第6章_流動系統(tǒng)熱力學原理及應用2

1、化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 氣體的壓縮與膨脹過程 氣體的壓縮 對于穩(wěn)流過程，壓縮過程的理論軸功計算可用 可用于任何介質的可逆和不可逆過程。 實際壓縮過程都是不可逆過程，壓縮所需要的功WS，肯定要比可逆軸功WS,rev大，這部分損失功是由流體的流動過程損耗和機械傳動部分的損耗所造成的。 QHWs化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 氣體的膨脹膨脹過程和壓縮過程熱和功的計算的基本原理是一樣的。兩個典型的膨脹過程。絕熱節(jié)流膨脹 當氣體在管道流動時，遇到一節(jié)流元件，如閥門、孔板等，由于局部阻力，使氣體壓力顯著降低，稱為節(jié)流現象。由于過程進行得很快，可以認為是絕熱的，即Q = 0且不對外作功，即Ws

2、= 0。根據穩(wěn)定流動的能量方程式，絕熱節(jié)流過程絕熱節(jié)流過程是等焓過程。節(jié)流時存在摩擦阻力損耗，故節(jié)流過程是不可逆過程，節(jié)流后熵值一定增加。流體節(jié)流時，由于壓力變化而引起的溫度變化稱為節(jié)流效應。0H化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 微分節(jié)流效應系數，以J表示，由熱力學基本關系式可知，J可以從P-V-T關系和CP性質來計算理想氣體絕熱節(jié)流后溫度不變 ，J=0 J 0 節(jié)流后溫度降低稱冷效應；J =0 節(jié)流后溫度不變稱零效應；J 0，T0， SSPTPPSCTVT0PTVS 0任何氣體在任何條件下，進行等熵膨脹，氣體溫度必任何氣體在任何條件下，進行等熵膨脹，氣體溫度必定是降低的，總是得到制冷效應定是

3、降低的，總是得到制冷效應。化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 壓力變化所引起溫度變化稱積分等熵膨脹效應T S為 等熵膨脹過程也可在TS圖上表示出來，如圖6-5，膨脹前的狀態(tài)為1（T1,P1）由此點沿等熵線（作垂線）與膨脹后的壓力P2的等壓線相交，即為膨脹后的狀態(tài)點2（T2，P2）。等熵膨脹的積分溫度效應TS = T2 - T1，即可由T-S圖直接讀出。 等熵膨脹的冷凍量要比節(jié)流膨脹的冷凍量大，所超過的數值相當于等熵膨脹對外所做的軸功。同樣的壓力差，產生的溫度降比節(jié)流膨脹為大 實際對外作功的絕熱膨脹并不是可逆的，不是等熵過程，而是向著熵增大的方向進行，它界于等焓和等熵膨脹之間。實際膨脹機所作的軸功

4、小于可逆膨脹所作的軸功。 dPTTTPPSS2112化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 從溫度降、冷凍量和回收軸功來說，做外功的絕熱膨脹要比節(jié)流膨脹優(yōu)越。但絕熱節(jié)流膨脹的好處，它所需的設備很簡單，只需一個節(jié)流閥，便于調節(jié)且可直接得到液體。工業(yè)和民用設備多采用節(jié)流膨脹?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 動力循環(huán)Power 朗肯循環(huán)（Rankine Cycle） 簡單蒸汽動力循環(huán)由鍋爐、過熱器、透平、冷凝器和冷凝水泵所組成。液體水進入鍋爐，吸收燃料燃燒時所放出的熱量升溫至沸點（12），氣化為蒸汽（23），為了進一步利用高溫熱能，提高蒸汽溫度，將飽和蒸汽通入過熱器變成過熱蒸汽（34），然后進透平膨脹機

5、作功（45）。為了盡可能地降低透平出口壓力以產生較多的功，將膨脹后的乏氣引入冷凝器中用冷卻水移走熱量，使其在較低的溫度下冷凝（56），冷凝水用泵升壓（61）后再送回鍋爐。如此不斷地重復進行，構成對外連續(xù)作功的蒸汽動力裝置循環(huán)，也稱為朗肯循環(huán)。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 4 透平機 過熱器 3 2 鍋爐 1 6 冷凝器 5 水泵 (a) T 8 6 S 7 5 P1 P2 1 2 2 3 4 (b) 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 若不考慮實際循環(huán)過程中的流動阻力、摩擦、渦流和散熱等不可逆因素，則循環(huán)中的加熱和冷凝過程在T-S圖上可表示為等壓過程，蒸汽的膨脹和冷凝水的升壓可表示為等熵過

6、程。這樣的循環(huán)又稱 為 理 想 朗 肯 循 環(huán) ， 如 圖 6 - 6 ( b ) 所 示 的1234561循環(huán)。 對理想朗肯循環(huán)的各個過程，應用穩(wěn)流系統(tǒng)能量方程式，可以算出在各個過程中流體與外界交換的熱和功。計算時忽略位能和動能的變化。 1234是流體(工質)在鍋爐中被等壓加熱汽化成為過熱蒸汽的過程，加入的熱量 45表示過熱蒸汽在透平中的可逆絕熱膨脹過程，對外所做軸功可由膨脹前、后水蒸汽的焓值求出。14HHQ化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 56是乏氣的冷凝過程，放熱量61是將冷凝水通過水泵由P2升壓至P1的可逆絕熱壓縮(等熵壓縮)過程，需要消耗的功 把水看作是不可壓縮的 液體水的比容較小，

7、即使壓差很大，此項功耗也很小，可以忽略不計，故在T-S圖上的6和1兩點是非常接近的。 工質通過循環(huán)作出的凈功WN為54HHHWs560HHQ)(61HHHWP)()(21612PPVHHWlOHP 456154HHHHHHWWWPSN所吸收的凈熱為(Q + Q0)，經過一次循環(huán)后，狀態(tài)函數H = 0,按穩(wěn)流過程熱力學第一定律，Q + Q0 = WN，吸收的凈熱和作出的凈功是相等的。 評價蒸汽動力裝置的重要指標 循環(huán)的熱效率，即熱源供給的熱量中轉化為凈功的分率汽耗率 作出單位量凈功所消耗的蒸汽量，用SSC(Specific Steam Consumption)表示。 1454146145HHHH

8、HHHHHHQWN11136001hkWkgWkJkgWSSCNN以上各式計算時所需要的焓值由附錄C的水蒸汽表查得。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 實際裝置的熱效率肯定要比理想朗肯循環(huán)為低，反之實際的汽耗率則較高。理想朗肯循環(huán)中，冷凝水升壓過程在T-S圖上是等熵，實際過程是不可逆的，絕熱壓縮時熵值增加，故6-1線應當是偏向右上方的斜線，而不是直線。不過由于點6和1本來就非常接近，為簡化計算，可不考慮這種影響，常將這兩點看作是重合的。 蒸汽通過透平機的絕熱膨脹實際上不等熵的，而是向著熵增加的方向偏移，用4-7線表示。 蒸汽通過透平機膨脹,實際做出的功應為H4-H7,顯然它小于等熵膨脹的功H4

9、-H5。兩者之比稱為透平機的等熵膨脹效率或稱相對內部效率，用s表示。5474HHHHS化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 朗肯循環(huán)的改進 可逆過程熱力學效率最高。在卡諾循環(huán)中，工質在高溫熱源的溫度下吸熱，在低溫熱源的溫度下放熱(溫差無限小)，都是可逆過程。但在朗肯循環(huán)中，吸熱和排熱則是在有一定溫差情況下的不可逆過程。整個吸熱過程的平均溫度與高溫燃氣的溫度相差很大，因此要想提高朗肯循環(huán)的熱效率，主要在于減小這兩者之間的溫度差，就必須設法提高工質在吸熱過程中的溫度。1. 提高蒸汽的過熱溫度 在相同的蒸汽壓力下，提高蒸汽的過熱溫度時，可使平均吸熱溫度相應地提高。由圖6-7 可見，功的面積隨過熱溫度的升

10、高而增大，循環(huán)熱效率隨之提高，當然汽耗率也會下降。同時乏氣的干度增加，使透平機的相對內部效率也可提高。但是蒸汽的最高溫度受到金屬材料性能的限制，不能無限地提高，一般過熱蒸汽的最高溫度以不超873K為宜。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 2. 提高蒸汽的壓力 水的沸騰溫度隨著蒸汽壓力的增高而升高，故在保持相同的蒸汽過熱溫度時，提高水蒸汽壓力，平均吸熱溫度也會相應提高。從圖6-8可以看出，當蒸汽壓力提高時，熱效率提高，而汽耗率下降。但是隨著壓力的提高，乏汽的干度下降，即濕含量增加，因而會引起透平機相對內部效率的降低，還會使透平中最后幾級的葉片受到磨蝕，縮短壽命。乏汽的干度一般不應低于0.88。另

11、外，蒸汽壓力的提高，不能超過水的臨界壓力(PC = 22.064MPa)，而且設備制造費用也會大幅上升。這都是不利的方面。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 3.采用再熱循環(huán) 再熱循環(huán)是使高壓的過熱蒸汽在高壓透平中先膨脹到某一中間壓力(一般取再熱壓力為新汽壓力的2025%)，然后全部引入鍋爐中特設的再熱器進行加熱，升高了溫度的蒸汽，進入低壓透平再膨脹到一定的排氣壓力，這樣就可以避免乏氣濕含量過高的缺點。如圖6-9所示，高壓蒸汽由狀態(tài)點4等熵膨脹到某一中間壓力時的飽和狀態(tài)點4(膨脹后的狀態(tài)點也可以在過熱區(qū)),作出功。飽和蒸汽在再熱器中吸收熱量后升高溫度，其狀態(tài)沿等壓線由4變至5(再熱溫度與新汽溫

12、度可以相同，也可以不同)，最后再等熵膨脹到一定排氣壓力時的濕蒸汽狀態(tài)6，又做出功?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 制冷循環(huán)使物系的溫度降到低于周圍環(huán)境物質(如大氣)的溫度的過程稱為制冷過程。 本節(jié)重點介紹蒸汽壓縮制冷, 其他制冷原理作簡要的介紹。蒸汽壓縮制冷循環(huán) 逆卡諾循環(huán) 制冷循環(huán)就是逆方向的熱機循環(huán)。理想制冷循環(huán)(可逆制冷)即為逆卡諾循環(huán)。由四個可逆過程構成, 下圖是逆向卡諾循環(huán)的示意圖和T-S圖。其中 1-2：絕熱可逆壓縮, 從T1升溫至T2，等熵過程，消耗外功； 2-3：等溫可逆放熱； 3-4：絕熱可逆膨脹，從T2降溫至T1，等熵過程，對外作功。 4-1；等溫可逆吸熱， 逆卡諾循環(huán)中

13、，功和熱的關系和正向循環(huán)一樣,不過符號相反，凈功和凈熱符號都是負的。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n Q2 3 冷凝器 2 膨脹機 壓縮機 4 蒸發(fā)器 1 Q0 圖 6- 10 逆卡諾循環(huán)示意圖及 T-S 圖 T P2 T2 P1 T1 S 2 3 4 1 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 循環(huán)放熱量 循環(huán)吸熱量 循環(huán)的H = O，故循環(huán)所做的功凈功為說明制冷循環(huán)需要消耗外功。衡量制冷效率的參數稱為制冷系數，其定義為是制冷循環(huán)的經濟技術指標。對于逆卡諾循環(huán) 2322SSTQ4110SSTQ4121322120SSTTSSTTQQQWN0,4121NWSSTTNWQ0消耗的凈功從低溫物體吸收的

14、熱量12141214110TTTSSTTSSTWQN卡化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 上式表明，逆卡諾循環(huán)的制冷系數僅是工質溫度的函數，與工質無關。在兩個溫度之間操作的任何制冷循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數為最大，任何實際循環(huán)的制冷系數都要比卡小。單級蒸汽壓縮制冷循環(huán) 單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)的示意流程如下圖。 蒸汽壓縮制冷循環(huán)是由：低壓蒸汽的壓縮，高壓蒸汽的冷卻冷凝，高壓液體的節(jié)流膨脹和濕蒸汽的定壓蒸發(fā)這四步構成。制冷循環(huán)中所用的在低溫下吸熱和高溫下排熱的工作物質(簡稱工質)稱為制冷劑。 理想的逆卡諾循環(huán)的限制：運行在濕蒸汽區(qū)域壓縮和膨脹會在壓縮機和膨脹機的氣缸中形成液滴，產生“液擊” ，容易損

15、壞機器；氣缸里的液滴的迅速蒸發(fā)會使壓縮機的有效容積減少。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n (a)示意圖蒸發(fā)器341冷凝器2Q壓縮機節(jié)流閥q0(b) T-S圖431TSP2P1TT0234化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 實際冷凍循環(huán)的T-S圖的特點： 絕熱可逆壓縮過程12在過熱蒸汽區(qū)，即等熵過程,S1=S2; 絕熱可逆膨脹過程34用簡單的節(jié)流閥進行，絕熱節(jié)流膨脹，即等焓過程,H3 = H4。 等壓過冷過程33，增加冷凍量。 對蒸發(fā)器應用穩(wěn)定流動能量方程式，計算單位重量制冷劑的制冷量q0 制冷劑的“制冷能力”為Q0 kJ.h-1，制冷劑的循環(huán)量為： 410HHq00qQG 化學工業(yè)出版社化學工

16、業(yè)出版社 n 壓縮每單位重量冷凍劑，壓縮機所消耗的功為： 制冷機的制冷系數為 制冷機所消耗的理論功率為 常用制冷劑的壓焓圖(P-H圖)見附錄D。計算中所需的各狀態(tài)點的焓、熵值可直接由圖查出。 12HHWS123112410HHHHHHHHWqSSTGWN化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 多級壓縮制冷循環(huán) 要獲得較低的溫度，則工質蒸發(fā)壓力較低，壓縮比就要增大，單級壓縮顯然不經濟的。工業(yè)上，采用多級壓縮。氨作冷凍劑時,若蒸發(fā)溫度248208K時，采用二級壓縮制冷循環(huán)，氨蒸發(fā)溫度低于208K，則采用三級壓縮制冷循環(huán)。 多級壓縮的優(yōu)點：通常與多級膨脹結合，級間用冷卻水或依靠冷凍劑蒸發(fā)作為中間冷卻，此時

17、蒸汽容積減小，進一步壓縮蒸汽所需要的功也因而減小。多級壓縮制冷循環(huán)不僅可以降低功耗，并能獲得多種不同的冷凍溫度。每級壓縮比的減小，降低了被壓縮蒸汽的過熱溫度，這就改善了壓縮機的潤滑和工作條件。 常用的二級蒸汽壓縮制冷循環(huán)的流程圖及T-S圖見圖6-12(其中1是高壓壓縮機；2是冷凝器；3是高壓節(jié)流閥；4是中間預冷器；5是高壓蒸發(fā)器； 6是低壓節(jié)流閥；7是低壓蒸發(fā)器；8是低壓壓縮機；9是水冷卻器)。低壓蒸發(fā)器內所產生的壓力為P02，溫度為T02(T-S圖上狀態(tài)點1)的干飽和蒸汽被低壓壓縮機氣缸吸入，壓縮至中間壓力P01(狀態(tài)點2)化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 過熱的蒸汽即在此壓力下被水冷卻至2

18、，而后借在中間預冷器內部分冷凍劑的蒸發(fā)冷至溫度T01(點3)。高壓壓縮機氣缸吸入的是下述三種冷凍劑蒸汽的混合物，由低壓壓縮機來的蒸汽；中間制冷時所產生的蒸汽；通過節(jié)流閥3在中間預冷器內產生的蒸汽。 混合蒸汽在高壓壓縮機內壓縮至狀態(tài)點4，此過熱蒸汽在冷凝器中冷卻(至狀態(tài)點5)和冷凝成液態(tài)(點6)，并可過冷(至點7)。液體制冷劑經節(jié)流閥節(jié)流到壓力P01及溫度T01(點8)進入中間預冷器。部分制冷劑在中壓蒸發(fā)器制冷，另一部分經節(jié)流閥6節(jié)流(點910)進入低壓蒸發(fā)器制冷?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 1 9 8 2 4 7 5 3 6 圖 6- 12兩級蒸汽壓縮制冷流程圖及 T-S 圖 化學工業(yè)出

19、版社化學工業(yè)出版社 n 吸收制冷循環(huán)原理介紹 蒸汽壓縮制冷循環(huán)需要的外功是通過壓縮機來提供的，壓縮機的電能又可通過熱機來獲得，即制冷循環(huán)所需要的功最終可來自高溫蒸汽的熱能。直接利用熱能作為制冷循環(huán)能量是可能的。吸收制冷就是直接利用熱能制冷的冷凍循環(huán)。 吸收制冷是通過工質的吸收和精餾來完成循環(huán)過程。常用液體工質，如氨水溶液或溴化鋰溶液。前者稱為氨吸收制冷，用于低溫系統(tǒng)，使用溫度一般為228K(-45)以上；后者稱為溴化鋰吸收制冷，用于大型中央空氣調節(jié)系統(tǒng)，使用溫度一般在278K(5)以上。 吸收制冷的特點：直接利用熱能制冷,且所需熱源溫度較低, 可充分利用低品位熱能?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社

20、 n 吸收制冷是利用二元溶液中二組分蒸汽壓不同來進行的。 制冷劑：揮發(fā)性大(蒸汽壓高)的組分，如氨吸收制冷所用工質為氨，汽化潛熱大。 吸收劑：揮發(fā)性小(蒸汽壓低)的組分，如氨吸收制冷的水用作吸收劑。氨吸收制冷循環(huán)示意圖如下。 c a 蒸發(fā)器 d b 節(jié)流閥 Q Q c 冷凝器 b d 再生器 e 吸收器 e f 換熱器 f Q a g 泵 g Q 圖 6- 13 氨吸收制冷循環(huán)示意圖 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 整個循環(huán)由冷凝，節(jié)流后蒸發(fā)，吸收及精餾過程所組成。吸熱蒸發(fā)后的氣氨用稀氨水吸收成濃氨水溶液，然后在再生器中借精餾將氨分離，再用冷卻水冷卻冷凝成液氨，供循環(huán)使用。 蒸汽壓縮制冷與氨

21、吸收制冷不同之處在于：氨吸收制冷循環(huán)中的吸收器和再生器代替了蒸汽壓縮制冷的壓縮機。虛線左側相當于一臺熱機，因為它同樣是在“高溫”熱源吸熱（蒸氨塔），向低溫冷卻水排出熱量（吸收塔，有冷卻水）。 吸收制冷循環(huán)的理論計算這里不作介紹。 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 氣體的液化 利用制冷循環(huán)獲得低于173K的低溫稱為深度冷凍（深冷）。工業(yè)上常用深冷技術使低沸點氣體冷到其臨界溫度以下，使之液化，再通過精餾或部分冷凝分離或提純。氧氣、氮氣等就是通過空氣的液化分離得到的。 深度冷凍和普通冷凍（中冷或淺冷）僅有冷凍溫度的差別，工作原理是相同的。膨脹過程除使用膨脹閥外還常常使用膨脹機；膨脹以前要預冷到相當低

22、的溫度。 林德（Linde）氣體液化裝置是一種典型的深度冷凍裝置，工質（即被液化的氣體）進行的制冷循環(huán)稱為林德循環(huán)。1. 工作原理 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 林德氣體液化裝置示意圖和循環(huán)示意圖如下。氣體從狀態(tài)1（P1，T1）經多級壓縮而壓力增加到P2，同時經冷卻器使其溫度恢復到初始溫度T1。狀態(tài)2（P2，T1）的氣體再經過換熱器預冷到相當低的溫度（狀態(tài)3），經節(jié)流閥膨脹（等焓膨脹）到蒸發(fā)溫度T0的濕蒸汽區(qū)（狀態(tài)4），經氣液分離器將液體（飽和液體）分離出去，分離后的干飽和蒸汽則送到換熱器去預冷新來的高壓氣體，而其本身被加熱到原來狀態(tài)1，它和補充的氣體再進入壓縮機。2.氣體的液化量 以1k

23、g氣體為計算基準，設液化量為x kg，裝置的冷凍量q。kJkg-1)Hx(Hq010化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 壓縮機 冷卻器 2 1 1-x 換熱器 x 3 節(jié)流筏 4 6 分離器 5 x 圖 6-14 林德氣體液化裝置及其循環(huán)圖 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 式中H1在初溫T1及壓力P1下氣體焓； H0在液化溫度T0下飽和液體的焓，即H5。 對裝置圖虛線框的部分，進行熱量衡算。其中進入的氣體是1kg狀態(tài)2的高壓氣體，分離出去x kg狀態(tài)5的飽和液體，另外循環(huán)返回壓氣機的（1-x ）kg狀態(tài)1的低壓氣體，其熱量平衡式如下： 1H2=xH0+(1-x)H1即為所要求的液化量，其中H2是溫度為T1和壓力為P2，即狀態(tài)2的氣體的焓，kJkg-1。3壓縮機功耗 冷凍裝置功的消耗是多級壓氣機的壓氣功W，通常為簡便起見，W可按理想氣體的等溫壓縮過程計算，而除以等溫壓縮效率T，即0121HHHHx210HHq化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 式中：T等溫壓縮效率，一般取0.6左右；121ln1PPRTWT化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n 熱泵 自然界蘊藏著巨大的能量，但熱量的溫度水平比人們所需要的低，難以直接利用。 熱泵的工作原理與制冷機完全相同。熱泵是一組進行熱力循環(huán)的設備，它將低溫熱不斷地輸送到高溫物體中。它