第6章 蒸汽动力循环和制冷循环
6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环是以水蒸汽为工质，将热能连续不断地转换成机械能的热力循环。现代化的大型化工厂，蒸汽动力循环为全厂供给动力、供热及供应工艺用蒸汽。分析动力循环的目的是研究循环中热、功转换的效果及其影响因素，提高能量转换效果。
朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成。
图6-1 朗肯循环的示意图和T-S图
1→2 的过程表示过热蒸汽在汽轮机中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功
2→3 的过程表示乏汽在冷凝器中的等温等压冷凝过程，工质放出的热量
3→4 的过程表示冷凝水通过水泵由P3升压至P4的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功
把水看作是不可压缩流体，则
4→1 的过程表示水在锅炉中等压升温和等压汽化，成为过热蒸汽的过程。工质在锅炉中吸收的热量
理想朗肯循环的热效率
蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量
热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功量时所消耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。
作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。
当对外作出的净功相同时，汽耗率大的装置其尺寸相应增大。所以汽耗率的高低可用来比较装置的相对尺寸大小和过程的经济性。
工质的热力学性质可以由热力学图表或公式求得。用热力学图表的计算方法如下状态点1 根据P1、t1 值可查得H1、S1值；
状态点2 S2=S1，根据P2、S2 值可查得H2、t2值；
状态点3 P3=P2，查P3下的饱和液体可得H3、V3,S3值；
状态点4,P4=P1，S4=S3，根据P4、S4可查得 H4值，或者将液体水的比容当作常数，由 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3) 计算。
蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵的，而是向着墒增加的方向偏移，用1→2′线表示。
水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，可不考虑不可逆的影响。
蒸汽通过汽轮机膨胀，实际做出的功应为H1 – H2′，它小于等熵膨胀的功H1 – H2。两者之比称为透平机的等熵效率。
实际朗肯循环的热效率
例6-1 例6-2
通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率
（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,可提高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并且可以降低汽耗率。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
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，因而会引起透乎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，设备制造费用也会因蒸汽压力的提高而大幅上升。
6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀
6.2.1节流膨胀
ΔH = 0
流体进行节流膨胀是，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或Joule-thomson效应。
μJ ＞0 节流后温度降低
μJ ＝0 节流后温度不变
μJ ＜0 节流后温度升高理想气体 μJ＝0 ；实际气体 μJ 值可为正值、负值或零。
6.2.2 作外功的绝热膨胀
等熵膨胀效应系数
μs 必为正值。气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体温度总是下降。
6.3 制冷循环
制冷是获得并保持低于环境温度的操作。热力学第二定律指出，热不能自发地由低温物体传向高温物体。要使非自发过程成为可能，必须消耗能量。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。制冷循环和热泵都是消耗外功或热能而实现热由低温传向高温的逆向循环。制冷循环的目的是获得低温，热泵的目的是获得高温。
图6-2 制冷机和热泵
6.3.1 逆向Carnot循环循环的放热量
q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4)
循环的吸热量
q0=TL(S1-S4)
制冷剂完成一个循环⊿H＝0，所作的净功为
衡量制冷效率的参数称为制冷系数ε，其定义为
ε是制冷循环的经济技术指标。对于逆卡诺循环
通过上述分析可以得出
①逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。
②在相同温度区间工作的制冷循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最大。
③制冷循环中，高温物体放热量大于低温物体吸热量。
例6-3
6.3.2 单级蒸汽压缩制冷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。理想的逆卡诺循环中1-2和3-4过程在实际运行中是有困难的，这是因为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”现象，容易损坏机器；同时在压缩机气缸里的液滴的迅速蒸发会使压缩机的有效容积减少。
下面利用稳流体系的能量平衡纺车对图6-4所示的蒸汽压缩制冷进行分析。
1→2 可逆绝热压缩过程
Ws=H2 - H1 kJ/kg
2→3 等压冷却、冷凝过程
q2=H3-H2 kJ/kg
3→4 节流膨胀过程
H3=H4
4→1 等压、等温蒸发过程
q0=H1 - H4 kJ/kg
制冷系数
若制冷剂的“制冷能力”为Q0 kJ/h，那么，制冷剂的循环量为
压缩机消耗的功率
例6-4
在实际的制冷循环中，蒸汽压缩过程是不可逆的在图6-5上用曲线1-2′表示，这是一个熵增加过程。如果冷却介质温度足够低，为了增加冷冻量，制冷剂在冷凝器中被冷凝为饱和液体后还要继续被冷却。图6-5上曲线4-4′表示饱和液体的冷却过程，5′- 4′表示制冷剂节流膨胀过程。
6.3.3 制冷剂
选择制冷剂的原则是
（1）蒸发潜热要大。
（2）操作压力要合适。即冷凝压力（高压）不要过高，蒸发压力（低压）不要过低。
（3）化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。
（4）价格低。
（5）对环境无公害。
常用的制冷剂有氨、氟氯烃、二氧化碳、丙烯、乙烯等。已发现氟氯烃中R11（一氟三氯甲烷）、R12（二氟二氯甲烷）等五种制冷剂对大气臭氧层有严重的破坏作用。研究无污染的替代物已受到世界各国的关注与重视。
6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环是以水蒸汽为工质，将热能连续不断地转换成机械能的热力循环。现代化的大型化工厂，蒸汽动力循环为全厂供给动力、供热及供应工艺用蒸汽。分析动力循环的目的是研究循环中热、功转换的效果及其影响因素，提高能量转换效果。
朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成。
图6-1 朗肯循环的示意图和T-S图
1→2 的过程表示过热蒸汽在汽轮机中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功
2→3 的过程表示乏汽在冷凝器中的等温等压冷凝过程，工质放出的热量
3→4 的过程表示冷凝水通过水泵由P3升压至P4的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功
把水看作是不可压缩流体，则
4→1 的过程表示水在锅炉中等压升温和等压汽化，成为过热蒸汽的过程。工质在锅炉中吸收的热量
理想朗肯循环的热效率
蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量
热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功量时所消耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。
作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。
当对外作出的净功相同时，汽耗率大的装置其尺寸相应增大。所以汽耗率的高低可用来比较装置的相对尺寸大小和过程的经济性。
工质的热力学性质可以由热力学图表或公式求得。用热力学图表的计算方法如下状态点1 根据P1、t1 值可查得H1、S1值；
状态点2 S2=S1，根据P2、S2 值可查得H2、t2值；
状态点3 P3=P2，查P3下的饱和液体可得H3、V3,S3值；
状态点4,P4=P1，S4=S3，根据P4、S4可查得 H4值，或者将液体水的比容当作常数，由 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3) 计算。
蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵的，而是向着墒增加的方向偏移，用1→2′线表示。
水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，可不考虑不可逆的影响。
蒸汽通过汽轮机膨胀，实际做出的功应为H1 – H2′，它小于等熵膨胀的功H1 – H2。两者之比称为透平机的等熵效率。
实际朗肯循环的热效率
例6-1 例6-2
通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率
（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,可提高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并且可以降低汽耗率。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
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，因而会引起透乎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，设备制造费用也会因蒸汽压力的提高而大幅上升。
6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀
6.2.1节流膨胀
ΔH = 0
流体进行节流膨胀是，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或Joule-thomson效应。
μJ ＞0 节流后温度降低
μJ ＝0 节流后温度不变
μJ ＜0 节流后温度升高理想气体 μJ＝0 ；实际气体 μJ 值可为正值、负值或零。
6.2.2 作外功的绝热膨胀
等熵膨胀效应系数
μs 必为正值。气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体温度总是下降。
6.3 制冷循环
制冷是获得并保持低于环境温度的操作。热力学第二定律指出，热不能自发地由低温物体传向高温物体。要使非自发过程成为可能，必须消耗能量。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。制冷循环和热泵都是消耗外功或热能而实现热由低温传向高温的逆向循环。制冷循环的目的是获得低温，热泵的目的是获得高温。
图6-2 制冷机和热泵
6.3.1 逆向Carnot循环循环的放热量
q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4)
循环的吸热量
q0=TL(S1-S4)
制冷剂完成一个循环⊿H＝0，所作的净功为
衡量制冷效率的参数称为制冷系数ε，其定义为
ε是制冷循环的经济技术指标。对于逆卡诺循环
通过上述分析可以得出
①逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。
②在相同温度区间工作的制冷循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最大。
③制冷循环中，高温物体放热量大于低温物体吸热量。
例6-3
6.3.2 单级蒸汽压缩制冷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。理想的逆卡诺循环中1-2和3-4过程在实际运行中是有困难的，这是因为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”现象，容易损坏机器；同时在压缩机气缸里的液滴的迅速蒸发会使压缩机的有效容积减少。
下面利用稳流体系的能量平衡纺车对图6-4所示的蒸汽压缩制冷进行分析。
1→2 可逆绝热压缩过程
Ws=H2 - H1 kJ/kg
2→3 等压冷却、冷凝过程
q2=H3-H2 kJ/kg
3→4 节流膨胀过程
H3=H4
4→1 等压、等温蒸发过程
q0=H1 - H4 kJ/kg
制冷系数
若制冷剂的“制冷能力”为Q0 kJ/h，那么，制冷剂的循环量为
压缩机消耗的功率
例6-4
在实际的制冷循环中，蒸汽压缩过程是不可逆的在图6-5上用曲线1-2′表示，这是一个熵增加过程。如果冷却介质温度足够低，为了增加冷冻量，制冷剂在冷凝器中被冷凝为饱和液体后还要继续被冷却。图6-5上曲线4-4′表示饱和液体的冷却过程，5′- 4′表示制冷剂节流膨胀过程。
6.3.3 制冷剂
选择制冷剂的原则是
（1）蒸发潜热要大。
（2）操作压力要合适。即冷凝压力（高压）不要过高，蒸发压力（低压）不要过低。
（3）化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。
（4）价格低。
（5）对环境无公害。
常用的制冷剂有氨、氟氯烃、二氧化碳、丙烯、乙烯等。已发现氟氯烃中R11（一氟三氯甲烷）、R12（二氟二氯甲烷）等五种制冷剂对大气臭氧层有严重的破坏作用。研究无污染的替代物已受到世界各国的关注与重视。
