CH05蒸汽动力循环与制冷循环.pdf

第五章 第五章 蒸汽动力循环与制冷循环 目的：研究循环中热、功转换的效果及其影响因素，探求提高能量转换效果的途径 内容： 1.讨论蒸汽动力循环的热效率、循环功以及循环中各过程工质状态函数的变化 2.制冷循环与获得低于环温度的操作过程的热力学分析 3.深冷原理与过程的热力学分析 5.1 蒸汽动力循环 大型化工厂都产生高压蒸汽，这部分高压蒸汽可以直接用来加热过程，也可以用蒸汽透平机产生机械功来驱动压缩机、泵、发电机等动力设备利用高压蒸汽产生动力的原理及热力学过程，我们将在本章中予以分析 5.1.1蒸汽动力循环为正向卡诺循环 我们知道，高温向低温传热是自发过程，是产功过程，正向卡诺循环是由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成的，用 T-S 图表式如下： 正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质排放温度，正向卡诺循环是动力循环，是最理想的情况，因为它产功最大目前工业上广泛应用的是蒸汽动力循环，下面我们就讨论蒸汽动力循环的原理及有关热力学计算 5.1.2 蒸汽动力循环 5.1.2.1 工作原理及 T-S 图 蒸汽动力循环的主要设备有：透平机、冷凝器、水泵、锅炉四部分，工作介质一般为水。

若用框图表示则为： P1、 T1的高温高压蒸汽进入透平机等熵膨胀到状态 2，对外作功， 2 点状态为乏汽，从透平机流出进入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潜热 QL，而变为该压力下的饱和水，放出的热量 QL由冷却水带走，达到状态 3，饱和水经水泵升压到 P1进入锅炉，锅炉吸收热量 QH，使工质变化到状态 1，完成一个循环T-S 图为： 卡诺循环产功很大，但实际上很难实现，问题在于： ①湿蒸汽对汽轮机和水泵有侵蚀作用，汽轮机带水量不能超过10%，水泵不能带入蒸汽进泵； ②绝热可逆过程实际难以实现 下面我们介绍第一个具有实际意义的蒸汽动力循环——朗肯循环 5.1.2.2 朗肯循环 ⒈朗肯循环的原理 朗肯循环也是由四个部分组成，与卡诺循环的不同表现在： ⑴工质进汽轮机时状态不同，卡诺循环为湿汽，朗肯循环为干气； ⑵膨胀过程不同，卡诺循环为等熵过程，朗肯循环为不可逆绝热过程； 因为汽轮机在运动过程中有摩擦，因而沿着熵增大的方向进行，这就出现了等熵效率问题 等熵效率 1≤=等熵过程产功实际过程产功SηHWQWQHSS∆−=∴=−=∆ 0ΘSSHH∆∆=η⑶工质出冷凝器状态不同，卡诺循环为汽液共存，朗肯循环为饱和水； ⑷压缩过程不同，卡诺循环为等熵过程，朗肯循环为不可逆绝热过程，若忽略掉工质水的摩擦与散热可简化为可逆过程； ⑸工质吸热过程不同，卡诺循环为等温过程，朗肯循环为不可逆过程，沿着等压线变化。

朗肯循环的过程为： 1-2`：对应与汽轮机 2`-3：冷凝器中进行，在冷凝器里，冷却水把工质的热量带走，使其由气体转变为液体 3-4`：水泵进行 4-1 ：锅炉进行，水在锅炉中恒压加热 过热蒸汽饱和蒸汽沸点水定压升温定压汽化定温定压升温⎯⎯⎯→⎯⎯⎯⎯⎯→⎯⎯⎯⎯→⎯,⒉朗肯循环过程的热力学计算 ⑴工质在锅炉中的吸热量 41HHHQH−=∆=KJ/Kg ⑵工质在冷凝器中排放的热量 '23HHHQL−=∆=KJ/Kg ⑶汽轮机中工质的单位产功量 '21HHHWS−=∆−=KJ/Kg SRSSSRSWWHHWHHHHηη=∴−=−−=2121'21Θ⑷水泵中工质的单位耗功量 43HHHWP−=∆−=KJ/Kg 由于液态水的不可压缩性，水泵中工质的耗功量可按下式进行计算 ( )∫−=∆−=−=43PPVPVVdPWP⑸热效率 定义：锅炉中所给的热量中转化为净功的量 ()( )4121414321HHHHQWWWHHHHHHQWWHSSPHPS−−==∴（更低温度制冷剂的凝固温度） ； ⑵更低温度循环的制冷剂的冷凝温度cTT 低温制冷剂的蒸发温度 5.2.4吸收式制冷 以上我们介绍了蒸汽压缩制冷，工业上还有采用吸收制冷的。

所谓吸收式制冷，不消耗机械功，靠消耗低温位的热能，使低压气变为高压气，以达到制冷目的 5.2.4.1吸收制冷的工作原理 为了比较，我们先看一下压缩制冷循环，P115图5-10 蒸汽压缩制冷循环制冷剂在蒸发器中制冷并汽化后，必须先提高压力，才能送进冷却器中用天然水使制冷剂冷凝，再送回蒸发器循环使用在蒸汽压缩制冷循环中，制冷剂的蒸汽由低压变高压的过程是利用压缩机来实现的而这一过程也可以利用一个吸收系统来实现 由蒸发器出来的低压氨气（通常含有少量水分） ，送入吸收塔，被塔顶喷下的稀氨水吸收，变为浓氨水，先经泵加压，再经换热器升温，最后送进解吸器，在其中汽化解析器实际是一分馏设备由于氨比水容易汽化，因此从解析器顶部出来的是高压浓氨气，由底部出来的是高压稀氨水浓氨气送入冷凝器，用天然水将其冷凝后，节流送向蒸发器制冷解吸器底部出来的稀氨水先经换热器冷却，再经降压后送入吸收塔吸收氨气用由于氨溶于稀氨水是吸热过程，因此要往解吸器中通入蒸汽进行加热 将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相比较，其不同点在于：蒸汽压缩循环的压缩机消耗机械功；吸收式制冷循环的吸收塔、解吸塔、换热器、泵消耗热能 5.2.4.2 评价吸收制冷的经济指标 评价压缩制冷循环制冷效果好坏是用制冷系数来衡量的，SWQ−=0ε；用于评价吸收式制冷循环的经济指标是热力系数（能量利用系数） ，低品位蒸汽换热量制冷量0QHL==ξ； 最大热力系数为： RHRLHLTTTTTT −⋅−=maxξ有关吸收式制冷的计算要用到 H-x 图，我们不再作详细介绍，若需要，大家可以查有关手册。

5.3 膨胀过程 膨胀过程在实际当中，我们经常遇到，象高压流体流经喷嘴、汽轮机、膨胀器及节流阀等设备或装置所经历的过程，都是膨胀过程下面我们就讨论膨胀过程的热力学现象我们着重讨论工业上经常遇到的节流膨胀和绝热膨胀过程及其所产生的温度效应 5.3.1 节流膨胀过程 将高压流体经一节流阀迅速膨胀到低压的过程称为节流膨胀 5.3.1.1 特点：等焓过程 由热力学第一定律 SWQzgcH −=∆+∆+∆221来不及传热 0=Q，不作功 0=SW，若忽略掉动能和势能的影响，则 0=∆H， 对()PTfH ,=，压力发生变化，温度也随之变化 5.3.1.2 微分节流效应（焦汤效应） （ Joule-Thomson） ⒈定义式 流体节流时，由于压力的变化而引起温度的变化称为节流效应节流时微小压力的变化所引起的温度变化，称为微分节流效应数学式为 HJPT⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂=µ（5-25） 节流过程实际上是由于压力变化而引起温度变化的过程，是一个等焓过程 () dPPHdTTHdHPTfHTP⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂=⇒= ,Θ节流过程 0=dHPTHTHPHPT⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂∴CpTHP=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂Θ（定义式） HdPTVTVCpdTdHP⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−+=的基本关系式 0=dT时， PTTVTVPH⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂故 CpTVTVPTPHJ⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−−=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂=µ亦即 CpVTVTPJ−⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂=µ（5-26） ⒉节流膨胀制冷的可能性 ⑴对理想气体 0=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂=HJPTµPRTVPRTVRTPVP=⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂⇒=⇒=Θ0=−=∴CpPRTPRTJµ这说明理想气体在节流过程中温度不发生变化。

⑵对真实气体 有三种可能的情况，由定义式 HJPT⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂=µ知： 0>Jµ，表示节流后温度下降，压力减小，温度降低，0>−⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂VTVTP制冷； 0=Jµ，表示节流过程温度不变， 0=−⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂VTVTP0⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂>>PTVCpTΘSµ∴恒大于零 说明了任何气体在任何状态下经绝热膨胀，都可制冷，这与节流膨胀不同将（5-30）与（5-26）比较，得 CpVJS+= µµ，因为任何气体均有 0,0 >> CpV，所以JSµµ −恒大于零说明在相同条件下，等熵膨胀系数恒大于节流膨胀系数，因此等熵膨胀可获得比节流膨胀更好的制冷效果 ⒊ 积分等熵温度效应 等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化，称为积分等熵温度效应 ∫=−=∆2112PPSSdPTTT µ计算积分等熵温度效应ST∆的 方法有 ⑴ 利用微分等熵温度效Sµ应计算(公式法) ( )∫∫∂∂==∆2121PPPPPTVSSdPCpTdPT µ只要已知气体的状态方程就可以积分求解出ST∆ ⑵ 理想气体ST∆对于理想气体，可以直接利用绝热可逆过程的参数方法求ST∆，绝热可逆过程有 kkkkPPTTPPTT1121211212−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⇒⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=−=∆−−111211112112kkkkSPPTTPPTTTT这个式子说明了ST∆是与初温成正比的，这一点与节流过程不同。

⑶ T-S图法 在有T-S图时，最方便的方法是从图上读出ST∆ P118 图5-13 ⑷ 用等焓节流效应计算 dPCpVdTTCpVPPPPJSJS∫∫+=∆+=2121µµµΘ若 ()SRHPPHSWCpTVdPCpTTconstCp −+∆=+∆=∆=∫11 21若 HWQS∆=−= 0CpHTTHS∆+∆=∆∴5.3.2.2 不可逆对外作功的绝热膨胀 实际上对外作轴功的膨胀过程并不是可逆的，因此不是等熵过程，而是向熵增大的方向进行，其终态位置可由等熵效率计算确定对活塞式膨胀机，温度小于等于 30℃时，等熵效率近似等于0.65，温度高于30℃时，等熵效率近似等于0.7和0.75之间；对透平机，等熵效率在0.8和0.85之间 不可逆对外作功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀效应和节流膨胀效应之间 等熵效率定义为 ==SRSSWWη实际功 /理想功 SWQH −=∆Θ， 绝热 0=QSWH −=∆∴ 故 21'21HHHHS−−=η因此，判断一个膨胀机的好坏，一般用等熵效率来衡量，等熵效率越小，说明设计得不好，偏离可逆程度就越远。

5.3.3 等熵膨胀与节流膨胀的比较 1 等熵膨胀与气体属性及状态无关，对任何气体任何状态都产生制冷效应节流膨胀对理想气体不产生温度效应，真实气体视气体状态而定，若真实气体产生制冷效应，那么等熵膨胀的温度效应大于节流膨胀的温度效应，即 HSTT ∆>∆ .1'212TTTTTTHS−=∆−=∆制冷量 HS00.>( ) ( )10'20002110200HHHHQWQHHHHHHQHRHS−=−=+=−+−=−=2 设备与操作 节流膨胀简单，针形线； 等熵膨胀复杂，需要低温润滑油 3 操作条件与运行情况 一般大中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀这两种膨胀过程是化工过程制冷的依据，也是气体液化的依据 5.4 深度冷冻循环 深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体，由纯物质的 P-T 相图知：当气体温度高于其临界温度时，无论加多大的压力都不能使其液化，因此，气体的临界温度越低，所需的液化温度也越低为了使这些难液化的气体液化，必须设法将其温度降低到大气温度以下，这就需要深度冷冻利用一次节流膨胀液化气体是最简单的气体液化循环 1895 年德国工程师 Linde 首先应用此法液化空气，故称为简单的林德循环。

5.4.1 林德循环（ Linde Cycle） 林德循环是利用节流制冷的原理，属于最简单的深度制冷循环，下面我们就讨论有关的工作原理和热力学计算 5.4.1.1 工作原理及 T-S 图 。