第6章-流動系統(tǒng)的熱力學(xué)原理及應(yīng)用2

●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(zhì)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。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(dāng)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(xiàn)象。由于過程進行得很快，可以認(rèn)為是絕熱的，即Q=0且不對外作功，即Ws=0。根據(jù)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(yīng)。微分節(jié)流效應(yīng)系數(shù)，以μJ表示，由熱力學(xué)基本關(guān)系式可知，μJ可以從P-V-T關(guān)系和CP性質(zhì)來計算理想氣體絕熱節(jié)流后溫度不變，μJ=0 μJ>0節(jié)流后溫度降低稱冷效應(yīng)； μJ=0節(jié)流后溫度不變稱零效應(yīng)； μJ<0節(jié)流后溫度升高稱熱效應(yīng)。同一氣體在不同狀態(tài)下節(jié)流，μJ有可能為正、為負(fù)或為零。2.絕熱可逆膨脹流體從高壓向低壓作絕熱膨脹時，如在膨脹機中進行，則對外作軸功。如果過程是可逆的，就是等熵膨脹過程。在等熵膨脹過程中，當(dāng)壓力有微小的變化時所引起的溫度變化稱為微分等熵效應(yīng)系數(shù)，以μs表示。CP>0，T>0，μS

>0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(yīng)。壓力變化所引起溫度變化稱積分等熵膨脹效應(yīng)ΔTS為等熵膨脹過程也可在T—S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(yīng)ΔTS=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(shù)值相當(dāng)于等熵膨脹對外所做的軸功。同樣的壓力差，產(chǎn)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小于可逆膨脹所作的軸功。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(shè)備很簡單，只需一個節(jié)流閥，便于調(diào)節(jié)且可直接得到液體。工業(yè)和民用設(shè)備多采用節(jié)流膨脹?！駝恿ρh(huán)Power朗肯循環(huán)（RankineCycle）

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（1→2），氣化為蒸汽（2→3），為了進一步利用高溫?zé)崮?，提高蒸汽溫度，將飽和蒸汽通入過熱器變成過熱蒸汽（3→4），然后進透平膨脹機作功（4→5）。為了盡可能地降低透平出口壓力以產(chǎn)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（5→6），冷凝水用泵升壓（6→1）后再送回鍋爐。如此不斷地重復(fù)進行，構(gòu)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)。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1→2→3→4→5→6→1循環(huán)。對理想朗肯循環(huán)的各個過程，應(yīng)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。1→2→3→4是流體(工質(zhì))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4→5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。5→6是乏氣的冷凝過程，放熱量6→1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，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(zhì)通過循環(huán)作出的凈功WN為所吸收的凈熱為(Q+Q0)，經(jīng)過一次循環(huán)后，狀態(tài)函數(shù)ΔH=0,按穩(wěn)流過程熱力學(xué)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(biāo)

循環(huán)的熱效率η，即熱源供給的熱量中轉(zhuǎn)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(SpecificSteamConsumption)表示。

以上各式計算時所需要的焓值由附錄C的水蒸汽表查得。 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(yīng)當(dāng)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(yīng)為H4-H7,顯然它小于等熵膨脹的功H4-H5。兩者之比稱為透平機的等熵膨脹效率或稱相對內(nèi)部效率，用ηs表示。朗肯循環(huán)的改進可逆過程熱力學(xué)效率最高。在卡諾循環(huán)中，工質(zhì)在高溫?zé)嵩吹臏囟认挛鼰?，在低溫?zé)嵩吹臏囟认路艧?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?xì)獾臏囟认嗖詈艽?，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(shè)法提高工質(zhì)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(yīng)地提高。由圖6-7可見，功的面積隨過熱溫度的升高而增大，循環(huán)熱效率隨之提高，當(dāng)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(nèi)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。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(yīng)提高。從圖6-8可以看出，當(dāng)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(nèi)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(yīng)低于0.88。另外，蒸汽壓力的提高，不能超過水的臨界壓力(PC=22.064MPa)，而且設(shè)備制造費用也會大幅上升。這都是不利的方面。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20~25%)，然后全部引入鍋爐中特設(shè)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?！裰评溲h(huán)

使物系的溫度降到低于周圍環(huán)境物質(zhì)(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?！裾羝麎嚎s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(gòu)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，功和熱的關(guān)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(fù)的。循環(huán)放熱量循環(huán)吸熱量循環(huán)的ΔH=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(shù)稱為制冷系數(shù)ξ，其定義為ξ是制冷循環(huán)的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。對于逆卡諾循環(huán)

上式表明，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是工質(zhì)溫度的函數(shù)，與工質(zhì)無關(guān)。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(shù)為最大，任何實際循環(huán)的制冷系數(shù)都要比ξ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(gòu)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(zhì)(簡稱工質(zhì))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(chǎn)生“液擊”，容易損壞機器；氣缸里的液滴的迅速蒸發(fā)會使壓縮機的有效容積減少。(b)T-S圖43’‘1TSP2P1TT0234’實際冷凍循環(huán)的T-S圖的特點：絕熱可逆壓縮過程1→2在過熱蒸汽區(qū)，即等熵過程,S1=S2;絕熱可逆膨脹過程3→4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3→3’，增加冷凍量。對蒸發(fā)器應(yīng)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Q0kJ.h-1，制冷劑的循環(huán)量為：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(shù)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。 ◆多級壓縮制冷循環(huán)

要獲得較低的溫度，則工質(zhì)蒸發(fā)壓力較低，壓縮比就要增大，單級壓縮顯然不經(jīng)濟的。工業(yè)上，采用多級壓縮。氨作冷凍劑時,若蒸發(fā)溫度248~208K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(jié)合，級間用冷卻水或依靠冷凍劑蒸發(fā)作為中間冷卻，此時蒸汽容積減小，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(yù)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(nèi)所產(chǎn)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)過熱的蒸汽即在此壓力下被水冷卻至2′，而后借在中間預(yù)冷器內(nèi)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(chǎn)生的蒸汽；通過節(jié)流閥3在中間預(yù)冷器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽。 混合蒸汽在高壓壓縮機內(nèi)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(jīng)節(jié)流閥節(jié)流到壓力P01及溫度T01(點8)進入中間預(yù)冷器。部分制冷劑在中壓蒸發(fā)器制冷，另一部分經(jīng)節(jié)流閥6節(jié)流(點9→10)進入低壓蒸發(fā)器制冷?！裎罩评溲h(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(zhì)的吸收和精餾來完成循環(huán)過程。常用液體工質(zhì)，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(diào)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。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(zhì)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。

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(cè)相當(dāng)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?！駳怏w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(shù)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(yù)冷到相當(dāng)?shù)偷臏囟取Ａ值拢↙inde）氣體液化裝置是一種典型的深度冷凍裝置，工質(zhì)（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(jīng)多級壓縮而壓力增加到P2，同時經(jīng)冷卻器使其溫度恢復(fù)到初始溫度T1。狀態(tài)2（P2，T1）的氣體再經(jīng)過換熱器預(yù)冷到相當(dāng)?shù)偷臏囟龋顟B(tài)3），經(jīng)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(jīng)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(yù)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1kg氣體為計算基準(zhǔn)，設(shè)液化量為xkg，裝置的冷凍量q。kJ·kg-1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xkg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：1·H2=x·H0+(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，kJ·kg-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ηT，即式中：ηT——等溫壓縮效率，一般取0.6左右；●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