【正文】 德－漢普遜系統(tǒng)的啟動(dòng)過程 簡單的林德－漢普遜循環(huán) 不能 用于液化氖、氫和氦 : 1. 由于這些氣體的轉(zhuǎn)化溫度低于環(huán)境溫度，所以無法降溫啟動(dòng)。 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 圖 即使氫或氦的簡單林德－漢普遜系統(tǒng)能按正確方向啟動(dòng)，它仍不能傳遞足夠的能量以獲得液體 制 冷 原 理 與 技 術(shù) ?林德－漢普遜系統(tǒng)的耗功 : )( 12 hhmwQ R ??? ????單位質(zhì)量耗功 : )()(/ 21211 hhssTmw ????? ??)]()()[( 21211211 hhssThhhhymwmw ff??????????????單位質(zhì)量的液化功 : () () () 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 4. 帶預(yù)冷林德－漢普遜系統(tǒng) 預(yù)冷林德－漢普遜系統(tǒng) : 對(duì)簡單林德－漢普遜系統(tǒng)，當(dāng)熱交換器入口溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，可以改善簡單林德－漢普遜系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 圖 帶預(yù)冷林德－漢普遜系統(tǒng)單位質(zhì)量氮?dú)庖夯? 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 5. 林德雙壓系統(tǒng) 圖 林德雙壓系統(tǒng) 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 圖 3 .12 林德雙壓系統(tǒng) T－ S圖 制 冷 原 理 與 技 術(shù) ? 取熱交換器，兩個(gè)氣液分離器，二個(gè)節(jié)流閥，作為熱力分析系統(tǒng)，針對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)， 根據(jù)能量守恒原則，可得液化率為 : y h hh h i h hh hf f? ?? ? ??1 311 21?中間壓力蒸汽流率比： i m mi? . ./?熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于兩個(gè)壓縮機(jī)， 單位質(zhì)量氣體的壓縮耗功為 : ? ? ? ? ? ? ? ? ?wmT S S h h i T S S h h.. [ ( ) ( )] [ ( ) ( )]1 1 3 1 3 1 1 2 1 2() () () 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 圖 林德雙壓系統(tǒng)液化功 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 6. 復(fù)迭式系統(tǒng) 復(fù)迭式系統(tǒng)是預(yù)冷系統(tǒng)的展開，由其它制冷系統(tǒng)來預(yù)冷。 它采用低壓力，等溫節(jié)流效應(yīng)及膨脹機(jī)焓降均較小。 實(shí)際上它也是克勞特循環(huán)的一種特殊情況。 通過節(jié)流閥的氣體被壓縮至高壓 經(jīng)過膨脹機(jī)循環(huán)氣體僅壓縮至中壓 圖 雙壓克勞特系統(tǒng) 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 自動(dòng)制冷復(fù)迭系統(tǒng) :工作時(shí)重組分先冷凝，輕組分后冷凝的特性，將它們依次冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)得到不同溫度級(jí)的冷量，使天然氣對(duì)應(yīng)組分冷凝并全部液化。 壓縮氦氣經(jīng)液氮槽預(yù)冷，進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹產(chǎn)冷降溫，冷氦氣返回以冷卻高壓的氫或氖，以使其液化。 ?當(dāng)氫氣經(jīng)過液化 系統(tǒng) 時(shí)，氣體不可能在熱交換器內(nèi)保持足夠長的時(shí)間以建立起一定溫度下的平衡氫組成，結(jié)果是 液氫由接近環(huán)境溫度下的正仲氫組成。 考林斯氦液化器是克勞特系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展具有低溫工程里程碑。 ?使用這種裝置，氣體混合時(shí)就可以獲得輸出功，輸入同樣的功就可以把他們分開，因此，該過程是個(gè)可逆過程 。 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 圖 . 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 制 冷 原 理 與 技 術(shù) ?理想氣體混合物分離的理論功 : ?分壓比 =質(zhì)量比 : j?種組分理想氣體混合物耗功 : ?分離系統(tǒng)的分離效率為 : )]/l n ()/()/l n ()/[(/ 11 bmbmbamamammi PPRmmPPRmmTmW ???aammaaaammmmamRmRmVTRmVTRmPP ??//1)/1l n (/ ijimmi yyTnW ????mmimmimWmWnWnWF O M////??????() () () () 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 2 混合物的性質(zhì) (1) 相律 單組份物質(zhì)以兩相出現(xiàn)時(shí) (例如液氮和氣氮 )，并非所有熱靜力學(xué)參數(shù)都是獨(dú)立的。 對(duì)于多于一相和超過一個(gè)組分物質(zhì)，我們必須應(yīng)用 Gibbs相規(guī)律 (1878年發(fā)現(xiàn) )來描述狀態(tài)所需要獨(dú)立變量的數(shù)目。 ? 對(duì)于分子內(nèi)作用比較弱的液體混合物，如稀溶液一樣，可用著名的 Raoult定律表式： jjj xP ?? :第 j組分在液相上部氣相中的分壓 :在混合物溫度下第 j組分的蒸汽壓 :在液相中第 j組分的摩爾百分?jǐn)?shù) jPj?jx() 所有濃度下都服從 Raoult定律的混合物稱為理想的溶液。 (4) 焓－濃度圖 圖 下氮－氧混合物的焓－濃度圖 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 氣體的分離原理 1. 簡單冷凝或蒸發(fā)過程 3. 閃蒸計(jì)算 2. 精餾原理 4. 精餾塔的理論塔板數(shù)計(jì)算 5. 最小理論塔板數(shù) 6. 精餾塔的類型和結(jié)構(gòu) 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 1. 簡單冷凝或蒸發(fā)過程 通過部分冷凝能實(shí)現(xiàn)混合物的分離過程的效率主要取決于溫度－濃度圖上相分離曲線的形狀。 事實(shí)上 通過簡單的冷凝并不能把空氣分離成純組分，僅能達(dá)到部分分離，不能滿足許多實(shí)際的應(yīng)用。 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 二元組分相變過程的主要特性 : ?對(duì)于某一成分的二元混合物，在一定壓力下，開始冷凝或開始蒸發(fā)到冷凝結(jié)束或蒸發(fā)結(jié)束時(shí) 溫度是不斷變化的 ，這一點(diǎn)與純組分不同。 ?通過部分冷凝或蒸發(fā)可以 有效地分離沸點(diǎn)相差很大的二元混合物 ，但對(duì)沸點(diǎn)相差較小的二元混合物達(dá)不到有效的分離。 圖 精餾塔的原理 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 圖 精餾過程中溫度－濃度圖 圖 氣泡通過塔板時(shí)熱質(zhì)交換情況 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 塔板效率 :塔板上的濃度變化與平衡時(shí)應(yīng)達(dá)到的濃度變化之比 圖 板效率的定義 ?1946年 Geddes 分析了氣泡與液體之間質(zhì)傳遞的情況，得到了塔板效率式 : )/3e x p (1 0 bMM RtU????提高塔板效率的因素 : ① 小氣泡 (小 ) ② 長接觸時(shí)間 (大 ) ③ 大的總質(zhì)交換系數(shù) bR0tMU() 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 3. 閃蒸計(jì)算 閃蒸計(jì)算的步驟如下 : ?第 j組分質(zhì)量平衡 : LxLFyLxVyFx jjjjFj ????? )()1/1(/1 ???? jFjjjj KFLxKxy?能量守恒 : )( LFHhLHVhLFh F ??????離開系統(tǒng)液體物流的百分比 : ?蒸汽相的摩爾百分比之和等于 1 : ?? ????j jFjjj KFLxy)1/1(/11hHhHFL F???() () () () () 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 混合壓力已知，則僅含一個(gè)未知量即混合物 溫度。 1925年 McCable和 Thiele建立的，它在應(yīng)用時(shí)僅需要平衡濃度數(shù)據(jù)。 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 圖 理想塔板計(jì)算公式推導(dǎo)中所用的系統(tǒng) Vn定義為離開第 n塊塔板的蒸汽流率 Ln定義為離開第 n塊塔板的液體流率 制 冷 原 理 與 技 術(shù) ?取第 n塊板上方塔的部分作為分析系統(tǒng)，應(yīng)用質(zhì)量守衡定律可以得到 : ?對(duì)低沸點(diǎn)組分應(yīng)用質(zhì)量守衡定律得 : ?應(yīng)用熱力學(xué)第一定律得 : ?產(chǎn)品流率與蒸汽相流率的比值 : DLV nn ?? ? 1DxLxVy Dnnnn ?? ?? 11DDnnnn QDhLhVH ???? ?? 11DVH hQ D h hnn nD D n? ?? ???11( ? / )?精餾段的操作線方程 : Dnnnnn xVDxVLy )/()/( 11 ?? ???提餾段的操作線方程 : Bmmmmm xVBxVLy )/()/( 11 ?? ??() () () () () () 制 冷 原 理 與 技 術(shù) 求 McCabe－ Thiele解的理論塔板數(shù) 平衡線 :蒸汽相的摩爾百分比對(duì)與蒸汽相熱平衡液相中氮的摩爾百分比圖 . 圖 McCabe － Thiele法的解 制 冷 原 理 與 技