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1机械制冷工程技术大队联系电话:5673115欢迎指正机械制冷第2页,共131页简介制冷是将一种流体冷却到低于环境温度的过程。本分册将论述制冷过程在处理装置中的应用,如用于冷却贫油吸收装置的气体和吸收油。目前,常用的制冷方式有两种:机械制冷和吸收制冷。机械制冷是用压缩机将制冷剂压缩到一个可冷凝的压力,本分册将讨论这种制冷方式。吸收制冷采用氨做制冷剂,在油田不常用。机械制冷第3页,共131页流程描述一套制冷系统包括四个基本部分:(1)气体压缩机;(2)冷剂冷凝器;(3)膨胀阀;(4)制冷器或蒸发器机械制冷第4页,共131页流程描述制冷剂在制冷器中汽化后进入压缩机,被压缩到接近环境温度后去冷凝。压缩机出来的气体进入冷凝器,冷凝后变成液体。通常还设有缓冲罐,当然它不是系统所必须的。机械制冷第5页,共131页流程描述液体从缓冲罐出来,进入膨胀阀,压力降低并且温度也降低,然后进入制冷器。在制冷器中,液体制冷剂从换热管内流动的工艺流体中吸收热量。制冷剂吸热后汽化,汽化的制冷剂从制冷器的顶部流出,回到压缩机进行下一个循环。机械制冷第6页,共131页流程描述图表示一个更高效的具有两级膨胀阀的制冷系统。流程与前述流程类似,不同点在于液体制冷剂是从高压缓冲罐流向第一个膨胀阀,接着进入低压缓冲罐,缓冲罐的操作压力等于两级制冷压缩机的级间压力。机械制冷第7页,共131页流程描述低压缓冲罐的气相进入压缩机二级压缩气缸。液体从缓冲罐出来,进入第二个膨胀阀,然后进入制冷器。这种流程比前面的简单流程能耗低。机械制冷第8页,共131页流程描述当制冷压缩机是离心压缩机时,系统可以包括如图所示的3个膨胀阀和3个缓冲罐。每一级缓冲罐是同一台容器的一个间隔腔,有时我们称之为经济器。机械制冷第9页,共131页流程描述在这种容器设置中,液体制冷剂从高压缓冲腔通过三级膨胀阀逐级降压。第一和第二级膨胀阀出来的流体进入缓冲罐,气相从顶部出来,从级间进入压缩机。机械制冷第10页,共131页流程描述后面我们将说明,这种3个膨胀阀系统比一个或两个膨胀阀系统效率更高,压缩机能耗也更低。机械制冷第11页,共131页设备描述-制冷压缩机制冷压缩机既有活塞式的又有离心式的,还有螺杆压缩机。它和其它的工艺压缩机以及管道压缩机相同。唯一不同的是机械润滑油的选择,显然制冷压缩机的润滑油在低温下仍需保持其润滑性能。压缩机可由电机、燃气轮机或燃气发动机驱动。机械制冷第12页,共131页设备描述-冷剂冷凝器冷凝器是典型的管壳式换热器或空冷器,选用哪种形式取决于是否有冷却水。制冷剂没有腐蚀性,因此不需采用特殊的材质。机械制冷第13页,共131页设备描述-膨胀阀膨胀阀是典型的薄膜操作调节阀。阀内组件必须能够承受阀内压降和汽化引起的冲蚀。阀上装有作为辅助动力部件的定位器,能保证在给薄膜空气信号发生变化时改变阀的开度。机械制冷第14页,共131页设备描述-制冷器制冷器,或制冷专业人员常称的蒸发器,通常是一种釜式换热器。工艺流体在管程被冷却,而液体制冷剂走壳程或管外。随着制冷剂不断的从工艺流体中带走热量,制冷剂被汽化。因此,在制冷剂液体的上面,必须有足够的气相分离空间,也就是说,这种换热器是分离器和换热器的组合。如果制冷器温度低于-29℃,需采用特殊材质。机械制冷第15页,共131页设备描述-管道和容器低温下运行的设备,其材质的选用必须满足低温工况的要求。碳钢可以用在-29℃以上。低于这一温度,会变脆和断裂。经过特殊热处理和试验,碳钢可用于-46℃以上。低于这个温度,则要填加镍来防止钢材变脆。镍是不锈钢的主要成分,低温工况要求用较高镍含量合金。铝也可用在低温下。容器和管道的材质的选择一定要满足低温的要求,尤其是在进行现有设施的改造时,更应注意这一点。新的管道不仅应满足它所接触的介质的温度要求,对于它所接触到的金属,尤其是焊接在旧的管道上时,也应满足这些管道相匹配。机械制冷第16页,共131页设备描述-管道和容器下面是不同金属材料的使用温度:操作温度℃适用金属材质-29碳钢-30到-46低碳钢,冲击试验-47到-592.5%镍钢或铝-60到-1013.5%镍钢或铝低于-101304或316镍钢或铝机械制冷第17页,共131页制冷原理制冷过程与汽车冷却系统是相似的,不同的是它在低于环境温度下移走热量,再把热量传给空气或冷却水。制冷剂是一种传热介质。制冷过程的关键是制冷剂的冷却。多数处理装置的制冷系统用丙烷或氟里昂做制冷剂。为了简化我们的叙述,我们按丙烷做制冷剂考虑,氟里昂和其它制冷剂的制冷原理与丙烷是一样的。机械制冷第18页,共131页制冷原理制冷过程是利用低温流体移走热量,然后通过冷凝器传递给处于环境温度下的水或空气。制冷剂只不过是一种传热介质。它从低温流体中移走热量,传递给高温的水或空气。制冷系统和汽车冷却系统相似。水在发动机箱循环,从汽缸吸收热量,热水流向散热器,将热量又传递给散热器周围的空气。水在这里面只是将热量从发动机传到空气的中间载体。机械制冷第19页,共131页制冷原理-汽化热制冷过程一个最基本的要素是沸腾或汽化。液体从外部热源吸热而沸腾。例如,1kg100℃的水变成蒸气能从火中或其它热源吸收2257kj的热量。液体的汽化和闪蒸实际上是沸腾,从液体变成气体状态必须获得汽化热。机械制冷第20页,共131页制冷原理-汽化热丙烷的汽化热见图。1kg丙烷在低温下的汽化热比高温时的高。机械制冷第21页,共131页制冷原理-汽化热冷凝器出口丙烷温度为49℃,制冷器温度为-23℃,确定冷凝器和制冷器中的汽化热。C3冷凝温度49℃汽化热285kJ/kg机械制冷第22页,共131页制冷原理-汽化热冷凝器出口丙烷温度为49℃,制冷器温度为-23℃,确定冷凝器和制冷器中的汽化热。C3制冷器温度-23℃,汽化热401kJ/kg机械制冷第23页,共131页制冷原理-汽化热从例题中可以看出,1kg丙烷在-23℃时的汽化热为401kJ/kg,丙烷必须获得这些热量才能被汽化。制冷器中的丙烷处于沸点温度。管程的工艺流体将热量传递给壳程的丙烷。当1kg,-23℃的丙烷吸收401kJ/kg热量而汽化后,它的温度仍然是沸点温度。压缩机出口的丙烷气体温度高于冷凝温度(冷凝温度等于沸点),必须将气体冷凝到冷凝温度,再脱除掉相当于汽化热的热量。机械制冷第24页,共131页制冷原理-蒸气压制冷过程的另一个重要因素是制冷剂的蒸气压。为了帮助你了解蒸气压的概念,可以假设一个装丙烷液体的缓冲罐。缓冲罐压力表的读数就是丙烷在容器中的蒸气压。机械制冷第25页,共131页制冷原理-蒸气压丙烷和氟里昂的蒸气压曲线见图可以看到蒸气压随温度的升高而增加。也就是说,缓冲罐内丙烷的温度升高时,罐内的压力也升高。如果温度不变,而缓冲罐压力降低,则丙烷会汽化。蒸汽压,kPa(g机械制冷第26页,共131页制冷原理-蒸气压蒸气压曲线同时也是沸点曲线。即,缓冲罐中的液体丙烷处于沸点温度,如果它从环境移走热量,有些丙烷则会被汽化。同样,如果环境温度低于缓冲罐温度,一些丙烷蒸气会被冷凝成液体。因此,容器中的液体丙烷处于沸点,而气体丙烷则处于它的冷凝温度。蒸汽压,kPa(g机械制冷第27页,共131页制冷原理-蒸气压正如前面所说的,在沸点状况,液体汽化和气体冷凝时,系统热量在增加或减少,但却没有温度变化。蒸汽压,kPa(g机械制冷第28页,共131页制冷原理-蒸气压蒸气压曲线是按纯丙烷绘制的。但是,在很多装置中丙烷制冷剂中还含有1-3%乙烷。图中虚线为含有2%乙烷的丙烷制冷剂蒸气压曲线。图中蒸气压为海拔高度为0时测得的表压,当海拔高于0时,会略高于图中数值。蒸汽压,kPa(g机械制冷第29页,共131页制冷原理-蒸气压制冷剂的蒸气压用来确定系统设备的操作压力和设计压力。冷凝器出口丙烷温度为49℃,制冷器温度为-23℃,确定操作压力。纯丙烷做制冷剂。冷凝器的压降为50kPa。蒸汽压,kPa(g机械制冷第30页,共131页制冷原理-蒸气压冷凝器出口丙烷温度为49℃,制冷器温度为-23℃,确定操作压力。纯丙烷做制冷剂。冷凝器的压降为50kPa。C3冷凝器出口温度(C3蒸气压)蒸汽压,kPa(gC3冷凝器出口压力1600kPa冷凝器压力降50kPa压缩机出口压力1650kPa机械制冷第31页,共131页制冷原理-蒸气压C3冷凝器出口压力1600kPa冷凝器压力降50kPa压缩机出口压力1650kPa蒸汽压,kPa(gC3低压缓冲罐温度10.5℃C3低压缓冲罐压力550kPa机械制冷第32页,共131页制冷原理-蒸气压C3冷凝器出口压力1600kPa冷凝器压力降50kPa压缩机出口压力1650kPaC3低压缓冲罐压力550kPa蒸汽压,kPa(g)C3制冷器温度-23℃C3制冷器压力(压缩机吸入压力)120kPa机械制冷第33页,共131页制冷原理-减压和汽化制冷过程最后一个步骤是用膨胀阀对液体制冷剂减压。我们知道液体丙烷在低于其蒸气压时会汽化。但是我们也知道,液体汽化需要吸收热量。这些热量只能从那些压力降低后未汽化的液体中获得。因此,当液体丙烷的压力通过膨胀阀降低时,有些液体会汽化,它们从那些未被汽化的液体中吸收热量,从而,液体的温度会降低。机械制冷第34页,共131页制冷原理-减压和汽化制冷剂的冷却是通过膨胀阀获得的,冷却负荷的大小取决于膨胀阀的汽化率,进一步是取决于膨胀阀的压力降。图表示膨胀阀降压时不同汽化率对应的液体丙烷的温度。机械制冷第35页,共131页制冷原理-减压和汽化确定图中所示操作压力下膨胀阀的汽化率和出口温度。机械制冷第36页,共131页制冷原理-减压和汽化1级膨胀阀进口C3压力1600kPa1级膨胀阀出口C3压力550kPa1级膨胀阀汽化率30%1级膨胀阀出口温度10.5℃机械制冷第37页,共131页制冷原理-减压和汽化2级膨胀阀出口C3压力120kPa1级膨胀阀汽化率20%1级膨胀阀出口温度-23℃机械制冷第38页,共131页制冷原理-减压和汽化低压缓冲罐气体流率占流进膨胀阀1液体流量的30%,膨胀阀的流量也是压缩机2级出口流量。也就是说,压缩机出口气体中,有30%在冷凝器、缓冲罐、1级膨胀阀和2级压缩机之间循环。在1级膨胀阀没有汽化的70%的液体丙烷流向2级膨胀阀,在这里有20%被汽化,使其余80%的制冷剂温度降到-23℃。机械制冷第39页,共131页制冷原理-制冷器内的热量传递制冷系统的功能是将工艺物流冷却到环境温度以下。制冷器常见用途是降低气体的温度,使气体中的烃类冷凝下来。如图所示流程,气体走制冷器的管程,而制冷剂液体走壳程,热量从管程热的气体中传递到壳程的制冷剂中。制冷剂处于沸点温度,因此,它吸热后汽化。在制冷器壳程设有液位控制系统,将制冷剂的液位控制在略高于管程的管子,膨胀阀做液位调节阀。机械制冷第40页,共131页制冷原理-制冷器内的热量传递从热的工艺流体传递给低温制冷剂的热量,称为制冷器的制冷负荷。它的计量单位是kJ/h。制冷负荷通常是百万个热量单位,缩写为:MJ/h。制冷剂在制冷器中处于沸点温度,所有传递的热量都是制冷剂的汽化热。制冷剂的温度并不变化。另外,膨胀阀出口的制冷剂是气液混相的,但气体制冷剂却不能提供任何冷量。因此,热量的传递完全取决于液体制冷剂的汽化。机械制冷第41页,共131页制冷原理-制冷器内的热量传递当制冷器的制冷负荷为4000MJ/h时,丙烷制冷剂的流量是多少?制冷器制冷负荷4000MJ/h制冷器中C3温度-23℃机械制冷第42页,共131页制冷原理-制冷器内的热量传递当制冷器的制冷负荷为4000MJ/h时,丙烷制冷剂的流量是多少?制冷器制冷负荷4000MJ/h制冷器中C3温度-23℃C3在温度-23℃时汽化热401kJ/kg机械制冷第43页,共131页制冷原理-制冷器内的热量传递制冷器制冷负荷4000MJ/h制冷器中C3温度-23
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