专利中第一次提出了带气液分离器的内复叠循环。 1 9 5 9 年，前苏联气体研究所的a e k l i m e e n k o 教授采用碳氢化合物作制冷剂， 将内复叠系统用于天然气的液化中【9 】。该循环通过使用气液分离器和膨胀阀，可 以提高任意级数的冷却，各级气液分离器只有液相膨胀，从而保持膨胀过程的高 效率。 1 9 5 9 年，s m i t h 和k e n n e d y 提出了冷凝蒸发器前增加一个分馏冷凝器的内复 叠制冷循环，并将普通复叠系统中的逆流冷凝器用于该系统中【1 0 1 。 1 9 6 5 年，f u d e r e r 提出了工作原理类似于p o d b i e l n i a k 循环的一次分凝内复叠 循环并获得了美国专利【1 1 1 ，其中冷凝器由垂直布置的管道构成，兼有气液分离器 和油分离器的功能，利用重力达到了分馏的作用。 1 9 7 8 年，法国的c a r d i n n e p 等提出了溶解一分离混合工质制冷循环【1 2 】。即 利用制冷剂在溶剂中的溶解度随温度变化的特性，在离析器中分离成分不同的液 体，从而达到较低的制冷温度。 1 9 8 2 年起，w a l i t t l e 等对k l e e m e n k o 制冷循环进行了一系列研究，申请了 多项专利【1 3 】。l i t t l e 等致力于研究基于k l e e m e n k o 循环的低成本、高效率制冷机。 他们通过对循环流程进行了简化，如减少分离级数、在气液分离器中加入分馏装 置，使得成本大大降低。最终，他们将k l e e r n e n k o 循环的分离级数减少为一级。 19 8 2 年，与w a l i t t l e 同步进行研究的还有a p dc r y o g e n i c s ，l n c 。他们将 制冷循环进一步简化，通过一个高效的油分离器取代了气液分离器，该油分离器 不仅使润滑油得以分离，而且使系统得以净化【1 4 】。这个简化的循环系统，可以 达到7 0 k 的低温。在9 0 k ，输入功率为4 5 0 w 时，可以提供1 4 形的制冷量。 9 0 年代中后期，美国w a r 公司的w a l i t t l e 提出了自清洁低温a c r 1 5 】，采用多 元混合工质，将早期的多次分凝a c r 简化为一次分凝，同时在气液分离器的上 部增加一个分馏柱，以进一步分离残留在气体中的润滑油蒸汽和其他杂质，这对 提高a c r 的可靠性起到了明显的效果。 6 第一章绪论 1 2 2 国内对内复叠系统用分离器的研究状况 1 9 9 9 年，中国科学院低温研究所的罗二仓等采用开式的一次分凝内复叠循 环。在随后的研究中，该研究中心还开展了内复叠循环在普冷领域的应用。提出 了利用乙烯工业中的分凝分离技术对混合工质进行气液分离，对两种不同的混合 物，一种在1 8 3k 时获得了2 1 5 的制冷量，另一种在1 7 2 k 时获得了2 6 5w 制冷 量【1 6 】。 2 0 0 0 年，罗二仓等提出用一种有回流液垂直通道的冷凝蒸发器代替原来的二 级分凝装置，达到很好的分凝效果【1 7 1 。在相同的外部工况和工质的配比的情况 下，采用改进后的试验装置较原试验装置获得更大的制冷量和更高的c o p 。 浙江大学的陈光明提出了单级压缩、一次精馏的自然复叠式循环，采用精馏 装置强化二元混合工质的分离程度，使得进入蒸发器的低沸点工质的纯度达到 9 9 以上【1 8 】。 2 0 0 0 年，浙江大学的张绍志、王剑峰等人以r 1 3 4 a r 2 3 为制冷剂，采用精馏 塔装置分离高沸点与低沸点组分，分析了循环工质配比、压缩机回气温度及精馏 塔操作压力对压缩机压比及系统c o p 的影响【1 9 】。 2 0 0 1 年，中科院的刘建丽等人提出了一种新型的分凝分离式内复叠节流循环， 在这种循环中，我们把气液分离器和其后的换热器合而为一，设计并制造了称 为分凝分离器的装置，在其中同时完成传热和传质，从而简化了实验装置。在 1 3 0 k 时获得了6 0 形的制冷量，在1 3 5k 时获得了7 4 的制冷量，在l5 5k 时获得 “ 2 6 5w 的制冷量【2 0 1 。 2 0 0 4 年，刘志勇采用了内含冷却器的精馏柱作为气液分离装置【2 。该装置 内有冷凝蒸发器，可以使回流畅通，也可降低柱顶的低沸点工质的温度，从而降 低低温端节流元件的节流前温度，降低节流损失；而且一级精馏柱可以达到多极 常规气液分离器的效果，简化系统结构的同时又提高分离效果，从而降低蒸发器 的温度滑移，强化换热效果，减少蒸发器的能量损失，提高循环的热力学性能； 同时优化换热器高低压的水当量匹配，减少换热器能量损失；另外精馏柱也有很 好的油分离效果，这就更加提高了制冷系统的可靠性。 2 0 0 5 年，王生龙为了能够更好显著的提高c o p ，且能使其长期稳定运行， 对精馏柱进行了改进【2 2 】，一是增大有效换热面积；一是调整其结构，延长有效 7 第一章绪论 热流程长度。改进后的精馏柱在精馏效果方面有较大提高，在实验中发现系统在 一8 0 。c 以上的制冷温度下能一直稳定运行。在制冷温度一1 0 0 。c 左右时稳定运行的 时间也超过5 小时。柱顶换热器的换热效果也有所提高。在压缩机吸气口基本不 出现结霜时，釜顶出口流体的温度可以达到较低的温度。 科学技术的发展对制冷技术所能创造的不同的温度环境提出了更高的要求。 对于一6 0 。c 1 2 0 。c 温区的温度环境需求日益迫切。采用混合工质内复叠循环 不仅能实现这样的温度环境，同时还能在一定程度上改善系统的运动条件。出于 这样的原因，天津商业大学主要开展了以下研究工作 2 3 2 4 】： 主要是研究带精馏装置的水冷内复叠制冷系统的循环特性： 1 ) 搭建带有精馏装置的水冷内复叠制冷装置实验台并进行实验研究； 2 ) 通过比较不同循环的运行特性，分析混合工质( r 2 2 瓜2 3 ) 内复叠制冷 循环制取6 0 。c 1 2 0 。c 温度环境的可行性和优越性； 3 ) 分析对带精馏装置的内复叠制冷循环性能的影响的各种因素； 1 3 内复叠制冷循环的应用 目前，混合工质的内复叠制冷循环已经在商业部门和非商业部门都得到了应 用。例如，它用来冷却x 射线和y 射线的探测仪，用作真空系统中的水蒸汽冷 阱，材料、设备的检验等2 5 1 。 纵观制冷技术的应用温区，6 0 。c 一8 0 。c 温区位的研究和产品都可谓很少， 但是对这个温区的设备的需求却很大。随着混合工质节流制冷技术正在获得越来 越广泛的应用，近几年低温生物医学也得到了迅速发展，低温保存、低温外科、 低温医疗等行业在很多方面都需要6 0 。c 8 0 。c 温区的设备。如医用血浆速冻， 食品冷藏如三枪鱼，电子冷却如传感器冷却、低温条件下材料与物品的测试等等。 传统的制造业，如对钢进行低温处理，改变其金相组织等，所需温度都为6 0 。c 8 0 0 c 。 对混合工质节流制冷的研究始于上世纪3 0 年代，但直到上世纪6 0 年代才在 天然气的液化中得到应用。并在9 0 年代后随着对混合工质的深入研究，才真正 研制出低成本、长寿命的小型液氮温区的制冷机。用混合工质节流制冷机可以获 r 第一章绪论 得6 0 。c 2 0 0 。c 的低温，满足不同领域对不同低温的温度环境的需求2 0 1 。 具体表现在以下几个方面： 1 ) 、低温电子器件的冷却 随着现代电子信息技术的快速发展，电子器件作为各种机电设备的基本组成 部分其质量保证已直接影响着产品的质量。对电子器件的冷却不仅可以降低噪 声，提高工作性能，还可以提高器件的运行速度，扩大使用功能，如c m o s 器 件在1 9 3 。c 时的速度可以提高1 4 倍。但是超小型化的冷却问题却一直没有得 到很好的解决。在二十世纪七十年代美国斯坦福大学l i t t l e 教授发明光刻节流制 冷器，为电子器件冷却的超小型化开辟了一条新的道路。利用这一技术可以直接 在电子器件芯片的底片背面制成超小型化的制冷器，然后按标准的集成块组件封 装，实现整体式低温电子集成组件。如在九十年代美国m m r 公司已经研制出了 标准双排直插式陶瓷低温集成组件。使用混合工质时，制冷温度1 9 1 。c ，制冷 量1 w 。此外，用混合工质节流制冷机还可以冷却低噪声放大器、滤波器、光纤 放大器以及用于移动通信接受站中高温的器件。为此，美国项目预研局拨款1 3 0 万美元用于研制制冷温度为1 2 3 。c 1 9 3 。c ，制冷量为2 5 0 w 的制冷机。 2 ) 、低温医疗及低温储存 混合工质节流制冷机可以开发成医疗用低温冷冻手术刀，它可以替代传统的 液氮冷冻手术刀，具有体积小，性能可靠，使用方便等特点，更适用于液氮供给 不方便的县镇医院。还可以开发成超低温箱，用于血液成分、皮肤、细胞活体的 保存。 3 ) 、提供低温环境实验设备 对有较低温度环境需求的实验设备，目前大多数采用复叠式或者双级压缩式 制冷循环系统来获得6 0 。c 的低温，而我们知道，采用这样的系统都必须使用两 台或者以上的压缩机以及相应的部件，结构复杂，可靠性和稳定性较差。若采用 混合工质节流制冷机则只需要一台压缩机一次节流就可以获得6 0 。c 以下的低 温。如乌克兰傲德萨低温工学院用多元混合工质制冷机研制的高低温箱，容积 3 0 升，输入功率3 8 0 矿，制冷温度9 2 。c ，从1 5 。c 降到7 0 。c 需要8 0 分钟，再 9 第一章绪论 降低到9 2 。c 共需要1 2 0 分钟。利用混合工质快速制冷机可以开发小型的单箱高 低温冲击实验箱，在一个箱内实现快速高低温转换，不仅减少了设备的复杂性， 而且成本大大降低，具有很强的市场竞争力。 4 ) 、红外系统中的应用 目前，对于高灵敏度的红外器件，一般都要在1 9 3 。c 左右的低温下工作。 而微型的节流制冷器是红外探测器常用的冷源。若利用开环多元混合工质预冷的 快速节流制冷器，从环境温度降低到1 9 3 。c 只需要4 秒种，这对于近程红外导 弹具有十分重要的意义。闭环混合工质节流制冷机，由于采用技术成熟的油润滑 压缩机，工作寿命长，主要用于地面机械以及红外射电天文等需要长期连续工作 的红外系统。 5 ) 、应用于真空以及冷冻干燥 真空和冷冻干燥技术在社会的生产和生活中已经占据了重要的位置。随着现 代高新技术的发展，对真空的要求越来越高，需要无污染、无油的真空，然而现 在获得真空以及在生产科研中使用的真空机组，大多数采用油扩散泵。该机组存 在油污染问题，虽然可以增加液氮冷却来解决，但这种方法需要有液氮供应，在 生产现场非常的不方便。若利用混合工质内复叠制冷机来冷却油扩散泵的挡油 板，在挡油板上可获得1 0 0 。c 1 2 0 。c 的低温，将油蒸汽压从环境温度下的压 力降低到1 0 。7 1 0 锄只，从而可以容易的得到清洁的高真空。这样的制冷机还 可以冷凝真空中的水蒸汽，开发出水蒸汽冷凝泵，用于食品和生物制品的冷冻干 燥。 6 ) 、气体低温液化和纯化 在半导体领域，对气体的纯度要求越来越高，对于一些重要的工艺过程必须 使用超纯气体。用多元混合工质制冷机可以制成低成本的气体低温纯化器，特别 是排除气体中的水分、油和高沸点的物质非常的有效。另外，在天然气工业中用 这样的系统液化天然气结构简单可靠，有很好的应用前景。 总之，混合工质的自动复叠制冷循环既能满足环保、安全要求，又能提高系 统效率。因此，对制冷领域来讲是一项值得投入人力和物力开发的技术。 1 0 第一章绪论 1 4 本课题的研究内容 理论分析与实验研究以及二者的结合是科学研究的基本方法，本课题采用了 同样的方法通过对国内外相关文献的分析，在天津商业大学多年研究的基础上， 对内复叠制冷循环系统中的气液分离器提出了一种新的设想把冷凝器与分 离器合二为一建立了一种新型的气液分离器。对影响这种气液分离器工作性能的 多种因素进行了理论分析，建立了相关的数学模型；在理论研究的基础上，搭建 水冷冷凝分离器工作性能研究实验台，进行相关实验验证，对实验结果与理论分 析结果进行比较。 本课题是探索冷凝分离器在理论上分离非共沸工质可行性，主要完成以下几 方面的工作： 1 ) 冷凝分离器性能的理论研究 分离器是内复叠循环系统中的关键部件，它分离效果的好坏直接影响整个制 冷系统的性能。因此在对影响这种气液分离器工作性能的多种因素进行理论分析 的基础上，建立冷凝分离器的传热传质的数学模型，求解出不同的换热面积、不 同水温、不同混合物的配比对混合制冷剂分离程度的影响，从而对水冷冷凝分离 器工作性能进行了研究。 2 ) 冷凝分离器工作性能的实验研究 搭建水冷冷凝分离器工作性能研究实验台，对计算结果进行实验验证，对实 验和理论进行对比。 第二章混合物分离的理论基础 第二章混合物分离的理论基础 混合物的分离是内复叠制冷系统中很重要的一个环节，本文主要研究的就是 影响冷凝分离器分离效果的因素。混合物可分为非均相物系和均相物系。非均相 物系的分离主要依靠质点运动与流体流动原理实现分离。而本文主要研究的是均 相物系的分离。均相物系的分离条件是必须造成一个两相物系，然后依据物系中 不同组分间某种物系的差异，使得其中某个组分或某些组分从一相向另一相转 移，以达到分离的目的。通常，将物质在相间的转移过程称为传质( 分离) 过程。 常见的传质过程有蒸馏、吸收、萃取和干燥等单元操作，这些操作的不同之处在 于造成两相的方法和相态的差异【3 l 】。 2 1 蒸馏分离 蒸馏是通过加热造成气液两相物系，利用物系中各组分的挥发度的不同以实 现分离的目的( 这里，通常将低沸点的组分称为易挥发组分，高沸点组分称为难 挥发组分) 。通过蒸馏操作可以直接获得所需要的组分不需要j , b d i l 其它组分，因 此一般蒸馏操作流程较为简单；蒸馏分离应用较广泛，它不仅可分离液体混合物， 而且可分离气体混合物；在蒸馏过程中，由于要产生大量的气相和液相，因此需 消耗大量的能量，能耗的大小是决定是否能采用蒸馏分离的主要因素。 由于待分离混合物中各组分挥发度的差别、要求的分离程度、操作条件( 压 力和温度) 等各有不同，因此蒸馏方法也有多种，其分类如下： 1 ) 按操作流程可分为间歇蒸馏和连续蒸馏 2 ) 按蒸馏方式可分为简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏和特殊精馏等 3 ) 按操作压强可分为常压、减压和加压蒸馏 4 ) 按待分离混合物中组分的数目可分为两组分精馏和多组分精馏 2 1 1 两组分溶液的气液相平衡 1 ) 理想溶液理想溶液由性质接近的物质构成，两者分子间的相互作用力与 纯物质分子间的相互作用力相同，因而混合成理想溶液时无热效应，也无容积变 化。实际上理想溶液几乎没有，只有当溶质的摩尔分数很小时，才接近于理想溶 液。无限稀释的任何溶液都可看作理想溶液。 单组分液体和它的蒸汽处于相平衡时，由液面蒸发的分子数和由气相回到液 1 2 第二章混合物分离的理论基础 体的分子数是相等的，这时蒸汽的压力即为该液体的饱和蒸汽压。 2 ) 拉乌尔定律在给定温度下，溶液液面上的蒸汽混合物中每一个组分的分 压，等于该组分呈纯净状态并在统一温度下的饱和蒸汽压压力与该组分在溶液中 的摩尔分数的乘积，即 o p f2p ix i 式中 x ，一溶液里第i 组分的摩尔分数； p ，一第i 组分的蒸汽分压力； ( 2 1 ) p ，0 一同温度下第i 纯组分的饱和蒸汽压力。 用拉乌尔定律来计算溶液的饱和蒸汽压力。对于二元溶液，其饱和蒸汽压力 可以表示为： p = p o x l + p 2 0 x 2 = p o o x 2 ) + p o x 2 ( 2 2 ) 上式说明，在一定的温度下，按拉乌尔定律计算的溶液的饱和蒸汽压力与其液相 中的成分成直线关系。当石：= 0 时，p = p f ) ；当x ：= 1 时，p = p ；。也就是说溶 液的蒸汽压力是在两种纯组分的蒸汽压力之间。 2 1 2 精馏原理和流程 平衡蒸馏和简单蒸馏都是单级分离过程，即对混合液进行一次部分汽化，因 此只能对混合液部分分离。精馏是多级分离过程，即同时进行多次部分汽化和部 分冷凝的过程，因此可使混合物得到几乎完全的分离。精馏可视为由多次蒸馏演 变而来的。不管是何种操作方式，混合物中组分间挥发度差异是蒸馏分离的前提 和依据。 由精馏原理可知，单有精馏塔还不能完成精馏操作，而必须同时有塔底再沸 器和塔顶冷凝器，有时还要配原料液预热器、回热泵等附属设备，才能实现整个 操作。再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流，冷凝器的作用是提供塔顶液相 产品及保证有适宜的液相流，因而使精馏能连续稳定地进行。 13 第二章混合物分离的理论基础 2 2 吸收 使混合气体与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分便溶解于液体内而 形成溶液，于是原混合气体的组分得以分离。这种利用各组分溶解度不同而分离 气体混合物的操作称为吸收。在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显著的 化学反应，可以当作是气体单纯地溶解于液相的物理过程；如果溶质与溶剂发生 显著的化学反应，则称为化学吸收。吸收过程进行的方向与限度取决于溶质在气 液两相中的平衡关系。当气相中溶质的实际分压高于与液相成平衡的溶质分压 时，溶质便由气相向液相转移，即发生吸收过程。反之，是吸收过程的逆过程脱 吸( 或解吸) 。 一般说来，为使均相混合物分离成较纯净的组分，必须出现第二个物相。蒸 馏操作中采用改变状态参数的办法( 如加热与冷却) ，使混合物系内部产生出第 二个物系。吸收操作中则采用从外界引入另一相物质( 吸收剂) 的办法形成两相 系统。 2 2 1 气液相平衡 所谓的平衡状态是动态的，平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱 和分压，液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度，所谓气体在液体中的溶解 度，就是指气体在液体中的饱和浓度。气体在液体中的溶解度表明一定条件下吸 收过程可能达到的极限程度。互成平衡的气液两相彼此依存，而且任何平衡状态 都是有条件的。所以，一般而言，气体溶质在一定液体中的溶解度与整个物系的 温度、压强及该溶质在气相中的浓度密切相关。 2 2 2 亨利定律( 稀溶液定律) 它说明理想溶液中气体溶质分压力与溶液中该气体的摩尔分数关系的定律。 该定律是：在一定温度和平衡状态下，说明当总压不高时，在恒定的温度下， 稀溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度之间的关系。 即 p t = h x i 式中p 一气体溶质的分压力； 1 4 ( 2 3 ) 第二章混合物分离的理论基础 羞一气体溶质的摩尔分数； ， 日一亨利常数，其值由实验确定。 2 3 液一液萃取 液一液萃取又称为溶剂萃取，是利用原料液中组分在适当溶剂中的溶解度的 差异而实现分离的单元操作。对于一种液体混合物，是直接采用蒸馏方法还足采 用萃取方法加以分离，主要取决于技术上的可行性和经济上的合理性。一般来说， 在下列情况下采用萃取方法更加经济合理。 1 ) 混合液中组分的相对挥发度接近“1 ”或者形成恒沸物 2 ) 溶质在混合液中浓度很低且为难挥发组分 3 ) 混合液中有热敏性组分 2 3 1 三元体系的液一液相平衡与萃取操作原理 液一液萃取过程也是以相际的平衡为极限的。三元体系的相平衡关系常用三 角形坐标图来表示。 根据萃取操作中各组分的互溶性，可将三元系统分为以下三种情况： 1 ) 溶质a 可完全溶解于稀释剂b 和萃取剂s 中，但b 与s 不互溶 2 ) 溶质a 可完全溶解于组分b 及s 中，但b 与s 为一对部分互溶组分 3 ) 组分a 、b 可完全互溶，但b 、s 及a 、s 为两对部分互溶组分 假设溶质a 完全溶解于稀释剂b 和溶剂s 中，而b 与s 部分互溶，如下图 2 1 。在一定温度下，组分b 与组分s 以任意数量相组合，必须得到两个互不相 容的液层，各层的坐标分别为图中l 与点j 。若在总组分为c 的两元混合液中逐 渐加入组分a 成为三元混合液，其中组分b 与s 质量比为常数，则三元混合液 的组分点将沿a c 线而变化。若加入a 的量恰好使混合液由两个液相变为均一 相时，相应组成坐标如点1 所示，点1 称为混溶点或分层点。再于总组分为d 、 f 、g 、h 等两元混合液中按上述方法做实验，分别得到混溶点2 、3 、4 、5 及6 ， 连接l 、1 、2 、3 、4 、5 、6 、j 诸点的曲线为实验温度下该三元物系的溶解度曲 线。 若组分b 与s 完全互不溶，则点l 与j 分别与三角形顶点b 与s 相重合。 溶解度曲线将三角形分为两个区域，曲线以内的区域为两相区，以外的为均相区。 1 5 第二章混合物分离的理论基础 两相区内的混合物分为两个液相，当达到平衡时，两个液层称为共轭相，联结共 轭液相组成坐标的直线称为联结线，萃取操作只能在两相区内进行。 通常，物系的温度升高，溶质在溶剂中的溶解度加大，反之减小。因而，温 度明显地影响溶解度曲线形状、联结线斜率和两相区面积。 两相 联结 a 图2 1 三角形相图中的溶解度曲线和联结线 2 4 干燥 各种化学成品依据它在贮存、运输、加工和应用诸多方面的不同要求，其中 湿度( 水分或化学溶剂) 的含量都有固定的标准规定。除湿的方法很多，主要有： 1 ) 利用重力或离心力除湿，如沉降、过滤、离心分离等机械除湿方法 2 ) 利用热能使湿物中湿分汽化，并排出生成的蒸汽，以获得湿分含量达到 规定的成品，这种除湿的方法称为干燥 通常，干燥操作按下列方法分类。 1 ) 按操作压强分为常压干燥和真空干燥 2 ) 按操作方式分为连续操作和间歇操作 3 ) 按传热方式分为传导干燥、对流干燥、辐射干燥、介电加热干燥以及由 上述两种或多种方式组合成的联合干燥 干燥操作的必要条件是物料表面的水汽压强必须大于干燥介质中水汽的分 压，两者差别越大，干燥操作进行的越快。所以干燥介质应及时将汽化的水汽带 走，以维持一定的扩散推动力。若干燥介质为水汽所饱和，则推动力为零，这时 干燥操作即停止进行。 1 6 第二章混合物分离的理论基础 2 4 1 冷却除湿的原理和特征列 冷却除湿的原理是利用湿空气被冷却到露点温度以下，将冷凝水脱除的除湿 方法，又称为露点法。 图2 2 表示湿空气通过盘管的情况，并在i - d 图上表示冷却除湿时空气状态 的变化。a 点表示被盘管冷却的入口空气状态，在入口附近，盘管将空气冷却， 但还未达到该空气的露点温度，因此仅降低了空气的温度，而含湿量d 不发生变 化，过程线是a b 。当空气接近盘管出口时，盘管表面温度低于该空气的露点温 度，空气中有水分冷凝析出，空气被除湿。盘管出口的表面温度为d ，出口空气 以c 的状态离开盘管，含湿量从比下降到如。c 的位置随盘管的结构和旁通因 素等而变化。因此，冷却除湿的除湿临界值是与盘管出口的表面温度和盘管的结 构等有关。 干球温度 冷却盘管 冷凝水 ( a ) 系统图 含湿量 ( b ) i - d 图 图2 2 冷却除湿原理图 1 7 第二章混合物分离的理论基础 除湿后的空气接近饱和状态，在盘管出口处的相对湿度约为8 0 - 一1 0 0 ，温 度较低，如果直接送入室内，会引起室内人员的冷吹风感，引发抱怨。所以必须 将冷却除湿后的空气再加热到适当的温度后再送入房间。如果是工业生产中的除 湿，某些工艺要求等温干燥，也必须将除湿后的空气再加热到一定温度范围。这 一过程在图中c e 所示。这种先冷却后加热的过程会造成能源的巨大浪费。为此， 在冷冻除湿方法中通常利用冷冻机本身的排热作为再热热源，或设置利用处理空 气本身热量进行再热的热回收装置，以尽量减少冷冻机所消耗的动力。 使用冷却盘管除湿时，当处理空气出口露点在零度以下时，冷凝水会在盘管 表面结冰，并将随着时间增长不断增厚，以至于堵塞盘管肋片之间的间隙，妨碍 传热和空气流通，使设备处于不能工作的状态，除湿难以进行。因此，使用这种 方法进行低露点除湿时，必须增加除霜装置。 空气只有冷却到露点温度以下才能进行除湿。被处理空气的末状态含湿量越 小，所要求的露点温度就越低，冷冻机的制冷效率也就越差。当制冷机的容量一 定时，要求空气除湿后的露点温度越低，制冷机的出力越低，除湿量就越少。所 以当被处理空气的温、湿度高时，除湿效率较高；温、湿度低时，效率变低，这 是冷却除湿的特征。 2 5 其它分离方法 2 5 1 结晶 结晶是固体物质以结晶状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出的过程。与其他化 工分离单元操作相比，结晶过程具有如下特点： 1 ) 能从杂质含量相当多的溶液或多组分的熔融混合物中产生纯净的晶体 2 ) 能量消耗少，操作温度低，对设备材料要求不高，一般亦很少有“三废“ 排放，有利于环境保护 3 ) 结晶产品包装、运输、贮存或使用都很方便 溶质从溶液中结晶出来，是要经历两个步骤的。首先要产生被称为晶核的微 小晶粒作为结晶的核心，这个过程称为成核。然后晶核长大，成为宏观的晶体， 这个过程称为晶体成长。无论是成核过程还是晶体成长过程，都必须以浓度差即 溶液的过饱和度作为推动力。溶液过饱和度的大小直接影响成核和晶体成长过程 的快慢，而这两个过程的快慢又影响着晶体产品的粒度分布。 1 8 第二章混合物分离的理论基础 2 5 1 1 结晶过程的相平衡 任何固体物质与其溶液相接处时，如溶液尚未饱和，则固体溶解，如溶液恰 好达到饱和，则固体溶解与析出的量