第7章压缩膨胀蒸汽动力循环与制冷循环.docx

第七章 压缩、膨胀、蒸汽动力循环与制冷循环本章学习目的通过本章的学习，掌握蒸汽动力循环和制冷循环的根本原理和根本计算方法本章主要内容〔1〕 气体的压缩和膨胀在热力装置中的作用和功量的计算〔2〕 工业上获得低温和冷量的两种方法〔3〕Rankine 循环的热力过程及热效率的计算〔4〕 再热循环和回热循环的原理〔5〕 制冷循环的根本概念和计算〔6〕 蒸汽压缩制冷循环在T -S 图和 p -H 图上的工作过程、各过程的特点及计算〔7〕 化工生产中常见的制冷设备〔8〕 制冷过程中对制冷剂的根本要求热能和功之间的相互转化通常是借助于工质在循环过程中的状态变化而实现的据循环效果及进行方向的不同，可以把循环分为正向循环和逆向循环将热能转化为机械能的循环为正向循环，也叫动力循环，这种循环是产功的过程，其主要设备是各种热机；将热能从低温热源传给高温热源的循环为逆向循环，也叫制冷循环，这种循环是耗功的过程，其主要设备是各种制冷机这两类循环都是由工质的吸热、放热、压缩和膨胀四个过程所组成目前， 分析和讨论这两类循环均采用稳定流动系统的热力学第一定律这种方法以能量的数量为立足点，从能量转化的数量关系来评价循环的经济性，以热效率为其指标。

基于这两类循环遵循以上相同的原那么，因此把它们放在同一章里讨论本章主要介绍这两类循环的工作原理和根本的热力学计算7.1 气体的压缩压缩机、鼓风机等是化工生产中常用的压气机，它是借助于机械能或电能，来实现气体由低压到高压的状态变化各类压气机的结构和工作原理虽然不同，但从热力学观点来看， 气体状态变化过程并没有本质的不同，都是消耗外功，使气体压缩升压的过程，在正常工况下都可以视为稳定流动过程气体的压缩，一般有等温、绝热、多变三种过程，又分单级和多级压缩对于稳定流动体系，压缩过程的理论轴功可用稳定流动系统的热力学第一定律来描述在忽略动能和势能的情况下，有WS =DH -Q此式具有普遍意义，适用于任何介质的可逆和不可逆过程为了方便，对可逆过程的轴功，还可按下式计算〔7-1〕òpp2WS =1Vdp〔7-2〕只要有适宜的状态方程代入上式积分即可下面简单介绍气体压缩过程的变化规律以及理论功耗的计算1． 等温压缩对于理想气体， pV =RT ，等温过程DH = 0 ，那么W =-Q=òp2Vdp=RTlnp2〔7-3〕S p 1p1 1式中 WS为等温可逆压缩的轴功显然，压缩比越大，温度越高，压缩所需的功耗也越大。

2． 绝热压缩绝热压缩时， Q = 0 ，那么p21WS =DH=òpVdp〔7-4〕对于理想气体，可将 pV k=常数的关系式代入上式积分，得W =k⎡p ⎞RT ⎢⎛2k-1k⎤-1⎥〔7-5〕S k +11 ⎢⎜p ⎟⎥⎢⎝1 ⎠⎣⎡⎥⎦k -1 ⎤或 W =kpV⎢⎛p2⎞k-1⎥〔7-6〕S k +11 1 ⎢⎜p ⎟⎥⎢⎥⎝1 ⎠⎣⎦式中 k为绝热指数，与气体性质有关〔见第二章〕3． 多变压缩等温压缩和绝热压缩都是理想的，要做到完全的等温或绝热是不可能的实际进行的压缩过程都是介于等温和绝热之间的多变过程多变过程的 p 、V 服从下式pV n=常数该式即为多变过程的过程方程式， n 为多变指数，它可以是-¥到+¥之间的任意值对于给定的某一过程， n 为定值对于理想气体，进行多变压缩的轴功为W =n⎡p ⎞RT ⎢⎛2n-1 n⎤-1⎥〔7-7〕S n +11 ⎢⎜p ⎟⎥⎢⎝1 ⎠⎣⎡⎥⎦n-1 ⎤W =npV⎢⎛p2⎞n-1⎥〔7-8〕S n +11 1 ⎢⎜p ⎟⎥⎢⎥⎝1 ⎠⎣⎦图 7-1 是三种压缩过程的 p -V 及T -S 图。

图 7-1 压缩过程的 p -V 和T -S 图其中 1-2T表示等温压缩，1-2n表示多变压缩，1-2S表示绝热压缩从图中得到WS ,绝热 >WS ,多变 >WS ,等温， T2,绝热 >T2,多变 >T2,等温 ， V2,绝热 >V2,多变 >V2,等温可见，把一定量的气体从相同的初态压缩到相同的终压时，绝热压缩消耗的功最多，等温压缩最少，多变压缩介于两者之间，并随 n 的减少而减少同时，绝热压缩后气体的温度升高较多，这对机器的平安运行是不利的所以，尽量减小压缩过程的多变指数 n ，使过程接近于等温过程是有利的4． 多级多变压缩由以上讨论可知，气体压缩以等温压缩最有利，因此，应设法使压气机内气体压缩过程的指数 n 减小采用水套冷却是改良压缩过程的有效方法，但在转速高，气缸尺寸大的情况下，其作用也较小同时，为防止单级压缩因压缩比太高而影响容积效率，常采用多级压缩、级间冷却的方法分级压缩，级间冷却式压气机的根本原理是将气体先压缩到某一中间压力，然后通过一个中间冷却器，使其等压冷却至压缩前的温度，然后再进入下一级气缸继续被压缩、冷却， 如此进行屡次压缩和冷却，使气体压力逐渐增大，而温度不至于升得过高。

这样，整个压缩过程趋近于等温压缩过程图 7-2示出了两级压缩、中间冷却的系统装置及 p-V图，气体从 p1加压到 p2，进行单级等温压缩，其功耗在 p-V图上可用曲线 ABGFHA所包围的面积表示假设进行单级绝热压缩，那么是曲线 ABCDHA所包围的面积现讨论两级压缩过程先将气体绝热压缩到某中间压力 p2¢，此为第一级压缩，以曲线 BC表示，所耗的功为曲线BCIAB 所包围的面积然后将压缩气体导入中间冷却器，冷却至初温，此冷却过程以直线CG 表示第二级绝热压缩，沿曲线 GE 进行，所耗的功为曲线 GEHIG 所包围的面积显然，两级与单级压缩相比拟，节省的功为 CDEGC 所包围的面积图 7-2 两级压缩、中间冷却的装置示意图与 p -V 图以上分析说明，分级越多，理论上可节省的功越多假设增多到无穷级，那么可趋近等温压缩实际上，分级不宜太多，否那么机构复杂，摩擦损失和流动阻力亦随之增大，一般视压缩比之大小，分为两级、三级，最多四级7.2 膨胀过程工业上通常利用高压气体的节流膨胀和绝热作功膨胀来获得低温和冷量，这两种获得低温的方法虽然都是利用气体膨胀降温的原理，但它们的热力学特征是不一样的。

下面对这两种膨胀过程分别作介绍7.2.1 节流膨胀流体在管道流动时，有时流经阀门、孔板等设备，由于局部阻力，使流体压力显著降低， 这种现象称为节流现象因节流过程进行得很快，可以认为是绝热的，即Q = 0 ，该过程不对外作功， WS = 0 ，故节流膨胀属绝热而不作功的膨胀图 7-3 绝热节流节流过程是典型的不可逆过程流体在孔口附近发生强烈的扰动及涡流，处于极度不平衡状态，如图 7-3 所示，故不能用平衡态热力学方法分析孔口附近的状态但在孔口较远的地方，如图 7-3 中截面 1-1 和 2-2，由图可见，截面 2-2又恢复到截面 1-1 的状态假设取管段1-2 为研究对象，根据稳定流动能量方程式，可得H1 =H 2可见，节流前后流体的焓值不变，这是节流过程的重要特征由于节流过程的不可逆性， 节流后流体的熵值必定增加，即 S 2 >S1 对于理想气体，因焓只是温度的函数，焓值不变，那么温度也不变，即T1 =T2 真实气体节流过程的温度变化比拟复杂，节流后温度可以降低，可以升高，也可以不变，视节流气体的种类和气体所处的状态及压降的大小而定节流时的温度变化称为节流效应或 Joule-Thomson 效应。

节流中温度随压力的变化率称为微分节流效应系数或 Joule-Thomson 效应系数，即⎛¶T ⎞mJ=⎜¶p ⎟〔7-17〕利用热力学关系式⎝⎠H¶H⎜ ⎟⎜ ⎟⎛⎞=V-T⎛¶V⎞；¶p ¶T⎛¶H ⎞⎜¶T⎟=C p⎝⎠T⎝⎠p⎝⎠p可得 mJ与流体的 p -V -T 及C p 的关系，即⎛¶H ⎞-⎜¶p⎟⎛¶V ⎞T-⎜¶T⎟V⎛¶T⎞⎝⎠T⎝⎠pmJ=⎜¶p ⎟==⎛¶H⎞C〔7-18〕⎝⎠p⎜⎟p⎝¶T ⎠p⎜ ⎟由于节流过程压力下降〔dp<0〕，所以，假设T⎛¶V⎞¶T-V > 0，mJ> 0 ，那么DT < 0 ，节流后温⎝⎠p⎜ ⎟度降低〔冷效应〕；假设T⎛¶V⎞¶T-V = 0，mJ=0，那么DT=0，节流后温度不变〔零效应〕；假设⎝⎠pT⎛¶V⎞⎜¶T⎟-V < 0，mJ< 0 ，那么DT > 0 ，节流后温度升高〔热效应〕⎝⎠p例如，理想气体状态方程为 pV =RT ， ⎛¶V ⎞=R ，代入上式可得 m＝０，即理想气⎜¶T⎟p J⎝⎠p体节流后温度不变对真实气体，如状态方程，利用式〔7-18〕可近似算出 mJ的值由 mJ的定义可知，在T -p 图的等焓线上任一点的斜率值即为该点的 mJ值。

而由式〔7-18〕可知，同一气体在不同状态下节流，其 mJ值可以是正、负或零 mJ= 0 的点应处于等焓线上的最高点，也称为转化点，转化点的温度称为转化温度连接每条等焓线上的转化温度，就得到一条实验转化曲线，图 7-4 和图 7-5 是氮和氢的转化曲线，在曲线上任何一点的 mJ= 0 从图上可看到，转化曲线把T -p 图分划成两个区域：在曲线区域以内 mJ> 0 ， 称为冷效应区；在曲线区域以外 mJ< 0 ，称为热效应区大多数气体的转化温度都较高，它们可以在室温下利用节流膨胀产生冷效应对于临界温度极低的气体，如 H2和 He，它们的最高转化温度很低，约为-80 ℃和-236 ℃，故在常温下节流后的温度不但不降低，反而会升高，所以，欲使其节流后产生冷效应，必须在节流前预冷到最高转化温度以下生产中人们最关心的是流体经节流后能到达多低的温度，这一温度值一般由“积分节流效应〞的表达式计算，即DHT =T2-T1=p2 mJdpòp1〔7-19〕式中 T1、p1为节流膨胀前的温度和压力；T2、p2为节流膨胀后的温度和压力；DHT为积分节流效应，表示压力降为一定值时所引起的温度变化图7-4 氢的转化曲线 图7-5氮的转化曲线求气体节流效应最简便的方法是利用温熵图，只要节流过程确定后，可从温熵图上直接读出DHT的数值。

如图 7-6所示气体从状态 1〔p1，T1〕膨胀到 p2，在T-S图上就可以用等焓线定出状态 2，并从纵坐标上读出T2-T1=DHT假设气体在节流前压力为 p3，节流膨胀到状态 4，已位于汽、液两相区，从T-S图上不但可以读出T4-T3=DHT，而且可以计算气体液化的数量图 7-6 节流效应在T -S 图上的表示7.2.2 绝热作功膨胀气体的绝热膨胀是自发过程，因此，只要采用适当的装置，即可由此过程获得有用的功所需的设备为活塞式膨胀机或透平式膨胀机绝热作功膨胀的理想情况和极限情况是绝热可逆膨胀，亦即等熵膨胀气体进行绝热可逆膨胀时温度的变化，称为“等熵膨胀效应〞等熵膨胀中温度随压力的变化率称为“等熵膨胀系数〞或“微分等熵膨胀效应〞，用 mS表示⎛¶T ⎞mS=⎜¶p ⎟〔7-20〕⎝⎠S利用热力学。