第九章冷冻技术课件.ppt

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1、1 第九章 冷冻技术 第一节 冷冻的主要任务 一、冷冻及其在制药生产中的应用 冷冻或称制冷，是将物料的温度降低到比水或周围空气的温度还要低的操作。 冷冻操作习惯上分为两种，冷冻范围在-100以内的为一般冷冻，简称冷冻； 低于-100的为深度冷冻。本章只讨论一般冷冻。 二、冷冻过程的基本原理 1理想冷冻循环 下面从理想冷冻循环出发，讨论如何将热量从低温送到高温，以及移走的热量与所需外功之间的关系。 表10-1 氨的沸点与压力的关系 压力/kPa 沸点/ 101.3 -33.4 429.4 0 1166.54 30 2由表10-1氨的沸点随压力变化关系可知，任一物质的沸点（或冷凝温度）是随压力而化

2、的。可以利用物质的这一特性制冷，使它在低压下蒸发，从被冷物中吸取热量，达到 制冷的目的。蒸发后的气态物质经压缩，提高压力，使冷凝温度高于冷水温度，在高压用冷水冷凝，重新变成液态物质，再减压蒸发。由于低压气体不能自动地变成高压气体，图9-1 理想冷冻循环必须消耗压缩功，才能实现上述循环制冷过程。 若将吸热、放热过程用适当的设备联系起来， 使传递热量的中间物冷冻剂（如氨）循 环使用，即形成如图10-1所示的冷冻循环。 冷冻循环流程中的主要设备有（1）压缩机（冰 机或冷冻机）；（2）冷凝器；（3）膨胀机；（4） 蒸发器。 各设备的主要作用为： 3（1）在压缩机中将低压冷冻剂可逆绝热压缩到高压，并送入

3、冷凝器； （2）在冷凝器中进行可逆等温冷凝； （3）液化后的高压冷冻剂，通过膨胀机进行可逆绝热膨胀后送入蒸发器； （4）在蒸发器中液体冷冻剂从被冷物中可逆等温吸热而蒸发，回到原来进入压缩机时的状态，重复新的循环。上述冷冻循环的冷凝器中，吸热物质一般为水，温度是2T；蒸发器中被冷物体的温度是1T。 由能量恒算： 2211WQWQ故净功为 1221QQWWW式中 1Q冷冻剂从被冷物吸取的热量，kJ/kg； 2Q冷冻剂向热流体放出的热量，kJ/kg； 1W冷冻剂从压缩机得到的功，kJ/kg； 2W冷冻剂对膨胀机所作的功，kJ/kg。 4 2冷冻系数 冷冻剂自被冷物体中所取出的热量与所消耗的外功之比，

4、称为冷冻系数，以表示 则 1211QQQWQ冷冻系数是衡量冷冻循环的重要指标。其值越高，机械功被利用的程度越高。 对理想冷冻循环，由理论上可推导出，其冷冻系数为最大，表以大。 121121TTTQQQ大1T2T由上式可以看出，冷冻系数的大小仅仅决定于冷冻机的蒸发温度和冷凝温度如果 1T2T单从冷冻系数来考虑，冷冻剂的蒸发温度越高，冷凝温度越低，冷冻系数在同样冷冻量的情况下，所消耗的功率越小，操作费用也越低。但是实际应用上， 。越大，两个温度的选择还受其他一些因素的限制。 5（1）蒸发温度 蒸发温度的高低取决于生产工艺要求，蒸发温度必须低于被冷物质所 需要达到的最低温度，这样才能在冷冻剂与冷物质

5、之间保证有一定的温度差以维持传热的需要。 1T1T蒸发温度高时，温度差小，要求传热面大，但冷冻系数大。蒸发温度低时，温度差大，传热面小，但冷冻系数小，冷冻设备费用小，但消耗功率大，操作费用大。所以 必须结合生产实际，选择适当的蒸发温度。一般生产上取蒸发温度比冷冻物质所要求达 到的温度低45。（2）冷凝温度2T 冷凝温度取决于冷却水的温度，使冷冻剂与冷却水在冷凝器中有一个 温度差，使热量得以传递。通常取冷冻剂的冷凝温度比冷却水进口温度高89。冷凝温 2T2p1T度确定以后，冷冻剂的饱和蒸汽压也就确定了。蒸发温度越低，相应的冷冻剂1p12pp饱和蒸汽压也越低，压缩比就越大，功率消耗也大，冷冻系数越

6、小，因此不能过分降低冷冻剂的蒸发温度，以求经济上的合理性。 6 第二节 压缩蒸气冷冻机 一、实际压缩蒸气冷冻机 实际的氨冷冻循环由两个绝热过程和两个等压过程所组成。主要设备有四个：（1）压缩 机；（2）冷凝器；（3）节流阀；（4）蒸发器。压缩蒸气冷冻机的冷冻循环简图如图10-2所示。 图10-2 氨冷冻循环1p1T氨在进入压缩机时是干饱和蒸气（、)；经 过压缩机，压力和温度同时升高，变成过热蒸 2p2T气（、）；通过冷凝器被冷凝、冷却成过 2p3T冷液体（、）；再通过膨胀阀，压力和温 1p1T度同时下降（、 ），并部分气化，成为气 液混合物；最后经过蒸发器，从被冷冻物料取 1p1T得热量，全部

7、变成干饱和蒸气（、），然 后开始新的循环。这种操作过程称为有过冷的 干法操作。 7 由上述讨论可以看出，实际冷冻循环和理想冷冻循环是有区别的。 1在实际氨冷冻循环中，压缩机采用干法操作，而在理想冷冻循环中采用湿法操作。 2在实际氨冷冻循环中，用节流阀实现节流膨胀，而在理想冷冻循环中，用膨胀机实现可逆绝热膨胀。 3.由冷冻的实际操作来看，在实际压缩冷冻机的操作中，均采用冷凝液的过冷操作。 综上所述，实际压缩蒸汽冷冻机的效率和冷冻系数永远小于理想冷冻循环。 二、冷冻能力 1冷冻能力 冷冻剂在单位时间内从被冷冻物料取出的热量，称为冷冻能力，用符号1Q表示， 单位是W或kW。 对一定大小和转数的往复压

8、缩机而言，其冷冻能力可用下式计算 111VqQv8式中 压缩机的送气系数；1vq单位体积冷冻能力，kJ/m3； 1V压缩机的理论送气能力，即活塞扫过的容积，m3/s。 为了确切说明冷冻剂的冷冻能力，就必须指明冷冻机的操作条件。 2标准冷冻能力按照国际人工制冷会议的规定，在压缩机吸入为干饱和蒸气的条件下，任何冷冻机的标 151T302T253T准操作温度为：蒸发温度，冷凝温度，过冷温度。在标 SQ表示。任何冷冻机的铭牌 准操作温度条件下的冷冻能力，称为标准冷冻能力，用符号上所标明的冷冻能力就是标准冷冻能力。 由于冷冻机的实际操作温度是根据工艺要求决定的，因此很难与标准操作温度相同，必 须将生产条

9、件下的冷冻能力换算成标准冷冻能力才能选用合适的冷冻机。反之，要核算 一台现有的冷冻机是否符合生产需要的冷冻能力时，也要将铭牌上标明的标准冷冻能力 9换算成操作温度下的冷冻能力，才能进行比较。依据气缸体积不变这一事实，标准冷SQ1Q冻能力和实际冷冻能力的换算关系为 111vvsSSqqQQ式中各项符号的意义与前述相同，下标1表示实际的操作状况， 下标s表示标准操作温度时的数值。 三、多级压缩蒸汽冷冻机 1单机压缩蒸汽冷冻机的适用范围 在压缩蒸汽冷冻机的实际操作中，当蒸发温度很低，或冷凝温度很高时，压缩比12pp 就变得很大，致使冷冻能力降低。如仍用单机压缩，就会引起以下的不良后果： （1）送气系

10、数很低，甚至等于零。（2）单机压缩的终温很高，冷冻剂蒸气可能分解。例如，氨在高于120以上会分解。（3）所需功率大为增加。10因此，当所需要的冷凝温度和蒸发温度之差较大，需要很大的压缩比时，或者生产工艺要求不同级别的低温时就需采用多级压缩。冷凝温度2T由水温决定，变化不大；而蒸1T1T发温度随工艺条件变化而有较大的变化。所以，通常根据决定是否需用多级压缩。 1T1T例如，在氨冷冻机中，当-30时应采用两级压缩；当-45时应采用三级压缩。 图10-3 两级压缩制冷装置流程2两级压缩蒸气冷冻机最常用的一种两级压缩蒸气冷冻机的流程 如图10-3所示。低压气缸吸入压力为1p的干饱 和蒸气，压缩至压力为

11、p，排出的过热蒸气在 中间冷却器中用水冷却至接近高压气缸吸入气 体的温度后，进入分离器中。在分离器中，蒸 气与同一压力p下的饱和液体相接触，将其过 11热部分的热量传给饱和液体，使部分液体蒸发，从而保证了进入高压气缸的蒸气是温度较低的干饱和蒸气。 蒸气经过高压气缸压缩至压力为2p，然后进入冷凝器中冷却并过冷，再经过节流阀节流膨胀至压力为p进入分离器中。膨胀后的蒸气与低压气缸送来的经过冷却的蒸气以及液体中部分蒸发出来的蒸气一同进入高压气缸中。 分离器中的液体，一部分经高压蒸发器吸热蒸发后进入高压气缸，另一部分经节流阀， p1p由中间压力节流膨胀到压力后，开始另一次循环。 在流程布置上，采用了两次

12、节流膨胀，设置分离器和中间冷却器。 分离器的作用是使气液分离，使冷冻剂蒸气以干饱和状态进入高压气缸。 分离器中的液体以不同的压力分别进入高、低压蒸发器，使冷冻剂在两种不同的蒸发温度下工作。 由前面讨论可知，蒸发温度高，冷冻系数就大。现在，一部分冷冻能力是在高压蒸发器 12中得到的，因此比用一个蒸发器的冷冻系数要大。特别是在要求两种不同的冷冻温度时，更为合适。 在两级压缩和两级蒸发中，都是以增加传热面积来换取冷冻系数的提高。因此，在采 用时应作全面的经济核算。 3复迭式冷冻机 如上所述，当需要获得较低的蒸发温度时，可以采用两级或多级压缩。 但是当冷冻剂的蒸发温度降低时，蒸发压力相应降低，冷冻剂蒸

13、气的比体积就增大，因而要求压缩机的气缸尺寸也增大。此外，冷冻剂工作时所能达到的最低温度受冷冻剂的凝 固点所限制。例如，氨的凝固点是-77.5。 实际上，在活塞式压缩机中，由于压缩机吸气阀门系统存在阻力，气体进口压力不能低 于1015kPa。在15 kPa下，氨的蒸发温度是-65；氟里昂-12是-67；氟里昂-22是 -75；氟里昂-13是-111。如果在这样低的压力下操作，压缩比显著提高，周围空气也难免漏入冷冻系统。因此，在实际生产上采用两种不同的冷冻剂，组成复迭式冷冻机， 或称为串级式冷冻机，进行复迭制冷。 13所谓复迭式冷冻机，就是将两种不同的冷冻剂的冷冻机组合在一起进行工作。第一个冷冻剂

14、的蒸发器就是第二个冷冻剂的分凝器。通常在第一个冷冻系统（高温部分）中采 用中压冷冻剂，例如氨、氟里昂-12、氟里昂-22等。在第二个冷冻系统（低温部分）中采用高压冷冻剂，例如氟里昂-13、乙烯等。高压冷冻剂即使在极低的温度下，其饱和蒸气压仍较高。例如，氟里昂-13在-80时的饱和蒸气压为110kPa；乙烯在-100时的饱和 压力为126 kPa。在此操作条件下，蒸发器内图10-4 复迭式冷冻机的流程不至于漏入空气。 图10-4是复迭式冷冻机的流程 简图。高温部分的冷冻剂为氨，它的 蒸发温度是-30，冷凝温度是25； 低温部分的冷冻剂是氟里昂-13，它 的蒸发温度是-80，冷凝温度是-25。 1

15、4复迭式冷冻剂的每一过程都在比较有利的压力和温度条件下工作，各压缩机的送气系数都比较大。因此，复迭式冷冻机比多级压缩蒸气冷冻机更有利。它的缺点和多级压缩气冷冻机一样，结构复杂，操作比较麻烦，一般用在深度冷冻操作中。 第三节 冷冻剂与载冷体一、冷冻剂1冷冻剂应具备的条件（1）冷冻剂在常压下的沸点要低，这是对冷冻剂的最基本要求。（2）在蒸发温度下的气化相变热应尽可能大，而蒸汽的比体积应小。在一定冷冻能力下， 可以降低冷冻剂的循环量，以缩小冷冻设备体积和节省动力消耗。 （3）在蒸发温度下的蒸发压力应接近或略高于大气压力。这是因为防止冷冻剂的漏失比 防止空气漏入要容易。 （4）在冷凝温度时的冷凝压力不

16、应太高，以降低压缩比和功率消耗，。否则冷凝压力过 高对冷凝器和管路的耐压要求也要高。 15（5）无腐蚀性和毒性，不易燃易爆，使用安全，在操作条件下化学性质稳定。 （6）价格便宜，容易获得。 2几种冷冻剂的比较 氨 氨是应用最广泛的冷冻剂。从操作压力、气化相变热和单位质量冷冻能力来说，氨 比其他冷冻剂优越。在冷凝器中，当冷凝温度较高时（如夏季），压力也不超过1.6MPa。 在蒸发器中，当蒸发温度低到-33时，压力也不低于101.3kPa，这时空气不会漏入。氨的其他优点是容易获得，压缩机的气缸尺寸较小，漏气时容易发现。它的缺点是有强烈的特异刺激性臭气味，遇热及明火时可燃烧，对铜有较强的腐蚀作用。由

17、于氨的优点较多， 目前广泛应用于蒸发温度在-505范围内的大、中型冷冻机中。 氟里昂 近年来氟里昂在冷冻装置中应用日益广泛，特别是在小型冷冻机和空气调节器 等方面。氟里昂是烷烃的氟氯衍生物，氟里昂产品的沸点随其中氯原子数的增加而升高。 在常压下，氟里昂因品种不同，其沸点为-82到40左右。常用的有氟里昂-11（CFCl3）、 16氟里昂-12（CF2Cl2）、氟里昂-13（CF3Cl）和氟里昂-113（C2F3Cl3）等。这类冷冻机的优点是无毒、无味、无燃烧爆炸危险，对金属无腐蚀性。它们的缺点是相变热小，单位质量冷冻能力比氨小，冷冻剂循环量大，消耗能量大。此外，氟里昂的密度大，流动阻力 较大，

18、传热膜系数较低，会溶解于润滑油中使油的黏度下降，能渗入极细微的缝隙，不易 发现漏损，价格也较贵。由于地球大气臭氧层空洞的增大与卤代脂肪烃的排放有关，1991年 124个国家在哥本哈根签订了“关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书”，发达国家已于1996年 起禁止使用氟里昂-12，其他国家也只能使用到2005年底，氟里昂-22在2030年起也将在发达 国家禁止使用。 二氧化硫和氯甲烷的冷凝压力比氨的低，各是650 kPa和900kPa，但它们的蒸发温度只 能分别达到-10和-23.5。 二氧化碳的优点是无毒，密度大，所需的压缩机气缸尺寸小。它的缺点是冷凝压力很高， 一般是68 MPa，蒸发压力不能低

19、于530 kPa，否则二氧化碳将固态化。 17二、冷冻盐水 1冷冻盐水的作用 在多数医药、化工生产中，不是直接用冷冻剂直接吸收被冷冻物料的热量，而是用一种 盐类的水溶液作为载冷体，吸取被冷物料的热量，称为间接制冷。载冷体在冷冻剂和被 冷物料之间循环，从被冷物料吸取热量，温度升高，然后将热量传给冷冻剂，温度降低 到原来温度。常用的载冷体是氯化钠、氯化钙等盐类的水溶液，称为冷冻盐水。 使用冷冻盐水的优点是： （1）当全厂需要冷冻操作的设备较多时，可以设一大型冷冻车间，把冷冻盐水分送各设备中使用；（2）盐水可以与某些被冷物料直接接触传热，提高传热速率。 缺点是： （1）为了保证蒸发器的传热温度差，以

20、及冷冻盐水和被冷物料之间的传热温度差， 必须降低冷冻剂的蒸发温度，使冷冻能力和冷冻系数降低。 18（2）冷冻盐水的循环需消耗动力。此外，冷冻盐水在各设备间循环使用过程中易发生冷却水的混入和冷冻盐水的泄漏。 2冷冻盐水的选用 冷冻盐水在一定浓度下有一定的冻结温度。冻结温度必须比所要达到的冷冻温度低若干 度，否则操作时会发生冻结现象，在蒸发器蛇管外析出冰层，严重影响冷冻机的操作。 选用冷冻盐水时，必须根据所要达到的冷冻温度，选择合适的冷冻盐水种类和浓度。对 于一定的冷冻温度，所用冷冻盐水的浓度必须严格控制，随时调解。最低的冷冻温度也 必须比冷冻盐水的冻结温度高1013。盐水的冻结温度和溶质的种类及

21、其浓度有关， 例如，氯化钙盐水的最低冻结温度是-55（相应浓度为29.9%），而实际使用时其温度不宜低于-45；氯化钠盐水的最低冻结温度是-21.2（相应浓度为22.4%），而实际使用时其温度不宜低于-12。常用冷冻盐水的物理性质可参阅有关手册。 19盐水对金属有较大的腐蚀性，通常在盐水中加入少量的缓蚀剂，如重铬酸钠或铬酸钠， 可在很大程度上减轻盐水的腐蚀性。但铬酸盐和重铬酸盐具有毒性，使用时应特别注意。 另一方面，盐水碱性过强也不适宜，经验证明，当盐水成弱碱性，PH值为8.5时，对金属 的腐蚀性最小。另外，使冷冻盐水循环系统密闭起来，也可减小空气中氧的腐蚀作用。 第四节 压缩蒸汽冷冻机的设备

22、 压缩蒸汽冷冻机的主要设备是压缩机、冷凝器、蒸发器和节流阀。此外，还有油分离器、 气液分离器等辅助设备。 一、压缩机 冷冻装置中的压缩机称为冷冻机或冰机，多数采用往复压缩机。主要是卧式双动压缩机、 直立单动多缸通流式压缩机，以及气缸互成角度排列的压缩机。近年来，随着医药、化学 工业的发展，新型冷冻剂氟里昂等应用日益广泛，这类冷冻剂蒸气的比体积大，往复压缩 机已不能满足要求。目前离心式压缩机由于其体积小，冷冻能力大，在冷冻装置中的使用日渐广泛，一般都应用在冷冻能力为5001000kW以上的场合。 20成套供应的制冷装置都配有一定大小的压缩机。这样就从压缩机的选用问题转化为制冷 装置的选用问题。制

23、冷装置的大小是按制冷能力计的，然而制冷能力与配套的压缩机大小、 转数、效率有关，与所用的制冷剂有关，还因操作的温度条件不同而异。产品目录中所列的往复式单机制冷装置的冷冻能力，一般都是指标准温度条件下的制冷能力。选用时，应将 实际温度条件下的制冷能力换算成标准温度条件下的制冷能力，再依此去选择制冷装置。 二、冷凝器 以水为冷却介质的冷凝器常用的型式有以下两类： 1卧式管壳式冷凝器 在制冷装置中，这一类型的冷凝器均作成水平的，因此称为卧式冷凝器。冷却水在管内 自下而上呈多程流动，流速为0.51.2m/s。制冷剂蒸气在管外冷凝。总传热系数为700 900W/（m2）。 卧式管壳式冷凝器的优点是传热系

24、数较高，冷却水耗量小，占空间高度小（可以装在室 内），操作管理方便。其缺点是要求冷却水的水质好，水温低，清洗水垢时，需要停止冷 凝器工作。这种冷凝器一般用在中、小型制冷装置中。 212立式管壳式冷凝器 在制冷装置中，这一类型的冷凝器都是直立的，因此称为立式冷凝器。冷却水自顶部进 入分配槽，沿管内壁呈水膜溢流而下，也可以用分水器把水均匀地洒在管内壁上。制冷 剂蒸气在管间冷凝。总传热系数为700800W/（m2）。 立式管壳式冷凝器的优点是占地面积小，可以在室外安装。由于冷却水直通流动，可采 用水质较差的冷却水，而且清除水垢方便，不必停止制冷系统工作。其缺点是耗水量大， 比较笨重。目前我国大、中型

25、制冷装置多采用这种型式冷凝器。 三、蒸发器与膨胀阀 1蒸发器 在冷冻操作中，蒸发器事实上为一热交换器。本书第五章传热所述的蛇管式及管壳式换 热器均适用。蛇管式换热器构造简单、操作安全，多用于小型冷冻机中。大中型冷冻机 多采用直立或卧式管壳式蒸发器。卧式管壳式蒸发器比直立管式蒸发器紧凑、价廉。但 22传热速率不如直立管式。卧式管壳式蒸发器的总传热系数为400470W/（m2），直立管式蒸发器的总传热系数为520580W/（m2）。 2膨胀阀 通常采用的膨胀阀（也称节流阀）为针孔阀。它的作用是使来自冷凝器的液态冷冻剂发 生节流效应，以达到减压降温的目的。因为液体的蒸发温度随压力的降低而降低，冷冻 剂减压后在蒸发器中可以低温汽化。此外，膨胀阀还有调节冷冻剂循环量的作用，在操作 中要严格准确控制。 3其他附属设备 （1）贮液罐 用来贮放冷冻剂液体，并起调节和稳定冷冻剂循环量的作用。（2）气液分离器 用以分离从蒸发器送出的冷冻蒸汽中的液体，避免液体进入压缩机。 （3）不凝气分离器 用以分离冷凝器中不能冷凝的气体。 （4）润滑油分离器及收集器。