第6章-流动系统的热力学原理及应用2

●气体的压缩与膨胀过程

气体的压缩

对于稳流过程，压缩过程的理论轴功计算可用可用于任何介质的可逆和不可逆过程。实际压缩过程都是不可逆过程，压缩所需要的功WS，肯定要比可逆轴功WS,rev大，这部分损失功是由流体的流动过程损耗和机械传动部分的损耗所造成的。气体的膨胀膨胀过程和压缩过程热和功的计算的基本原理是一样的。两个典型的膨胀过程。绝热节流膨胀当气体在管道流动时，遇到一节流元件，如阀门、孔板等，由于局部阻力，使气体压力显著降低，称为节流现象。由于过程进行得很快，可以认为是绝热的，即Q=0且不对外作功，即Ws=0。根据稳定流动的能量方程式，绝热节流过程绝热节流过程是等焓过程。节流时存在摩擦阻力损耗，故节流过程是不可逆过程，节流后熵值一定增加。流体节流时，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应。微分节流效应系数，以μJ表示，由热力学基本关系式可知，μJ可以从P-V-T关系和CP性质来计算理想气体绝热节流后温度不变，μJ=0 μJ>0节流后温度降低称冷效应； μJ=0节流后温度不变称零效应； μJ<0节流后温度升高称热效应。同一气体在不同状态下节流，μJ有可能为正、为负或为零。2.绝热可逆膨胀流体从高压向低压作绝热膨胀时，如在膨胀机中进行，则对外作轴功。如果过程是可逆的，就是等熵膨胀过程。在等熵膨胀过程中，当压力有微小的变化时所引起的温度变化称为微分等熵效应系数，以μs表示。CP>0，T>0，μS

>0任何气体在任何条件下，进行等熵膨胀，气体温度必定是降低的，总是得到制冷效应。压力变化所引起温度变化称积分等熵膨胀效应ΔTS为等熵膨胀过程也可在T—S图上表示出来，如图6-5，膨胀前的状态为1（T1,P1）由此点沿等熵线（作垂线）与膨胀后的压力P2的等压线相交，即为膨胀后的状态点2（T2，P2）。等熵膨胀的积分温度效应ΔTS=T2-T1，即可由T-S图直接读出。等熵膨胀的冷冻量要比节流膨胀的冷冻量大，所超过的数值相当于等熵膨胀对外所做的轴功。同样的压力差，产生的温度降比节流膨胀为大实际对外作功的绝热膨胀并不是可逆的，不是等熵过程，而是向着熵增大的方向进行，它界于等焓和等熵膨胀之间。实际膨胀机所作的轴功小于可逆膨胀所作的轴功。从温度降、冷冻量和回收轴功来说，做外功的绝热膨胀要比节流膨胀优越。但绝热节流膨胀的好处，它所需的设备很简单，只需一个节流阀，便于调节且可直接得到液体。工业和民用设备多采用节流膨胀。●动力循环Power朗肯循环（RankineCycle）

简单蒸汽动力循环由锅炉、过热器、透平、冷凝器和冷凝水泵所组成。液体水进入锅炉，吸收燃料燃烧时所放出的热量升温至沸点（1→2），气化为蒸汽（2→3），为了进一步利用高温热能，提高蒸汽温度，将饱和蒸汽通入过热器变成过热蒸汽（3→4），然后进透平膨胀机作功（4→5）。为了尽可能地降低透平出口压力以产生较多的功，将膨胀后的乏气引入冷凝器中用冷却水移走热量，使其在较低的温度下冷凝（5→6），冷凝水用泵升压（6→1）后再送回锅炉。如此不断地重复进行，构成对外连续作功的蒸汽动力装置循环，也称为朗肯循环。若不考虑实际循环过程中的流动阻力、摩擦、涡流和散热等不可逆因素，则循环中的加热和冷凝过程在T-S图上可表示为等压过程，蒸汽的膨胀和冷凝水的升压可表示为等熵过程。这样的循环又称为理想朗肯循环，如图6-6(b)所示的1→2→3→4→5→6→1循环。对理想朗肯循环的各个过程，应用稳流系统能量方程式，可以算出在各个过程中流体与外界交换的热和功。计算时忽略位能和动能的变化。1→2→3→4是流体(工质)在锅炉中被等压加热汽化成为过热蒸汽的过程，加入的热量4→5表示过热蒸汽在透平中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功可由膨胀前、后水蒸汽的焓值求出。5→6是乏气的冷凝过程，放热量6→1是将冷凝水通过水泵由P2升压至P1的可逆绝热压缩(等熵压缩)过程，需要消耗的功把水看作是不可压缩的液体水的比容较小，即使压差很大，此项功耗也很小，可以忽略不计，故在T-S图上的6和1两点是非常接近的。工质通过循环作出的净功WN为所吸收的净热为(Q+Q0)，经过一次循环后，状态函数ΔH=0,按稳流过程热力学第一定律，Q+Q0=WN，吸收的净热和作出的净功是相等的。

评价蒸汽动力装置的重要指标

循环的热效率η，即热源供给的热量中转化为净功的分率汽耗率作出单位量净功所消耗的蒸汽量，用SSC(SpecificSteamConsumption)表示。

以上各式计算时所需要的焓值由附录C的水蒸汽表查得。 实际装置的热效率肯定要比理想朗肯循环为低，反之实际的汽耗率则较高。理想朗肯循环中，冷凝水升压过程在T-S图上是等熵，实际过程是不可逆的，绝热压缩时熵值增加，故6-1线应当是偏向右上方的斜线，而不是直线。不过由于点6和1本来就非常接近，为简化计算，可不考虑这种影响，常将这两点看作是重合的。

蒸汽通过透平机的绝热膨胀实际上不等熵的，而是向着熵增加的方向偏移，用4-7线表示。

蒸汽通过透平机膨胀,实际做出的功应为H4-H7,显然它小于等熵膨胀的功H4-H5。两者之比称为透平机的等熵膨胀效率或称相对内部效率，用ηs表示。朗肯循环的改进可逆过程热力学效率最高。在卡诺循环中，工质在高温热源的温度下吸热，在低温热源的温度下放热(温差无限小)，都是可逆过程。但在朗肯循环中，吸热和排热则是在有一定温差情况下的不可逆过程。整个吸热过程的平均温度与高温燃气的温度相差很大，因此要想提高朗肯循环的热效率，主要在于减小这两者之间的温度差，就必须设法提高工质在吸热过程中的温度。1.提高蒸汽的过热温度

在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时，可使平均吸热温度相应地提高。由图6-7可见，功的面积随过热温度的升高而增大，循环热效率随之提高，当然汽耗率也会下降。同时乏气的干度增加，使透平机的相对内部效率也可提高。但是蒸汽的最高温度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸汽的最高温度以不超873K为宜。2.提高蒸汽的压力水的沸腾温度随着蒸汽压力的增高而升高，故在保持相同的蒸汽过热温度时，提高水蒸汽压力，平均吸热温度也会相应提高。从图6-8可以看出，当蒸汽压力提高时，热效率提高，而汽耗率下降。但是随着压力的提高，乏汽的干度下降，即湿含量增加，因而会引起透平机相对内部效率的降低，还会使透平中最后几级的叶片受到磨蚀，缩短寿命。乏汽的干度一般不应低于0.88。另外，蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力(PC=22.064MPa)，而且设备制造费用也会大幅上升。这都是不利的方面。3.采用再热循环再热循环是使高压的过热蒸汽在高压透平中先膨胀到某一中间压力(一般取再热压力为新汽压力的20~25%)，然后全部引入锅炉中特设的再热器进行加热，升高了温度的蒸汽，进入低压透平再膨胀到一定的排气压力，这样就可以避免乏气湿含量过高的缺点。如图6-9所示，高压蒸汽由状态点4等熵膨胀到某一中间压力时的饱和状态点4‘(膨胀后的状态点也可以在过热区),作出功。饱和蒸汽在再热器中吸收热量后升高温度，其状态沿等压线由4’变至5(再热温度与新汽温度可以相同，也可以不同)，最后再等熵膨胀到一定排气压力时的湿蒸汽状态6，又做出功。●制冷循环

使物系的温度降到低于周围环境物质(如大气)的温度的过程称为制冷过程。本节重点介绍蒸汽压缩制冷,其他制冷原理作简要的介绍。●蒸汽压缩制冷循环◆逆卡诺循环 制冷循环就是逆方向的热机循环。理想制冷循环(可逆制冷)即为逆卡诺循环。由四个可逆过程构成,下图是逆向卡诺循环的示意图和T-S图。其中1-2：绝热可逆压缩,从T1升温至T2，等熵过程，消耗外功；2-3：等温可逆放热；3-4：绝热可逆膨胀，从T2降温至T1，等熵过程，对外作功。4-1；等温可逆吸热，

逆卡诺循环中，功和热的关系和正向循环一样,不过符号相反，净功和净热符号都是负的。循环放热量循环吸热量循环的ΔH=O，故循环所做的功净功为说明制冷循环需要消耗外功。衡量制冷效率的参数称为制冷系数ξ，其定义为ξ是制冷循环的经济技术指标。对于逆卡诺循环

上式表明，逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。在两个温度之间操作的任何制冷循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最大，任何实际循环的制冷系数都要比ξ卡小。

◆单级蒸汽压缩制冷循环

单级蒸汽压缩制冷循环的示意流程如下图。蒸汽压缩制冷循环是由：低压蒸汽的压缩，高压蒸汽的冷却冷凝，高压液体的节流膨胀和湿蒸汽的定压蒸发这四步构成。制冷循环中所用的在低温下吸热和高温下排热的工作物质(简称工质)称为制冷剂。理想的逆卡诺循环的限制：运行在湿蒸汽区域压缩和膨胀会在压缩机和膨胀机的气缸中形成液滴，产生“液击”，容易损坏机器；气缸里的液滴的迅速蒸发会使压缩机的有效容积减少。(b)T-S图43’‘1TSP2P1TT0234’实际冷冻循环的T-S图的特点：绝热可逆压缩过程1→2在过热蒸汽区，即等熵过程,S1=S2;绝热可逆膨胀过程3→4用简单的节流阀进行，绝热节流膨胀，即等焓过程,H3=H4。等压过冷过程3→3’，增加冷冻量。对蒸发器应用稳定流动能量方程式，计算单位重量制冷剂的制冷量q0

制冷剂的“制冷能力”为Q0kJ.h-1，制冷剂的循环量为：压缩每单位重量冷冻剂，压缩机所消耗的功为：制冷机的制冷系数为制冷机所消耗的理论功率为常用制冷剂的压焓图(P-H图)见附录D。计算中所需的各状态点的焓、熵值可直接由图查出。 ◆多级压缩制冷循环

要获得较低的温度，则工质蒸发压力较低，压缩比就要增大，单级压缩显然不经济的。工业上，采用多级压缩。氨作冷冻剂时,若蒸发温度248~208K时，采用二级压缩制冷循环，氨蒸发温度低于208K，则采用三级压缩制冷循环。

多级压缩的优点：通常与多级膨胀结合，级间用冷却水或依靠冷冻剂蒸发作为中间冷却，此时蒸汽容积减小，进一步压缩蒸汽所需要的功也因而减小。多级压缩制冷循环不仅可以降低功耗，并能获得多种不同的冷冻温度。每级压缩比的减小，降低了被压缩蒸汽的过热温度，这就改善了压缩机的润滑和工作条件。 常用的二级蒸汽压缩制冷循环的流程图及T-S图见图6-12(其中1是高压压缩机；2是冷凝器；3是高压节流阀；4是中间预冷器；5是高压蒸发器；6是低压节流阀；7是低压蒸发器；8是低压压缩机；9是水冷却器)。低压蒸发器内所产生的压力为P02，温度为T02(T-S图上状态点1)的干饱和蒸汽被低压压缩机气缸吸入，压缩至中间压力P01(状态点2)过热的蒸汽即在此压力下被水冷却至2′，而后借在中间预冷器内部分冷冻剂的蒸发冷至温度T01(点3)。高压压缩机气缸吸入的是下述三种冷冻剂蒸汽的混合物，由低压压缩机来的蒸汽；中间制冷时所产生的蒸汽；通过节流阀3在中间预冷器内产生的蒸汽。 混合蒸汽在高压压缩机内压缩至状态点4，此过热蒸汽在冷凝器中冷却(至状态点5)和冷凝成液态(点6)，并可过冷(至点7)。液体制冷剂经节流阀节流到压力P01及温度T01(点8)进入中间预冷器。部分制冷剂在中压蒸发器制冷，另一部分经节流阀6节流(点9→10)进入低压蒸发器制冷。●吸收制冷循环原理介绍蒸汽压缩制冷循环需要的外功是通过压缩机来提供的，压缩机的电能又可通过热机来获得，即制冷循环所需要的功最终可来自高温蒸汽的热能。直接利用热能作为制冷循环能量是可能的。吸收制冷就是直接利用热能制冷的冷冻循环。吸收制冷是通过工质的吸收和精馏来完成循环过程。常用液体工质，如氨水溶液或溴化锂溶液。前者称为氨吸收制冷，用于低温系统，使用温度一般为228K(-45℃)以上；后者称为溴化锂吸收制冷，用于大型中央空气调节系统，使用温度一般在278K(5℃)以上。吸收制冷的特点：直接利用热能制冷,且所需热源温度较低,可充分利用低品位热能。吸收制冷是利用二元溶液中二组分蒸汽压不同来进行的。制冷剂：挥发性大(蒸汽压高)的组分，如氨吸收制冷所用工质为氨，汽化潜热大。吸收剂：挥发性小(蒸汽压低)的组分，如氨吸收制冷的水用作吸收剂。氨吸收制冷循环示意图如下。

整个循环由冷凝，节流后蒸发，吸收及精馏过程所组成。吸热蒸发后的气氨用稀氨水吸收成浓氨水溶液，然后在再生器中借精馏将氨分离，再用冷却水冷却冷凝成液氨，供循环使用。蒸汽压缩制冷与氨吸收制冷不同之处在于：氨吸收制冷循环中的吸收器和再生器代替了蒸汽压缩制冷的压缩机。虚线左侧相当于一台热机，因为它同样是在“高温”热源吸热（蒸氨塔），向低温冷却水排出热量（吸收塔，有冷却水）。吸收制冷循环的理论计算这里不作介绍。●气体的液化利用制冷循环获得低于173K的低温称为深度冷冻（深冷）。工业上常用深冷技术使低沸点气体冷到其临界温度以下，使之液化，再通过精馏或部分冷凝分离或提纯。氧气、氮气等就是通过空气的液化分离得到的。深度冷冻和普通冷冻（中冷或浅冷）仅有冷冻温度的差别，工作原理是相同的。膨胀过程除使用膨胀阀外还常常使用膨胀机；膨胀以前要预冷到相当低的温度。林德（Linde）气体液化装置是一种典型的深度冷冻装置，工质（即被液化的气体）进行的制冷循环称为林德循环。1.工作原理林德气体液化装置示意图和循环示意图如下。气体从状态1（P1，T1）经多级压缩而压力增加到P2，同时经冷却器使其温度恢复到初始温度T1。状态2（P2，T1）的气体再经过换热器预冷到相当低的温度（状态3），经节流阀膨胀（等焓膨胀）到蒸发温度T0的湿蒸汽区（状态4），经气液分离器将液体（饱和液体）分离出去，分离后的干饱和蒸汽则送到换热器去预冷新来的高压气体，而其本身被加热到原来状态1，它和补充的气体再进入压缩机。2.气体的液化量以1kg气体为计算基准，设液化量为xkg，装置的冷冻量q。kJ·kg-1式中H1——在初温T1及压力P1下气体焓；H0——在液化温度T0下饱和液体的焓，即H5。对装置图虚线框的部分，进行热量衡算。其中进入的气体是1kg状态2的高压气体，分离出去xkg状态5的饱和液体，另外循环返回压气机的（1-x）kg状态1的低压气体，其热量平衡式如下：1·H2=x·H0+(1-x)H1即为所要求的液化量，其中H2是温度为T1和压力为P2，即状态2的气体的焓，kJ·kg-1。3．压缩机功耗冷冻装置功的消耗是多级压气机的压气功W，通常为简便起见，W可按理想气体的等温压缩过程计算，而除以等温压缩效率ηT，即式中：ηT——等温压缩效率，一般取0.6左右；●热泵

自然界蕴藏着巨大的能量，但热量的温度水平比人们所需要的低，难以直接利用。热泵的工