03-液化天然气技术(LNG)-第三章 制冷原理和方法

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温度为T0、压力为p0的原料气， 经冷凝换热器换热后，温度降为T2、 压力降为p2，部分冷凝分离出来的 凝液在分离器中分离出来，并节流 减压后排出，未冷凝的气体经膨胀 机绝热膨胀到压力p3、温度T3。低 温低压干气流经冷凝换热器吸收热 量，将自身升温到T4后输出。
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第三节 蒸气压缩制冷
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二、节流循环
气体节流降温组成的制冷循环，称为节流循环。下图为 一种简单的一次节流循环的T-S图（温熵图）。
所吸收的热量（即制冷量）为：
一次节流循环的T-S图
qoh =cP T1 T4 HT
天然气往往具有一定压力，在液化过程中，只 要善于利用气体的压力，就可以组成各种节流制 冷循环，为工艺装置补充冷量。
1.微分节流效应:
定义：
αH
T P
（3-2）
αH—微分节流效应系数（或焦—汤系数），经变换，可改写为：
H
1 Cp
T
V T
P
V
（3-3）
式中：Cp—气体的定压比热。
对于理想气体，由于PV=RT，则
V R V T p P T
由公式（3-3）得αH =0，即
理想气体节流温度不变。
液化天然气技术
第三章 制冷原理和方法
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制取冷量的方法: 气体膨胀制冷和相变制冷两大类。
（1）气体膨胀制冷:
高压力气体 节流阀或膨胀机绝热膨胀
气体降压
（2）相变制冷:
获得冷量
降温
利用某些物质（即制冷剂）在相变时的吸热效应来产生冷量。 蒸汽压缩式、蒸汽喷射式和吸收式。
天然气液化常采用----节流膨胀制冷、膨胀机绝热膨胀制
冷、蒸汽压缩制冷等三种。
注：膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时，向外输出机械功使气体温度降低
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的原理以获得能量的机械。
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节流:
第一节 气体的节流制冷
连续流动的高压流体，在绝热且不对外做功的情况下，
通过节流阀急剧膨胀到低压的过程。
节流的最终结果是等焓的：
H1 H2
（3-1）
实际节流过程是不可逆过程，过程进行时，熵随之增加。
HS =H1 H2
对于实际气体，积分等熵膨胀效应 通常用热力学图去查，最方便的是有关TS图，如右图所示。
等熵膨胀过程的温差
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二、气体节流与气体作外功的绝热膨胀的比较
H
1 Cp
T
V T
P
V
s
T CP
V T
p
S
H
V cP
V/CP—为气体对外做功引起的温度降，由于V >0，CP>0，则V/CP>0，故αs>αH。
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1.等熵膨胀效应
等熵膨胀效应：气体进行等熵膨胀时，由于压力的变化引起的温度变化。为
了表示等熵膨胀后气体的温度变化，引入等熵膨胀效应系数 s
s
T P
s
（3-8）
s
T CP
V T
p
（3-9）
式中，cp>0, T>0,
V T
p
0，所以αs>0，即等熵膨胀过程总是产生冷效应。
一、蒸气压缩制冷原理
蒸气压缩制冷是利用液体汽化相变制冷，即液体汽化吸热 获得低温。它包括：
节流膨胀、 液体冷剂蒸发、 气体冷剂压缩、 过热气体冷凝 等四个过程。
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这样，一方面，既不会无谓地将压力能泄放 掉，另一方面，又不会因产冷而过多地消耗动力。
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第二节 气体作外功的绝热膨胀
一、气体做外功的等熵膨胀过程
高压天然气
透平膨胀机
做外功 产生冷量
该过程的特点是：气体膨胀对外做功其熵值不变。
S1 S2
注：透平([turbine)是将流体介质中蕴含的能量转换成机械功的机器，又称涡轮。
气体从同一状态开始膨胀到相同终压，节流膨胀的温降小，等熵 膨胀的温降大，且能回收一部分膨胀功。两种膨胀的差量为V/CP。
因此，在制冷过程中，采用气体输出能量的等熵绝热膨胀 比采用节流膨胀好。
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三、膨胀机制冷循环
膨胀制冷循环流程
1-压缩机；2-干燥器；3-冷凝器；4-汽液 分离器；5-膨胀机
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H
1 Cp
T
V T
P
V
对于真实气体，有以下三种情况：
T V V T冷效应；
T V V T P
时，
αH =0节流后温度不变，称为零效应；
T V V T P
时， αH <0节流后温度升高，称为热效应。
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注：H=U+pV；U为热力学能；pV为推动功，即工质移动时所传输的能量。
Q
克劳修斯不等式：dS Tr
Q为系统与外界间的实际微元传热量；T为热源温度。
等号适用于可逆过程，不等号适用于不可逆过程。
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一、节流效应
流体节流时，由于压力的变化所引起的温度变化，称为节流效应或焦 尔—汤姆逊效应（简称焦-汤效应，即J-T效应）。
天然气是复杂的气体混合物，目前大多数采用真实气体状态方程式， 利用节流前后焓相等的关系迭代计算得到。
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二、节流循环
气体节流降温组成的制冷循环，称为节流循环。下图为 一种简单的一次节流循环的T-S图（温熵图）。
一次节流循环的T-S图
气体由起始状态1(p1,T1)等温压缩到状态 2(p2,T2) ， 然 后 将 其 冷 却 至 状 态 3(p2,T2) ， 再 将其节流至p4，此时温度降至T4。将此节流 降温后的气体与压缩后的气体换热，则节流 后气体在等温下吸热，可以恢复到原来状态 1(p1,T1)。
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2.积分节流效应
积分节流效应（ΔTH）：
TH
T2 T1
P2 T dp P1 P H
P2 P1
H
dp
αH
T P
H
1 Cp
T
V T
P
V
（3-4）
TH
T2 T1
P2 P1
1 CP
T
V T
P
V dp
（3-5）
式中 T1、T2—气体节流前、后的温度； P1、P2—气体气流前、后的压力。
产冷值为绝热焓降：ΔH0=H1－H2
积分等熵膨胀效应ΔTS：
Ts T2 T1
P2 P1
s
dp
P2 P1
T dp P s
（3-10）
式中 T1、T2—气体等熵膨胀前、后的温度；
2020/8/5 P1、P2—气体等熵膨胀前、后的压力。
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2.等熵膨胀产冷量
等熵膨胀单位产冷量，即绝热焓降 （ ΔHS ） ， 气 体 等 熵 膨 胀 开 始 状 态 的 焓 （H1）与膨胀终了状态的焓（H2）之差， 即：