化工运行制冷过程工程分析

化工运行制冷过程工程分析化工运行制冷过程工程分析 一 一 压缩蒸气制冷循环压缩蒸气制冷循环 制冷操作是从低温物料中取出热量 并将此热量传给高温 物体的过程 根据热力学第二定律 这种传热过程不可能自动 进行 只有从外界补充所消耗的能量 即外界必须做功 才能 将热量从低温传到高温 液体汽化为蒸气时 要从外界吸收热量 从而使外界的温 度有所降低 而任何一种物质的沸点 或冷凝点 都是随压力的 变化而变化 如氨的沸点随压力变化的情况见表 16 1 从表中可以看出 氨的压力越低 沸点越低 压力越高 沸点越高 利用氨的这一特性 使液氨在低压 101 325kpa 下 汽化 从被冷物质中吸取热量降低其温度 而达到使被冷物质 制冷的目的 同时将汽化后的气态氨压缩提高压力 如压缩至 1220kpa 这时气态氨的冷凝温度 30 高于一般冷却水的温度 因此可用常温水使气态氨冷凝为液氨 制冷是利用制冷剂的沸点随压力变化的特性 使制冷剂在 低压下汽化吸收被冷物质的热量降低其温度达到被冷物质制冷 目的 汽化后的制冷剂又在高压下冷凝成液态 如此循环操作 借助制冷剂在状态变化时的吸热和放热过程 达到制冷的目的 制冷剂如果在较高的压力下由于设备破裂泄漏 就会导致液态 制冷剂快速汽化而发生爆炸 二 二 制冷循环过程制冷循环过程 制冷循环是借助一种工作介质制冷剂 使它低压吸热 高 压放热 而达到使被冷物质制冷的循环操作过程 在制冷循环中的制冷剂 由于低压气体必须通过压缩做功 才能变成高压气体 即外界必须消耗压缩功 才能实现制冷循 环 如果把上述的制冷循环 用适当的设备联系起来 使传递 热量的工作介质制冷剂 氨 连续循环使用 就形成一个基本的压 缩蒸气制冷的工作过程 如图 16 4 所示的制冷循环 理想制冷循环 逆卡诺循环 由可逆绝热压缩过程 压缩机 等压冷凝过程 冷凝器 可逆绝热膨胀过程 膨胀机 等压等温 蒸发过程 蒸发器 等组成 而实际制冷循环则如下所述 1 在压缩机中绝热压缩气态氨以温度为 t1 压力为 p1 的 干饱和蒸气进入压缩机 1 压缩后 温度升至丁 2 压力升至 p2 变成过热蒸气 2 等压冷却与冷凝过热蒸气通过冷凝器 2 被常温水冷却 放出热量 q2 气态氨冷凝为液态氨 温度为 t3 3 节流膨胀液态氨再通过节流阀 5 膨胀阀 减压降温使部 分液氨汽化成为气 液混合物 温度下降为 tl 压力下降为 p1 4 等压等温蒸发膨胀后的气 液混合物进入蒸发器 4 从 被冷物质 冷冻盐水 中取出热量 q1 全部变成干饱和蒸气 回 到循环开始时的状态 又开始下一轮循环过程 在整个制冷循环过程中 氨作为工作介质 制冷剂 完成从 低温的冷冻物质中吸取热量转交给高温物质 冷却水 的任务 制 冷循环过程的实质是由压缩机做功 通过制冷剂从低温热源取 出热量 送到高温热源 三 三 安全操作温度的选择安全操作温度的选择 制冷装置在安全操作运行中重要的控制点有 蒸发温度和 压力 冷凝温度和压力 压缩机的进出口温度 过冷温度及冷 却温度 一 蒸发温度 制冷过程的蒸发温度是指制冷剂在蒸发器中的沸腾温度 实际使用中的制冷系统 由于用途各异 蒸发温度各不相同 但制冷剂的蒸发温度必须低于被冷物料要求达到的最低温度 使蒸发器中制冷剂与被冷物料之间有一定的温度差 以保证传 热所需的推动力 这样制冷剂在蒸发时 才能从冷物料中吸收 热量 实现低温传热过程 若蒸发温度 t1 高时 则蒸发器中传热温差小 要保证一定 的吸热量 必须加大蒸发器的传热面积 相反 蒸发温度低时 蒸发器的传热温差增大选择适宜的蒸发温度 不仅是保证安全 运行必需的 而且涉及到安全控制的难易程度和经济费用 蒸 发器内温度的高低可通过节流阀开度的大小来调节 一般生产 上取蒸发温度比被冷物料所要求的温度低 4 8k 二 冷凝温度 制冷过程的冷凝温度是指制冷剂蒸气在冷凝器中的凝结温 度 影响冷凝温度的因素有冷却水温度 冷却水流量 冷凝器 传热面积大小及清洁度 冷凝温度主要受冷却水温度的限制 由于使用的地区不一和季节的不同 其冷凝温度也不同 但它 必须高于冷却水的温度 使冷凝器中的制冷剂与冷却水之间有 一定的温度差 以保证热量传递 即使气态制冷剂冷凝成液态 实现高温放热过程 通常取制冷剂的冷凝温度比冷却水高 8 10k 三 操作温度与压缩比的关系 压缩比是压缩机出口压强 p2 与人口压强 p1 的比值 压缩 比与操作温度的关系如图 16 5 所示 当冷凝温度一定时 随 着蒸发温度的降低 压缩比明显加大 当蒸发温度一定时 随 着冷凝温度的升高 压缩比也明显加大 制冷系数变小 对生 产也不利 因此 应该严格控制制冷剂的操作温度 蒸发温度不能太 低 冷凝温度也不能太高 压缩比不至于过大 工业上单级压 缩循环压缩比不超过 6 8 这样就可以提高制冷系统的经济性 发挥较大的效益 四 四 制冷剂的过冷制冷剂的过冷 制冷剂的过冷就是在进入节流阀之前将液态制冷剂温度降 低 使其低于冷凝压力下所对应的饱和温度 成为该压力下的 过冷液体 由图 16 5 可以看出 若蒸发温度一定时 降低冷 凝温度 可使压缩比有所下降 功率消耗减小 制冷系数增大 可获得较好的制冷效果 通常取制冷剂的过冷温度比冷凝温度 低 5k 或比冷却水进口温度高 3 5k 工业上常采用下列措施实现制冷剂的过冷 1 在冷凝器中过冷 使用的冷凝器面积适当大于冷凝所需的 面积 当冷却水温度低于冷凝温度时 制冷剂就可得到一定程 度的过冷 2 用过冷器过冷 在冷凝器或贮液器后串联一个采用低温水 或深井水作冷却介质的过冷器 使制冷剂过冷 此法常用于大 型制冷系统之中 3 用直接蒸发的过冷器过冷 当需要较大的过冷温度时 可 以在供液管通道上装一个直接蒸发的液体过冷器 但这要消耗 一定的冷量