蒸汽动力循环和制冷循环

第七章蒸汽动力循环和制冷循环

0、引言

蒸汽动力循环：

是以蒸汽为工质，将热连续地转变成功的过程，其主要设备是各种热机。

产功的过程。如：火力发电厂，大型化工厂。

常用的工质是水蒸气。

制冷循环：

是将热连续地由低温处输送到高温处的过程，其主要设备是热泵。

耗功的过程。

7.1．蒸汽动力循环

一、蒸汽动力循环基本原理

主要由水泵、锅炉、透平机和冷凝器组成。

4→1水进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽。

1→2进入透平机膨胀作功。

2→3作功后的低压湿蒸汽进入冷凝器被冷凝成水，回到水泵中。

3→4水在水泵中被压缩升压，再回到锅炉中，完成一个循环。

二、朗肯循环及其热效率

原理：朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，主要由：水泵、锅炉、透平机和冷凝器组成。

1、理想朗肯循环

3→4饱和水可逆绝热压缩过程。（等S）

4→1高压水等压升温和汽化，可逆吸热过程。

1→2过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。（等S）

2→3湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。

气体压缩式制冷机

以气体为制冷剂,由压缩机、冷凝器、回热器、膨胀机和冷箱等组成(图1) 。经压缩机压缩的气体先在冷凝器中被冷却，向冷却水（或空气）放出热量，然后流经回热器被返流气体进一步冷却,并进入膨胀机绝热膨胀,压缩气体的压力和温度同时下降。气体在膨胀机中膨胀时对外作功，成为压缩机输入功的一部分。同时膨胀后的气体进入冷箱，吸取被冷却物体的热量，即达到制冷的目的。此后，气体返流经过回热器，同压缩气体进行热交换后又进入压缩机中被压缩。气体制冷机都应采用回热器，这不但能提高制冷机的经济性而且可以降低膨胀机前压缩气体的温度，因而降低制冷温度。气体制冷机能达到的制冷温度范围较宽，从高于0℃到低于-100℃；制冷温度较高时其经济性较差,但当制冷温度低于-90℃时其经济性反而高于蒸气制冷机。

压缩式制冷机

蒸气压缩式制冷机

由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构和一些辅助设备组成。这类制冷机的制冷剂在常温和普通低温下能够液化，在制冷机的工作过程中制冷剂周期性地冷凝和蒸发。常用的蒸气压缩式制冷机有单级的、两级的和复叠式3种。

①单级蒸气压缩式制冷机:制冷剂从蒸发压力提高到冷凝压力只经过一级压缩的蒸气压缩式制冷机，简称单级制冷机。单级制冷机由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器等组成(图2)。由压缩机排出的高压蒸气经冷凝器放出热量而冷凝成液体。接着，液体制冷剂经节流阀（膨胀阀）节流，压力和温度同时降低,进入蒸发器中,吸取载冷剂（用它去再冷却被冷却物体）的热量而蒸发成蒸气。然后，蒸气进入压缩机继续压缩，如此循环不已。为提高经济性，有的单级制冷机还在冷凝器后设置过冷器和回热器。单级制冷机的蒸发温度通常在-30～5℃之间。

压缩式制冷机

②两级蒸气压缩式制冷机:制冷剂从蒸发压力提高到冷凝压力需要经过两级压缩的蒸气制冷机(图3) 。它比单级制冷机多一台压缩机、一台中间冷却器和节流阀。经高压压缩机压缩后的制冷剂蒸气，在冷凝器中冷凝成液体，然后分成两路：一路经节流阀A进入中间冷凝器,冷却低压压缩机的排气和盘管中的液体，在中间冷凝器中蒸发的制冷剂蒸气连同低压压缩机的排气一同进入高压压缩机继续压缩;另一路在盘管内被冷却并经过节流阀B节流至蒸发压力，进入蒸发器中蒸发制冷，蒸发后的蒸气进入低压压缩机压缩至中间压力，进入中间冷凝器。与单级制冷机相比，两级制冷机可达到较低的蒸发温度,通常在-30～-70℃之间。

③复叠式制冷机:用不同制冷剂作为工作介质的两台(或数台)单级或两级压缩蒸气压

缩式制冷机，用冷凝蒸发器联系起来的复合制冷机。冷凝蒸发器是一个利用高温级制冷剂的蒸发来冷凝低温级制冷剂的换热器。复叠式制冷机能达到很低的蒸发温度。图4为两个单级制冷机组成的复叠式制冷机的工作原理。它的高温级由高温级压缩机、冷凝器、节流阀和冷凝蒸发器组成；低温级由低温级压缩机、冷凝蒸发器、回热器、节流阀和蒸发器组成。高温级和低温级各为一台单级制冷机。冷凝蒸发器将高温级与低温级联系起来:对高温级来说,它是蒸发器;对低温级来说,它是冷凝器。冷凝蒸发器使低温级的放热量转变为高温级的制冷量。在低温级中，通常使用沸点较低的制冷剂（如R13），停机后制冷剂将全部气化,并导致压力过分升高。为了防止这一现象，通常在低温级系统中装设一个平衡容器。

压缩式制冷机

用两台单级制冷机复叠时，低温级的蒸发温度一般为-40～-80℃。一台单级制冷机与一台两级制冷机复叠时，蒸发温度可低达-110℃；若用三元（例如R22、R13和R14）复叠，蒸发温度可低达-140℃。

蒸气压缩式制冷机主要设备

蒸气压缩式制冷机的主要设备包括压缩机、冷凝器、蒸发器、冷凝蒸发器和节流机构。

压缩机制冷压缩机有往复式、离心式和螺杆式等型式。制冷压缩机的工作原理和总体结构与其他用途的压缩机基本相同，但根据制冷机的要求在结构上有如下特点：①密封要求高，不允许向内和向外泄漏。因此大、中型制冷压缩机在主轴伸出机体处均设有轴封，小型制冷压缩机则做成半封闭式或全封闭式。半封闭式压缩机通常是将机体与电动机的机壳做成一体，或将两者用法兰连接。全封闭式还只限于小型往复压缩机和滚动转子压缩机，用一个密封的钢罩壳把压缩机与电动机封闭起来，一般不进行拆修。②氟利昂能溶于润滑油中，故常在曲轴箱的油池中装有加热器。有些螺杆压缩机和滚动转子压缩机用喷油法来实现机内密封和冷却，除喷油装置外还设有高效率的油分离器。③压缩机吸入的是饱和蒸气。氨气容易带液，故往复氨压缩机设有防止液击的安全盖。④多级压缩时各级的流量不相同，故多级离心压缩机和螺杆压缩机大多设有中间补气系统，再配以省功器，借以提高制冷机的运转经济性。

冷凝器靠环境介质带走制冷剂的热量，制冷剂在其中被冷却并冷凝成液体。冷凝器分为水冷式和空气冷却式两种。①水冷式冷凝器是应用最广的一类冷凝器，用于中、大型制冷机中。水冷式冷凝器有:壳管式,制冷剂在管外冷凝（见管壳式换热器）；套管式，制冷剂