The Analogy of Natural Gas Liquefaction and Self-cascade Refrigeration

张立华 孙文哲 （上海海事大学 上海 200135）

摘 要本文从纵向类比了天然气液化和自复叠制冷，得出了它们的基本原理是相同的，自复叠制冷的基本原理在很早发展起来的低温天然气液化中有了应用。由此可以看出普冷和低温领域有很多相通之处。

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0 前言

天然气是一种污染少、热值高的优质材料，是世界上的主要能源，也是一种重要的化工原料，天然气很早就被开发利用了。由于以气态贮存和运输天然气需要庞大的体积或很高的压力，而在标准大气压下，LNG（液化天然气）的密度相当于气态的600倍，这使得以液态贮存和运输天然气具有很高的经济性。最早的天然气液化技术始于1914年，但一直到1941年才在美国的克利夫兰建成了世界上第一座工业规模的天然气液化装置，经过三年成功地运行后于1944年损毁，此后国家主要致力于液化天然气贮运技术的研究和实验。1964年法国设计的第一座大型液化天然气装置在阿尔及利亚投产，并在世界上首次实现了大规模的液化天然气槽船运输。天然气的液化是通过制冷方法实现的，液化天然气主要是作为贮存和远距离运输天然气的手段。LNG装置采用复叠式制冷循环、混合制冷剂制冷循环和带预冷装置的混合制冷剂制冷循环。

食品或医疗用品的冷冻冷藏是商业制冷应用最为量大面广的领域之一，目前该类型的装置的主要形式是“一机多温”型的制冷装置。但是目前这些“一机多温”型的制冷装置虽然可以提供多个间室温度，制冷剂循环中却只有一个与最低间室温度对应的蒸发温度，这使得制冷剂在对其它间室提供冷量时存在较大的传热温差，能量不能合理充分利用，并且在控制各间室温差时存在困难。于是产生了利用非共沸混合工质在相平衡时气、液成分不同的自复叠式制冷系统。自复叠制冷和天然气的混合制冷剂液化装置由很多相似之处。自复叠制冷是新近发展起来的一门普冷领域的新技术，近年来有很广泛的应用。通过自复叠制冷可以得到多个不同的房间的温度，在冷藏食品行业有广泛的应用。

1.类比原则

由于天然气液化和自复叠制冷有很多的相似之处，本文就将其进行了类比。按照制冷所得到的低温范围，制冷技术可大致分为普冷和深冷两个领域，习惯上将120K以上的制冷系统称为普冷，120K以下的制冷统称为深冷。天然气液化系统包括天然气的预处理、液化、储存、运输、利用这五个子系统，其中液化是指用制冷的方法获得沸点低于120K的低温液体[1]，因此天然气液化属于深冷领域内。混合制冷剂工质自复叠制冷系统是实现200K左右的制冷范围，属于普冷制冷领域。

从天然气液化和自复叠式制冷的发展来看，天然气液化技术远早于自复叠式制冷，很早就是深冷领域的一个主要研究对象。近几十年来，世界各国天然气的开发和使用量日益增长。由于天然气产地往往不在工业集中的地区，所以需解决输送及贮存的问题。液化后的天然气只有原来体积的1/625，故将天然气液化是大量贮存和远距离运输的一种重要方法。下面通过对天然气液化和自复叠式制冷基本原理的分析来类比这两种应用于不同制冷领域的制冷循环。混合制冷剂循环天然气液化的基本原理如图1：

图1 混合制冷循环天然气液化原理图	图2 混合制冷剂自复叠式制冷原理图

由上图可知，天然气液化制冷循环主要是通过压缩机、冷凝器、回热器、蒸发-冷凝器和节流装置等装置实现的，通过三级制冷循环实现天然气液化[2]。天然气是一种多组分的气体混合物，其主要成分是甲烷、氮及C2—C5的重烃，天然气中不同的气体组分有不同的液化温度。在阿尔及利亚建造的世界上第一座大型基本负荷型天然气液化装置采用的是复叠式制冷循环，它采用丙烷、乙烯和甲烷组成的复叠式制冷循环。其中丙烷制冷循环用以冷却天然气，乙烯制冷循环用以液化天然气，甲烷制冷循环用以过冷液化天然气。制冷循环所用的丙烷和甲烷直接取自天然气，乙烯则由乙醇脱水制得，每天补充量约需5吨。

自复叠式制冷是在混合工质节流制冷机的基础上发展起来的，利用非共沸混合工质进行-40℃以下温区的深度制冷，简化制冷机结构，提高制冷机的可靠性和热力学效率，使混合工质节流制冷机发展的重要方向[3]。自复叠式混合工质节流制冷机是根据采用多次分凝的多元混合工质应用于天然气液化的原理而产生的。下面以三级自复叠式制冷为例来说明其原理，其基本原理如图2所示：

由上图可知，自复叠式制冷也是利用混合制冷剂产生的多级制冷循环的复叠[4]，主要装置包括气-液分离器、回热器、压缩机、冷凝器和蒸发器组成。其原理是在蒸发温度和冷凝温度相差较大时，找不到一种制冷剂能够满足冷凝压力较低而蒸发压力较高，因而采用几种非共沸制冷剂混合，利用非共沸混合工质在相平衡时气、液成分不同的特点，通过冷凝器和气液分离器将不同沸点工质分离并进入几个制冷循环进行复叠实现较低的制冷温度，使用一台压缩机即可实现自复叠式制冷。

2. 结论

由此可见，自复叠式制冷的原理早在天然气液化中有了应用，只是当时没有总结出“自复叠”这一概念。天然气液化和自复叠式制冷都是由多种物质的混合状态经过气-液分离器和蒸发-冷凝器装置实现的复叠式循环，其不同点是：天然气液化是由气态冷凝到液态，需要经历冷却、液化、过冷三级制冷循环；而自复叠式制冷是制冷剂有液态蒸发到气态对环境产生制冷量，但其基本循环装置原理是相同的。故自复叠式制冷可以看作是在天然气液化装置的基础上产生的。天然气液化是用制冷循环来液化气体的一种循环，其制冷过程是由三级制冷循环复叠实现的。近年来，低温混合工质制冷技术得到了迅速的发展，使其正在成为国际制冷与低温工程两个领域研究的热点，由于混合工质制冷技术的最新进展，使其采用常规的单级油润滑压缩机成为可能，而其它大部分热力部件也可采用常规技术制作。该种制冷方式可以在对硬件不作大的改动的情况下，通过充配不同的混合工质，使其高效率地运行在80K~230K这样广阔的制冷温区。另外，根据不同需求场合可以实现从毫瓦级制冷量的超级微型节流制冷器到数十千瓦量级甚至更大的制冷系统。目前，低温混合工质制冷已成为获得80K-230K温区的最有竞争力的制冷技术，它具有效率高、成本低、可靠性高等许多优点。

制冷技术在各种制冷领域是相通的，在普通制冷、深度制冷、低温制冷和超低温制冷领域的一些制冷技术可以相互借鉴，以发明出应用于不同领域的新的制冷技术。制冷最早是用来保存食品和降低房间温度，随着科学技术的进步制冷的应用几乎渗透到各个生产技术和科学研究领域，并在改善人类的生活质量方面发挥巨大作用。因此对制冷技术的发展提出了很多的要求。通过对不同制冷领域的类比方法可以发明出新技术。比如我们可以把应用于深冷领域的制冷方法推广到普冷领域，通过改进制冷装置的结构和性能参数来达到实用的要求，这为以后的科研方法提出了一条新途径。

参考文献

1.吴业正.制冷与低温技术原理.北京:高等教育出版社北京:2004.8

2.陈国邦.新型低温技术，上海交通大学出版社；

3.罗二仓，公茂琼，周远.30K- 6 0K温区混合工质内复叠节流制冷循环及其实验验证，工程热物理学报2000，21 (2):142一146

4.晏刚等，一种单机多温蒸气压缩式制冷装置.实用新型专利，03262516.2.2003 07