上海交通大学：《低温原理及应用》课程教学资源（课件讲稿）第04讲 气体液化（1/2）

上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 低温原理及应用 第四讲气体液化1 2018年春季 黄永华博士、教授 答疑： 邮箱huangyh@sjtu.edu.cn;电话：34206295 或预约办公室：机动A楼432室

低温原理及应用 第四讲 气体液化1 2018年春季 黄永华 博士、教授 答疑: 邮箱 huangyh@sjtu.edu.cn ; 电话: 34206295 或预约 办公室：机动A楼432室

气体液化的基本慨念 ·系统的性能参数 1.单位质量气体的压缩功： -w/n 2.单位质量气体液化功： -w/m 3.液化率 :y=m/m 三者之间的关系是 (-w/m)=(-w/mr)y 缺点：用同一液化系统当液化介质不同时，其性能参数也不同

气体液化的基本慨念 • 系统的性能参数 1. 单位质量气体的压缩功: 2. 单位质量气体液化功: 3. 液化率: ； ： 。  w  / m  mf  w  /  y  m  f / m  三者之间的关系是 w m w m y f (  / )  (  /  ) 缺点：用同一液化系统当液化介质不同时，其性能参数也不同

液化性能指标 ·还需要另外一个性能参数以说明实际液化循环的 经济指标。 ·通常以理想循环所需的最小功 W;与实际循环液 化功W 比值作为评定的标准，称为循环效率 FOM(或热力完善度)， FOM= -wilms -wlmt 0到1之间 W

液化性能指标 • 还需要另外一个性能参数以说明实际液化循环的 经济指标。 • 通常以理想循环所需的最小功 与实际循环液 化功 比值作为评定的标准，称为循环效率 FOM(或热力完善度)， wi  w  f i f i w m w m w w       / / FOM     0到1之间

反映实际液化系统中部件的性能参数 ·压缩机和膨胀机的绝热效率； ·压缩机和膨胀机的机械效率 ·换热器的效率； ·换热器和管道的压降； ,系统与环境的热交换。 理想系统：认为所有部件的效率为100%，不可逆压降及漏热为零。 待到考虑实际循环时再考虑这些部件的效率、压降和热漏对系统的影响

反映实际液化系统中部件的性能参数 • 压缩机和膨胀机的绝热效率； • 压缩机和膨胀机的机械效率； • 换热器的效率； • 换热器和管道的压降； • 系统与环境的热交换。 理想系统： 认为所有部件的效率为100%，不可逆压降及漏热为零。 待到考虑实际循环时再考虑这些部件的效率、压降和热漏对系统的影响

热力学理想液化系统 选择卡诺循环中的两个过程，可逆等温 压缩机 压缩和可逆等熵膨胀，该系统在热力学 上是理想的，而实际循环是不可逆的。 2 等温 T P=const 膨胀机 饱和液 等熵 液体 m 蓄液器才 (a) (b) 氮：等温压缩的压力P2高达70GPa~80GPa,太高，实际设备无法承受该高压。 所以，理想液化循环实际上是无法实现的

热力学理想液化系统 选择卡诺循环中的两个过程，可逆等温 压缩和可逆等熵膨胀，该系统在热力学 上是理想的，而实际循环是不可逆的。 饱和液 等温 等熵 氮: 等温压缩的压力P2高达70GPa~80GPa，太高，实际设备无法承受该高压。 所以，理想液化循环实际上是无法实现的

压缩机 m 2 1/ T P=const 膨胀机 液体 m 净功 蓄液器了 -成，=成。-成。 (a) (b) 热力学第一定律 rin(h-h)+W-W)=Og=rinT (s-s) 由于100%气体被液化m=mf或y=1 液化气体的理论最小功 =T5-sy)-(4-h,)= 成 m mf

热力学第一定律 ( ) ( ) ( ) 1 f c e R 1 1 f m h  h  W W  Q  m T s  s    Wi Wc We       净功 由于100%气体被液化 m   m  f 或 y 1 液化气体的理论最小功 f i f f i m W T s s h h m W       1 ( 1  )  ( 1  )  

表3.1液化气体的理论最小功 (初始点p=101.3kPa,T=300K 气体名称 沸点(K) 理论最小功(kJkg) 氦一3 3.19 8178 氦-4 4.21 6819 氢 20.27 12019 氖 27.09 1335 氮 77.36 768.1 空气 78.8 738.9 一氧化碳 81.6 768.6 氩 87.28 478.6 氧 90.18 635.6 甲烷 111.7 1091 乙烷 184.5 353.1 丙烷 231.1 140.4 氨 239.8 359.1

表3.1 液化气体的理论最小功 (初始点p=101.3kPa，T =300K) 气体名称 沸点(K) 理论最小功(kJ/kg) 氦－3 3.19 8178 氦－4 4.21 6819 氢 20.27 12019 氖 27.09 1335 氮 77.36 768.1 空气 78.8 738.9 一氧化碳 81.6 768.6 氩 87.28 478.6 氧 90.18 635.6 甲烷 111.7 1091 乙烷 184.5 353.1 丙烷 231.1 140.4 氨 239.8 359.1

简单林德一汉普逊循环 补充气体 压缩机 换热器 2 T=const m. ② (m-m） JT阀 p=const p=const 4 h÷const 储液器→ 液体 熵S 1895年德国林德和英国汉普逊分别独立提出的一次节流循环

简单林德－汉普逊循环 1895年德国林德和英国汉普逊分别独立提出的一次节流循环

把热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备 T=const 0=(m-ms )h +ms hs -mh2 p=const p=const mf h1-h2 =y= hi-hf h=const m 气体的液化率y依赖于 熵S (1)大气条件下（点1）的压力p和温度T,从而决定了h和h: 环境状态无法改变，因此点和事实上是定的。 (2)等温压缩后的压力P2,2由P2决定。 要使液化率y最大，则必须使h最小。 最佳pP2 )==0→( (unrCp)T=T =0 即对应2-h2或y最大值的气体压力p2必通过等温线T和转化曲线的交点

把热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备 m m y h h h h f . . f     1 2 1 气体的液化率y依赖于 (1)大气条件下(点1)的压力p1和温度T1，从而决定了h1和hf； (2)等温压缩后的压力p2，h2由p2决定。 最佳p2 要使液化率y最大，则必须使h2最小。 环境状态无法改变，因此点1和f事实上是定的。 ( ) 0 1 T T  P h   ( ) 0 1 JT cp T T  即对应h2-h2或y最大值的气体压力p2必通过等温线T1和转化曲线的交点

h=const 转化曲线 温度下降 温度上升 P2 压力p

T1 p2