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1、化工运行制冷过程工程分析 一、 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161。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(101325kPa)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(
2、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、 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
3、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164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
4、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、 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
5、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48K。(二)
6、 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810K。(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165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，
7、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68。这样就可以提高制冷系统的经济性，发挥较大的效益。四、 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165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35K。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
8、 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。(4)回热器中过冷 在回气管上装一个回热器(气液热交换器)，用来自蒸发器的低温蒸气冷却节流前的液体制冷剂。(5)在中间冷却器中过冷 在采用双级压缩蒸气制冷循环系统中，可采用中间冷却器内液态制冷剂汽化时放出的冷量来使进入蒸发器液态制冷剂间接冷却，实现过冷。