热能与动力工程专业英语第一_二_四__八章译文

1.1 工程热力学基础

热力学是一门研究能量储存、转换及传递的科学。能量以内能（与温度有关）、动能（由物体运动引起）、势能（由高度引起）和化学能（与化学组成相关）的形式储存。不同形式的能量可以相互转化，而且能量在边界上可以以热和功的形式进行传递。

在热力学中，我们将推导有关能量转化和传递与物性参数，如温度、压强及密度等关系间的方程。因此，在热力学中，物质及其性质变得非常重要。许多热力学方程都是建立在实验观察的基础之上，而且这些实验观察的结果已被整理成数学表达式或定律的形式。其中，热力学第一定律和第二定律应用最为广泛。

1.1.1热力系统和控制体

? 热力系统是一包围在某一封闭边界内的具有固定质量物质的系统。系统边界通常是比较明显的（如气缸内气体的固定边界）。然而，系统边界也可以是假想的（如一定质量的流体流经泵时不断变形的边界）。

? 系统之外的所有物质和空间统称外界或环境。热力学主要研究系统与外界或系统与系统之间的相互作用。系统通过在边界上进行能量传递，从而与外界进行相互作用，但在边界上没有质量交换。当系统与外界间没有能量交换时，这样的系统称为孤立系统。

? 在许多情况下，当我们只关心空间中有物质流进或流出的某个特定体积时，分析可以得到简化。这样的特定体积称为控制体。例如泵、透平、充气或放气的气球都是控制体的例子。包含控制体的表面称为控制表面。

? 因此，对于具体的问题，我们必须确定是选取系统作为研究对象有利还是选取控制体作为研究对象有利。如果边界上有质量交换，则选取控制体有利；反之，则应选取系统作为研究对象。

1.1.2平衡、过程和循环

? 对于某一参考系统，假设系统内各点温度完全相同。当物质内部各点的特性参数均相同且不随时间变化时，则称系统处于热力学平衡状态。当系统边界某部分的温度突然上升时，则系统内的温度将自发地重新分布，直至处处相同。

? 当系统从一个平衡状态转变为另一个平衡状态时，系统所经历的一系列由中间状态组成的变化历程称为过程。若从一个状态到达另一个状态的过程中，始终无限小地偏离平衡态，则称该过程为准静态过程，可以把其中任一个中间状态看作为平衡状态。准静态过程可近似视为许多过程的叠加结果，而不会显著减小其精确性，例如气体在内燃机内的压缩和膨胀过程。如果系统经历一系列不平衡状态（如燃烧），从一个平衡状态转变为另一个平衡状态，则其过程为非平衡过程。

? 当系统从一给定的初始状态出发，经历一系列中间过程又回到其初始状态，则称系统经历了一个循环。循环结束时，系统中的各参数又与初始参数相同。

在任一特性参数名称前加上前缀iso-，表示该参数在整个过程保持不变。等温（isothermal）过程中温度保持不变；等压（isobaric）过程中压强恒定；等容（isometric）过程中体积保持不变。

1.1.3 纯物质的气-液相平衡

? 如图1-1(a)所示，由活塞和气缸组成的装置中装有1kg水。假定活塞和其上的重物使气缸内压强维持在0.1Mpa，初始温度20℃。当有热量开始传递给水时，缸内水温迅速上升，而比容略有增加，气缸内压强保持恒定不变。当水温达到99.6℃时，如若再增加传热量，水将发生相变，如图1-1(b)所示。也就是说，一部分水开始气化变为蒸汽，在此相变过程中，温度和压强始终保持不变，但比容却有大幅度的增加。当最后一滴液体被气化时，进一步的加热将使蒸汽温度和比容均有所增加，如同1-1(c)所示。

? 在给定压强下发生气化的温度称为饱和温度，压强称为给定温度下的饱和压强。因此，99.6℃水的饱和压强是0.1MPa，0.1MPa水的饱和温度为99.6℃。

? 如果某一工质为液态并处于其饱和温度和饱和压强下，则称该液体为饱和液体。如果液体温度低于当前压强下的饱和温度，则称该液体为过冷液体（表明液体的当前温度低于给定压强下的饱和温度）或压缩液体（表明液体的当前压强大于给定温度下的饱和压强）。

? 在给定压强下发生气化的温度称为饱和温度，压强称为给定温度下的饱和压强。因此，99.6℃水的饱和压强是0.1MPa，0.1MPa水的饱和温度为99.6℃。

? 如果某一工质为液态并处于其饱和温度和饱和压强下，则称该液体为饱和液体。如果液体温度低于当前压强下的饱和温度，则称该液体为过冷液体（表明液体的当前温度低于给定压强下的饱和温度）或压缩液体（表明液体的当前压强大于给定温度下的饱和压强）。

? 若某一工质在饱和温度下以液、气共存的形式存在，则称蒸汽质量与总质量之比为干度。因此，如图1-1(b)所示，若蒸汽质量为0.2kg，液体质量为0.8kg，则其干度为0.2或20%。干度只有在饱和状态下才有意义。

? 若某一工质处于饱和温度下并以蒸汽形态存在，则称该蒸汽为饱和蒸汽（有时称为干饱和蒸汽，意在强调其干度为100%）。当蒸汽温度高于其饱和温度时，则称之为过热蒸汽。过热蒸汽的压强和温度是彼此独立的，因为温度上升时，压强可能保持不变。

在图1-2所示的温度-比容图上作等压线，表示水由初压0.1MPa、初温20℃被加热的过程。点A代表初始状态，点B为饱和液态（99.6℃），线AB表示液体由初始温度被加热至饱和温度所经历的过程。点C表示饱和蒸汽状态，线BC表示等温过程，即液体气化转变为蒸汽的过程。线CD表示在等压条件下蒸汽被加热至过热的过程，在此过程中，温度和比容均增大。

类似地，线IJKL表示压强为10MPa下的等压线，相应的饱和温度为311.1℃。但是，在压强为22.09MPa条件下（线MNO），不存在等温蒸发过程。相反，点N是个转折点，在该点上，切线斜率为零，通常把N点称为临界点。在临界点处，饱和液体和饱和气体的状态都是相同的。临界点下的温度、压强和比容分别称为临界温度、临界压强和临界比容。一些工质的临界点数据如表1-1所示。

1.1.4 热力学第一定律

? 通常把热力学第一定律称为能量守恒定律。在基础物理课程中，能量守恒定律侧重动能、势能的变化以及和功之间的相互关系。更为常见的能量守恒形式还包括传热效应和内能的变化。当然，也包括其它形式的能，如静电能、磁场能、应变能和表面能。

? 历史上，用热力学第一定律来描述循环过程：净传热量等于循环过程中对系统所做的净功。

1.1.5 热力学第二定律

?

? 热力学第二定律有多种表述形式。在此列举两种：克劳修斯表述和凯尔文-普朗克表述。 克劳修斯表述：制造一台唯一功能是把热量从低温物体传给高温物体的循环设备是不可能的。

以冰箱（或热泵）为例，不可能制造一台不用输入功就能把热量从低温物体传给高温物体的冰箱，如图1-3(a)所示。

? 凯尔文-普朗克表述：制造一台从单一热源吸热和做功的循环设备是不可能的。

? 换句话说，制造这样一台从某一热源吸热并对外做功，而没有与低温热源进行换热的热机是不可能的。因此，该表述说明了不存在工作效率为100%的热机，如图1-3(b)所示。

1.1.6 卡诺循环

? 卡诺机是低温热源和高温热源间运行效率最高的热机。卡诺机是一个理想热机，利用多个可逆过程组成一循环过程，该循环称为卡诺循环。卡诺机非常有用，因为它的运行效率为任何实际热机最大可能的效率。因此，如果一台实际热机的效率要远低于同样条件下的卡诺机效率，则有可能对该热机进行一些改进以提高其效率。

理想的卡诺循环包括四个可逆过程，如图1-4所示：1→2等温膨胀；2→3绝热可逆膨胀；3→4等温压缩；4→1可逆绝热压缩。卡诺循环的效率为: 注意，提高TH（提高吸热温度）或降低TL（降低放热温度）均可使循环效率提高。

1.1.7 朗肯循环

? 我们所关心的第一类动力循环为电力生产工业所采用的，也就是说，动力循环按这样的方式运行：工质发生相变，由液态变为气态。最简单的蒸汽-动力循环是朗肯循环，如图1-5(a)所示。朗肯循环的一个主要特征是泵耗费很少的功就能把高压水送入锅炉。其可能的缺点为工质在汽机内膨胀做功后，通常进入湿蒸汽区，形成可能损害汽轮机叶片的液滴。

? 朗肯循环是一个理想循环，其忽略了四个过程中的摩擦损失。这些损失通常很小，在初始分析时可完全忽略。朗肯循环由四个理想过程组成，其T-s图如图1-5(b)所示：1→2为泵内等熵压缩过程；2→3为炉内定压吸热过程；3→4为汽轮机内等熵膨胀做功过程；4→1为凝汽器内定压放热过程。

? 泵用于提高饱和液体的压强。事实上，状态1和状态2几乎完全一样，因为由2点开始的较高压强下的吸热过程线非常接近饱和曲线，图中仅为了解释说明的需要分别标出。锅炉（也称蒸汽发生器）和凝汽器均为换热器，它们既不需要功也不产生功。

如果忽略动能和势能的变化，输出的净功等于T-s图曲线下面的面积，即图1-5(b)中1-2-3-4-1所包围的面积，由用热力学第一定律可证明 。循环过程中工质的吸热量对应面积a-2-3-b-a。因此，朗肯循环的热效率可表示为

即，热效率h等于输出能量除以输入能量（所购能量）。显然，通过增大分子或减小分母均可以提高热效率。这可以通过增大泵出口压强p2，提高锅炉出口温度T3，或降低汽机出口压强p4来实现。

1.1.8 再热循环

? 对于一个处于高锅炉压强和低凝汽器压强条件下的朗肯循环，显然，很难阻止液滴在汽轮机低压部分的形成。由于大多数金属不能承受600℃以上的高温，因此，通常采用再热循环来防止液滴的形成。

? 再热过程如下：经过汽轮机的部分蒸汽在某中间压强下被再热，从而提高蒸汽温度，直至达到状态5，如图1-6所示。然后这部分蒸汽进入汽轮机低压缸，而后进入凝汽器（状态6）。

? 再热循环方式可以控制或者完全消除汽轮机中的湿蒸汽问题，因此，通常汽轮机分成高压缸和低压缸两部分。

虽然再热循环不会显著影响循环热效率，但带来了显著的额外的输出功，如图1-6中的面积4-5-6-4￠-4所示。当然，再热循环需要一笔可观的投资来购置额外的设备，这些设备的使用效果必须通过与多增加的输出功进行经济性分析来判定。如果不采用再热循环来避免液滴的形成，则凝汽器出口压强必须相当地高，因而导致循环热效率较低。在这种意义上，与无再热循环且高凝汽器出口压强的循环相比，再热可以显著提高循环效率。

1.2 流体力学基础

? 流体运动表现出多种不同的运动形式。有些可以简单描述，而其它的则需要完全理解其内在的物理规律。在工程应用中，尽量简单地描述流体运动是非常重要的。简化程度通常取决于对精确度的要求，通常可以接受±10%左右的误差，而有些工程应用则要求较高的精度。描述运动的一般性方程通常很难求解，因此，工程师有责任了解可以进行哪些简化的假设。当然，这需要丰富的经验，更重要的是要深刻理解流动所涉及的物理内涵。

一些常见的用来简化流动状态的假设是与流体性质有关系的。例如，黏性在某些条件下对流体有显著的影响；而在其它条件下，忽略黏性效应的影响可以大大地简化方程，但并不会显著改变计算结果。众所周知，气体速度很高时必须考虑其压缩性，但在预测风力对建筑物的影响程度，或者预测受风力直接影响的其它物理量时，可以不计空气的压缩性。学完流体运动学之后，可以更明显地看出采用了哪些恰当的假设。这里，将介绍一些重要的用来分析流体力学问题的一般性方法，并简要介绍不同类型的流动。

1.2.1 拉格朗日运动描述和欧拉运动描述

描述流场时，将着眼点放在流体质点上是非常方便的。每个质点都包含了微小质量的流体，它由大量分子组成。质点占据很小的体积，并随流体流动而移动。对不可压缩流体，其体积大小不变，但可能发生形变。对可压缩流体，不但体积发生形变，而且大小也将改变。在上述两种情况下，均将所有质点看作一个整体在流场中运动。

? 质点力学主要研究单个质点，质点运动是时间的函数。任一质点的位移、速度和加速度可表示为s(x0, y0, z0, t)，V(x0, y0, z0, t)，a(x0, y0, z0, t)，其它相关参量也可计算。坐标(x0, y0, z0)表示质点的起始位置，也是每个质点的名字。这就是拉格朗日运动描述，以约瑟夫×Ｌ×拉格朗日的名字命名，该描述方法通常用于质点动力学分析。拉格朗日法跟踪多个质点的运动过程并考虑质点间的相互作用。然而，由于实际流体包含质点数目巨大，因而采用拉格朗日法研究流体流动则非常困难。

与分别跟踪每个流体质点不同的另一种方法是将着眼点放在空间点上，然后观察质点经过每个空间点时的质点速度，由此可以得到质点流经各空间点时的速度变化率，即?V/?x，?V/?y，?V/?z；还可以判断某一点上的速度是否随时间变化，即计算?V/?t。这种描述方法称为欧拉运动描述，以莱昂哈德×欧拉的名字命名。在欧拉法中，速度等流动参数是空间和时间的函数。在直角笛卡儿坐标系中，速度表示为V=V(x, y, z, t)。我们所研究的流动区域称为流场。

1.2.2 迹线和流线

? 可采用两种不同的流动线来帮助我们描述流场。迹线是某一给定质点在流场中运动时所经过的不同空间点形成的轨迹，它记录了质点的“历史”位置。一定曝光时间下可以拍得发亮粒子的运动迹线。

? 流线是流场中具有这样特性的线：任一质点在流线上某点处的速度矢量与该流线相切，即V′dr=0。这是因为V和dr具有相同的方向，而具有相同方向的两个矢量的叉乘积等于零。同迹线相比，流线不能直接由相机拍摄获得。对于一般的非定常流动，根据大量质点的短迹线相片可以推断出流线的形状。

1.2.3 一维、二维和三维流动

? 一般来说，欧拉运动描述中的速度矢量取决于三个空间变量和时间变量，即V=V(x, y, z, t)。这样的流动称为三维流动，因为速度矢量依赖于三个空间坐标。三维流动的求解非常困难，并且也超出了序言的范围。即使假设流动为定常的（如，V=V(x, y, z)），该流动仍为三维流动。

? 三维流动常常可以近似成二维流动。例如，对于一个很宽的大坝，受坝两端条件的影响，水流经大坝时的流动为三维流动；但远离坝端的中间部分的流动可看作是二维的。一般来说，二维流动是指其速度矢量只取决于两个空间坐标的流动。平面流动即是如此，速度矢量只依赖于x，y两个空间坐标，而与z坐标无关（如，V=V(x, y)）。

? 一维流动的速度矢量只依赖于一个空间坐标。这类流动常发生在长直管内和平行平板间。管内流动的速度只随到管轴的距离变化，即u=u(r)。平行平板间的速度也只与y坐标有关，即u=u(y)。即使流动为非定常流动，如启动时的情形，u=u(y, t)，但该流动仍是一维的。

对于完全发展的流动，其速度轮廓线并不随流动方向上的空间坐标而改变。这要求研究区域要远离入口处或几何形状突然改变的区域。有许多流体力学方面的工程问题，其流场可以简化为均匀流动：速度和其它流体特性参数在整个区域内均为常数。这种简化只对速度在整个区域内均保持不变时才成立，而且这种情况非常普遍。例如：管内的高速流动和溪水的流动。平均速度可能从一个断面到另一个断面有所不同，而流动条件仅取决于流动方向上的空间变量。

1.2.4 牛顿流体和非牛顿流体

? 牛顿流体是指应力与变形率关系曲线为过坐标圆点的直线的流体。直线的斜率称为黏度。用τ=μdu/dy这个简单的关系式来描述牛顿流体的特性。τ为流体施加的切向应力，μ为流体的动力黏度，du/dy为垂直于切应力方向上的速度梯度。

如果流体不满足上述关系式，则被称为非牛顿流体，它包括以下几种类型：聚合物溶液、聚合物熔体、固体悬浮物和高黏度流体。在非牛顿流体中，切向应力和变形率成非线性关系，甚至可能是非定常的，因此不能定义恒定的黏度系数。但可以定义切向应力和变形率的比值(或随切向应力变化的黏度)，这个概念对不具有时间相关性行为的流体非常有用。

1.2.5 黏性和非黏性流动

? 流体的流动可大致分为黏性流动和非黏性流动。非黏性流动是指黏性作用对流动的影响很小、可被忽略的流动。而在黏性流动中，黏度的影响极为重要，不容忽视。

? 为了模拟分析非黏性流动，简单地让黏度为零即可，这显然忽略了一切黏性作用。在实验室中，制造非黏性流动则非常困难，因为所有的流体（例如水和空气）都有黏性。然后问题变为：是否存在我们感兴趣的、且黏性影响微乎其微的流动？答案是：“存在，只要流动中的切向应力很小，而且其作用范围小到不会显著影响流场就可以”。当然，这种描述非常笼统，需要大量的分析以证明无黏性流动假设是正确的。

根据经验，发现可以用于模拟非黏性流动的基本流动为外部流动，即存在于物体外部的流动。非黏性流动对于绕流线型物体的研究非常重要，如绕流机翼或水翼。任何可能存在的黏性影响只限于薄薄的一层之内，称之为边界层，它紧贴物体的表面，如图1-7所示。受黏性的影响，边界层内固定壁面处的速度始终为零。对于许多流动情形，边界层非常薄，当研究绕流线型流动的总体特征时，可以忽略边界层的影响。例如，对绕翼型的流动，除了边界层内和可能接近尾缘的区域之外，非黏性流动解与实际情况非常吻合。管道系统中收缩段的流动，以及内部流动中黏性影响均可忽略不计的小段区域都可简化成非黏性流动。

内流中的很大一部分情形都属于黏性流动，如管道流、暗渠流以及明渠流。在这些流动中，黏性作用造成相当大的“损失”，以此解释了管道输运石油和天然气必定耗费大量的能源。无滑移条件使得壁面处的速度为零，由此产生的切应力，直接导致这些损失的产生。

1.2.6 层流和紊流

? 黏性流动可分为层流和紊流。在层流中，流体与周围流体质点无明显的混合。如果在流动中注入染料，除了分子运动的影响外，流体质点不与周围流体混合，并将在相当长的一段时间内保持其状态。黏性切应力始终影响层流流动。层流可以是高度非定常的，也可以是定常的。

在紊流中，流体运动作不规则地变化，速度和压强等参数的大小在时间和空间坐标上呈现随机变化，这些物理量往往通过统计平均值来描述。在这个意义上，可定义“定常”紊流：即时均值不随时间变化的紊流。注入紊流中的染料在流体质点随机运动的作用下，迅速与周围流体进行掺混，染料在此扩散过程中很快就会消散而变得无法识别。层流和紊流可用一个水龙头进行简单实验来观察其流动状态。打开水龙头，这时的水流正如静静的小溪一样，流动得非常缓慢，此时的流动状态就是层流；慢慢开大水龙头，观察到流动逐渐变得紊乱。注意，紊流从相对较小的流量下开始发展而成。

? 流动状态依赖于三个描述流动条件的物理参数。第一个参数是流场的特征长度，如边界层厚度或管道直径。如果这个特征长度尺度足够大，流动中的扰动可能会逐渐增大，从而使得流动转变为紊流。第二个参数是特征速度，如空间平均流速，足够大的流速将导致紊流的产生。第三个参数是运动黏度，流体的黏性越小，紊流的可能性越大。

上述三个参数可以整理成一个参数，用于预测流动状态。这个参数就是雷诺数，以奥斯本×雷诺的名字命名，该参数为无量纲参数，定义为Re=VL/n，式中，L和V分别为特征长度和特征速度，n为运动黏度。例如，在管道流中，L为管径，V为平均速度。如果雷诺数相对较小，流动为层流；如果雷诺数较大，则为紊流。通过定义临界雷诺数Recrit，可更加精确地进行表述，当Re

对于平板上的边界层，由于来流为均匀来流，其特征长度随到前缘点的距离x而变化。计算雷诺数时采用长度x作为特征长度。在某一特定的xT下，Re变为Recrit，流动从层流过渡到紊流。处于均匀流中的光滑刚性平板，且自由来流的脉动水平较低时，已观测到的临界雷诺数高达106。在大多数工程应用中，通常假设壁面为粗糙壁面，或者自由来流的脉动水平较高时，相应的临界雷诺数约为3×105。

1.3 传热学基础

传热学是一门研究在存在温差的物体间发生能量传递的科学。热力学中将这种方式传递的能量定义为热量。传热学不仅可以解释热量传递是如何传递的，而且可以计算在特定条件下的传热速率。事实上，传热速率正是一个分析所期望的目标，它指明了传热学和热力学间的差别。热力学处理的是平衡状态下的系统，它可计算当系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态时所需要的能量，但不能解决系统处于过渡过程的非平衡状态时能量变化的快慢程度。传热学提供了可用于计算传热速率的实验关联式，从而对热力学第一定律和第二定律进行补充。这里，我们介绍热量传递的三种方式和不同型式的换热器。

1.3.1 热传导

? 当物体内部存在温度梯度时，经验表明，就有能量从高温区向低温区传递。我们说，此时的能量通过传导进行传递，单位面积上的传热速率

与法向温度梯度成正比，即q/A~?T/?x。引入比例系数，则有 （1-3）

其中q是热流量，?T/?x是热流方向上的温度梯度，正常数l称为材料的导热系数。方程中插入的负号表示热传导过程应满足热力学第二定律，即热量必须沿温度降低的方向传递。式(1-3)称为傅立叶导热定律，以法国数理学家约瑟夫×傅立叶的名字命名，傅立叶在导热的分析处理方面做出了极其重大的贡献。值得注意的是，式(1-3)也是导热系数的定义式，在典型的单位体系中，当热流量q的单位为W时，l的单位为W/(m×℃)。

1.3.2 对流换热

? 众所周知，与热金属板放置在静止的空气中相比，放置在转动的风扇前的热金属板会更快地冷却。我们说热量通过对流进行传递，称此类换热过程为对流换热。对流这个术语给读者提供了有关传热过程的直观概念，然而，必须扩展这种直观概念，使我们可以达到对某一问题进行充分的分析和处理。例如，我们知道流过热平板的空气速度会明显影响其传热量，但它是以线性方式影响冷却的吗？即如果速度增加一倍，传热量也会增加一倍吗？我们猜想，如果用水代替空气冷却热平板，传热量可能有所不同，但是，二者的差异会有多少呢？这些问题在了解一些非常基本的分析后，可得以回答。现在，我们来简要描述对流换热的物理机理，并且说明它和传导过程的联系。

? 被加热的平板如图1-8所示，平板的温度为Tw，流体的温度为T∞。速度分布如图所示，受黏性作用，平板上的速度减小为零。因为壁面处流动薄层的速度为零，因此，在该点上热量只能以导热方式传递。因此，可以利用式(1-3)，以及壁面上的流体导热系数和温度梯度来计算传热量。如果热量在该层经导热传递，那么，为什么我们要谈及对流换热以及需要考虑流体速度的影响呢？答案是，温度梯度依赖于流体带走热量的速度，较高的流速将产生较大的温度梯度。因此，壁面上的温度梯度依赖于流场的变化，在以后的分析中，我们将建立这二者间的关系。然而，必须记住，壁面上传热的物理机理是一导热过程。

如果将热平板置于没有外部风源的房间空气中，平板附近的密度梯度将造成空气运动。我们称此换热过程为自然对流，以区别于风扇吹扫平板表面时形成的强制对流。沸腾和凝结现象也属于对流换热的范畴。

1.3.3 辐射换热

对于导热和对流换热，其热量传递需要介质才得以进行，与此不同的是，热量也可以在完全真空中传递，其传热机理是电磁辐射。我们将讨论限定在由温差导致的电磁辐射，即所谓的热辐射。

2. 2 Development of Utility Boiler

现代660MW燃煤锅炉有大约6000吨的压力部件，包括500千米的受热面管材，3.5千米连接管与联箱和30000个管接头焊口。

这是经过大约50年发展的结果，并形成了煤粉在具有蒸发管束的炉膛燃烧，烟气然后流经对流过热器和热回收表面的基本概念并保留至今。蒸汽参数的提高，机组容量的增大及燃料燃烧特性的改进都要求在材料、制造技术和运行程序上相应发展。

二战后的一些年里，在电厂安装锅炉的数量多于汽轮机是很常见的，锅炉提供蒸汽到母管然后到汽机。这种布置反应了锅炉的可用性低于汽轮机。四十年代后期，随着锅炉可用性的提高，锅炉和汽机开始可以相互配套使用。

锅炉和汽机成套的变化使得再热成为可行，而且伴随着高温钢材的应用，经过蒸汽参数的不断提高，达到了当前的标准循环2400lbf/in2(165.5bar)，568℃和再热568℃。为充分利用更高的蒸汽参数和获得经济容量，在接下来的15年，机组容量又增加了20倍。

2.3 燃料与燃烧

大部分锅炉以煤、天然气和石油作为燃料。然而，在过去的几十年里，至少在发电领域核能开始扮演一个主要角色。

同样，不断增加的各种生物质和过程副产品也成为蒸汽生产的热源。这些包括泥煤、木材及木材废弃物、稻草、咖啡渣、稻谷壳、煤矿废弃物（煤屑）、炼钢炉废热甚至太阳能。

现代美国中心电站用燃料主要是煤，或是烟煤、次烟煤或是褐煤。

虽然天然气和燃油也许是未来化石燃料电厂的燃料选择，但煤仍然是今后新的，基本负荷电站锅炉的主要燃料。

2.3.1 煤的分类

? 由于煤是一种不均匀的物质，且其组成和特性变动很大，所以建立煤的分类系统是很必要的。中国煤的性质如表2-1所示。以煤阶进行煤的分类是典型的做法。这表现为煤化程度的大小：从褐煤到贫煤、烟煤以及无烟煤。煤阶表明了煤的地质历史和主要特性。

现在美国应用的煤分类标准是由美国材料试验学会（ASTM）建立的。其分类是通过煤的工业分析所确定的挥发分和固定碳的含量以及煤的发热量作为分类标准。这套系统目的在于确定煤的商业使用价值，并提供关于煤燃烧特性的基本信息。

2.3.2 燃烧系统

锅炉内化石燃料燃烧以产生蒸汽的技术已成熟多年。然而，在过去的二十多年中，为了将大气排放和污染降到可行的最低程度，燃烧技术得到了很大程度的提高。

油燃烧系统

所有的电站锅炉都燃用油，在燃煤锅炉中点燃煤粉，在煤进入炉膛之前加热炉膛并升压，而在燃油锅炉中则作为主要负荷燃料。一般地，燃油都是粘度在3500 sec到6500sec的残渣燃料油。为了有效的燃烧，这些油必须被加热到120~130℃并被良好地分散或雾化成很小的微滴

? 燃用渣油，要比一般的馏分油（柴油，汽油等）便宜，但又带来一些问题：酸性污染物和粉尘的排放。酸性污染问题是由石油中的硫产生的，硫分的含量有时可高达3%。在20世纪60年代早期，人们对油燃烧器设计进行了深入研究和开发，目的在于解决燃油的排放问题。由此诞生了一种油燃烧器——“标准燃烧器”，它可以在非常低的过量空气系数下减少碳排放。为保证锅炉中每个燃烧器获得同样多的空气也做了大量的工作。目前油燃烧过量空气系数运行水平为2%。

煤燃烧系统

煤燃烧器的发展模式同油燃烧器类似，而且重点放在准确控制每只燃烧器煤和油的供给量。实际中所有的燃煤锅炉都是燃烧煤粉（由磨煤机生产），这些煤粉经过很好的粉碎，然后由空气流（一次风）送入燃烧器。同以前相比，在流动平衡上的设计成果现在已能使锅炉在较低的过量空气水平下运行，并在不增加飞灰含碳量水平的情况下提高了总的效率

煤燃烧系统部件的布置必须根据经济因素和煤的性质来确定。作为整个燃烧系统设计的性能参数，煤粉细度、磨煤机出口温度、空煤比等都必须达到要求。

低NOx燃烧系统

影响NOx生成的因素包括燃料含氮量、火焰峰值温度、火焰中的可用氧量以及气流在锅炉系统中的停留时间。当煤进入炉膛其化学结构被破坏时，

一些煤中的化合氮就作为挥发分被释放出来。

由大气中的氮生成的一氧化氮即“热力型NOx”可以通过减少烟气在高温区域的停留时间而得到控制，这样就会控制燃烧阶段中可用氧量，最后生成的是无害氮而不是NOx。

因为煤在燃烧区的燃烧需要一定的过量氧气以便使所有的碳燃尽，且不含氮的煤是难以获得的，因此NOx的减少必须依靠锅炉和燃烧器的设计来完成。

天然气燃烧系统

天然气曾经作为电厂主要燃料。然而一些年来，没有太多的天然气可供电厂使用，并且人们没有正视这样的事实，即天然气作为一种优质燃料将会重新得到大量应用。

丙烷常常作为一种点火剂，广泛地应用于燃油锅炉和燃煤锅炉中的油燃烧器。

2.3.3 流化床燃烧

? 流化床燃烧是煤粉燃烧方式的一种，采用这种燃烧方式时煤在空气中的燃烧发生在流化床中，典型的是循环流化床。循环流化床最适合于燃烧低成本废弃燃料、 低品质或低热量煤。将煤粒和石灰石投入到床中，石灰石在床内煅烧成石灰。流化床中主要是石灰和少量的煤，煤焦在其中循环。运行中的床温很低，只有427℃ (800℉)，在这个温度下的热力学环境有利于减少NOx的形成和捕集SO2，使之与CaO 反应生成CaSO4。 对于煤燃烧，蒸汽循环可以是亚临界，也可能是超临界，它们具有相近的发电效率。循环流化床技术的最大的优点是它在床中捕捉SO2的能力和它对煤质的广泛适应性，其中包括低热量煤、高灰分煤和低挥发分煤，并且在运行中可以改变煤种。循环流化床锅炉适合与生物质共燃，最近就新建了几台燃烧褐煤的循环流化床机组。

如图2-1所示，目前最常用的流化床技术是循环流化床燃烧技术。煤和煤焦燃烧的同时，空气携带煤、煤焦、煤灰和脱硫剂通过炉膛。固体材料通过旋风分离器从烟气中分离出来，然后通过对流烟道部分，烟气把热量传给炉管以产生高压蒸汽。

另一部分蒸汽是由流化床中的高温固体在返回炉膛前放出热量产生的。炉膛内固体快速运动会引起过量的磨损，因此炉膛底部不安装炉管。通过低燃烧温度和空气分级燃烧来控制NOx的生成。SOx排放通过床中石灰脱硫剂控制。这些为烟气净化节省了大笔的投资，但是低的SOx排放需要燃烧低硫分煤，并且NOx的排放受燃烧反应的限制。

极低的排放需要额外的烟气净化设备，同时会增加相应的维护成本。在中国最大的流化床锅炉是330MWe，设计最大的锅炉是600 MWe，但是还没有投建。

2.4 制粉系统

煤粉制备与煤粉燃烧技术的发展是同步的。为了使煤在炉膛中有效燃烧，煤在离开燃烧器时必须被粉碎到一定的大小，这样才能迅速燃烧，这就意味着煤必须被加工成小颗粒，才能被迅速加热到着火温度并和空气良好混合。

? 磨煤机的工作就是把煤磨碎到符合上述要求的合适的大小。较早的系统使用筒式球磨机磨煤粉，并且在燃烧前利用储仓暂时储存煤粉。如果对该技术进行改进，去掉中间储仓而将从磨煤机出来的煤粉直接送去燃烧，就会对磨煤机的可靠性有很高的要求。

正压制粉系统中，提供煤粉输送介质的一次风机位于磨煤机前，因而它运送的是清洁空气，不会像排粉风机一样受到侵蚀磨损。这是正压磨煤系统的主要优点。然而，磨煤机需要由单独风机提供高于磨煤机内部压力的密封空气。

正压磨煤机的一个缺点是它必须完全由空气密封以避免煤粉泄露到大气中。相对来说，负压磨煤机的密封标准并不需要这样高，但也不允许漏入过多空气，因为冷空气难以干燥湿煤。这种方式泄露的空气量也无法测量，如果达到高的空/煤比，遇到明火则可能发生爆炸。

2.4.1 中速磨

磨辊在一层耐磨层上滚动，通过移动的磨盘把煤压碎。磨辊的运动引起煤粒间的相互运动同时磨辊的压力在煤粒间形成压力负荷。一定压力下在煤粒层上的运动引起摩擦（煤粒依靠摩擦力破碎），这就是磨煤机的工作原理。

耐磨层具有缓冲作用，虽然降低了磨的效率，但也大大降低了磨辊的磨损。当磨煤区的工作面间距离很近时，比如到了一个颗粒大小，三个部件（磨辊，颗粒，磨盘）间的磨损就会大大增加，磨损速率会是正常磨煤机的100倍。当带有石英的石头尺寸等于或大于磨层厚度时，也会在运行中发生三部件接触的磨损。

随着磨煤的进行，为了防止过度磨制和降低能耗及磨损，磨好的煤粉从磨煤机中排出。图2-2是MPS型中速磨的示意图，显示了中速磨煤机的基本组成。在磨煤机下部有一个转动的台面，称为辊胎的辊子在台面上滚动。

? 原煤由上部的磨煤机给入，然后在磨辊和转动的磨盘间经过，磨辊下的煤就被磨碎了。离心力加上磨辊对煤层的沉降力共同作用，将部分磨好的煤粉挤出磨盘边缘，由上升的空气流流化并携带这些煤粉。

空气进入点一般称为进风环，喷嘴环或者喉部。上升的空气流与煤粒混合在进风环上面产生流化的颗粒床。空气的流速很低，以至于只能携带少部分的煤粒通过床层过滤。空气和煤粒离开流化床形成了第一步的分离。预热的空气同时干燥煤粉以保证煤粉的有效燃烧。

立式中速磨是有效的干燥装置。即使煤中水分到40%也能在中速磨中很好地得到干燥，干燥水分再高些的煤粉也是可能的，但是需要的一次风温度则要求使用特殊材料，并且增加了磨煤机着火的可能。实际运行的水分最大值是40%（质量），此时要求一次风温高达750℉。

? 空气煤粉向上流动时，由于流动面积增大使流动速度降低，大粒径的煤粒就会回落到磨盘上。最后的煤粉分离采用磨煤机上部的粗粉分离器，粗粉分离器是利用离心力的分离装置。风粉混合物以一定角度进入，从而发生旋转并产生离心力。粗一点的煤粉冲击到分离器的周边，不再保持悬浮状态而回落到磨盘上。风粉混合物中的细煤粉颗粒保持悬浮状态，并最终上升进入煤粉管。

2.4.2 低速磨

? 筒式钢球磨是现在仍在使用的最早的磨煤机。它是一个卧式的筒体，里面装有小直径的钢球。 筒体内衬耐磨材料以加强球的滚动，球占筒体总容积的25%到30%。转速取离心力可以克服重力时速度的80%，这样可以使钢球贴在筒体的内壁上。通过筒体转动时钢球的碰撞来实现煤粉的磨制。

筒式钢球磨有单进单出和双进双出两种。对于单进单出型，空气和煤从一端进入从另一端流出。双进双出型磨煤机是空气和原煤从两端进入，磨好的干燥的煤粉从两端流出。对于这两种类型，粗粉分离器布置于磨煤机的外部，粒径过大的粗粉被送回到磨煤机与原煤混合。筒式钢球磨不具有类似立式磨的流化床特点，同时由于空气和煤粉的混合不均匀限制了干燥能力。如果筒式钢球磨要磨的煤中水分高于20%，就必须使用辅助的干燥装置，比如破碎干燥机。

对新建锅炉来说，中速磨已经大量的取代了筒式钢球磨。相对于中速磨，筒式钢球磨往往需要大的建筑空间和较高的能耗。同时，筒式钢球磨难于

控制且有较高的磨损速度。但是，筒式钢球磨能很好的适应极具磨损作用的、低水分的难磨燃料，比如石油焦。煤在其中较长的停留时间可以实现有效的磨制。

2.4.3制粉系统

磨煤机只是庞大的制粉系统的一部分，制粉系统一般有直吹式和中储式两种。在直吹式系统中，从磨煤机出来的煤粉直接参与燃烧过程，同时参与的还有空气、水蒸汽和通入磨煤机的热能。中储式系统把煤粉从空气、水蒸汽和通入磨煤机的能量中分离开再去燃烧。储仓中的煤粉由新的一次风输送到燃烧设备。目前生产蒸汽的过程中很少采用中储式制粉系统，但是很多特殊的场合仍然需要，比如煤气化和高炉投煤。目前在美国运行的中速磨大约有1000台，其中99%以上的是直吹式系统。

直吹式系统的主要部件有：

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? (1) 给煤机，通过煤仓调节进入磨煤机的给煤量。 (2) 热源，用来预热干燥煤粉的一次风 (3) 一次风机，典型的情况是作为鼓风机布置于磨煤机之前（正压系统），或作为排粉风机位于磨煤机之后（负压系统） (4) 磨煤机，作为正压系统或负压系统的主体部分。 (5) 管路，把煤和一次风从磨煤机输送到燃烧器 (6) 燃烧器，混合煤粉和平衡燃烧空气 (7) 控制和调节装置

根据工程的经济性，以上部件可以按照不同的形式布置。在正压系统中，需要做出选择，是采用热一次风风机（每个磨一个风机），还是采用冷风风机（布置在特定的空气加热器前面）。热风输送系统初始投资费用较低，因为不需要特定的空气加热器。对大型机组而言，冷风风机系统具有较低的运行费用，可以补偿较高的初始投资。

中速磨这个术语是指空气引入到磨煤机中作为一次风用来干燥和输送煤粉。一次风的控制对制粉系统的正常运行是非常重要的。不管是直吹式还是中储式制粉系统，也不管采用热风还是冷风风机系统都需要普遍的控制。必须控制一次风量和磨煤机出口温度，这个控制由三个相互联系的节气阀来实现。

其中的两个是热和冷的节气阀，用来调节磨煤机的空气温度，这些节气阀通常是相互关联的，从而保证一个开启另一个则关闭。第三个节气阀是独立的，用来控制空气容积。一些生产商只采用两个节气阀，但是缺乏稳定性，而变负荷时的低反应能力抵消了初投资的减少带来的好处。

2.5.1 炉膛

? 炉膛是一个四周封闭的开口大空间，燃料在其中燃烧，产生的烟气在进入对流烟道前得到冷却。离开炉膛进入管束的烟气温度过高则会导致烟尘微粒沉积在管壁上或使金属管壁超温。燃料和燃烧设备的类型对炉膛的几何形状和尺寸影响很大。在这种情况下，磨细的煤粉被送入炉膛悬浮燃烧。燃烧产物上升穿过炉膛上部。过热器、再热器和省煤器等受热面被特定布置于锅炉围墙内部的水平或垂直烟道内（对流烟道）。

在现代蒸汽发生器中，炉膛和对流烟道的炉墙是由碳钢或低合金钢的汽冷或水冷壁组成，以维持炉墙的金属温度在允许的范围内。这些管子在顶部和底部由联箱或母管连接在一起。这些联箱用来分配或收集水、蒸汽或汽水混合物。在最现代化的机组中，炉墙管道也作为主要的产生蒸汽的部件或受热面。这些管子用钢条焊接在一起，组成气密的、连续的、刚性的膜式墙。这些管道通常预制成可装运的膜板，并且板上留有燃烧器口、观察孔、吹灰器口（锅炉清洁设备）和燃气喷入口。

2.5.2 过热器和再热器

? 过热器和再热器被专门设计成顺列管束，用来提高饱和蒸汽的温度。一般形式下，它们是简单的单相换热器，蒸汽在管道内流动，烟气从外面经过，通常二者是交叉流动。由于其较高的运行温度，这些关键的部件一般用合金钢制造。典型的布置通常有利于控制出口蒸汽的温度，保持金属温度低于其可接受的极限和控制蒸汽流动的压力损失。

? 过热器和再热器的主要区别是蒸汽压力。在典型的汽包锅炉中，过热器的出口压力为2700psi（186bar），而再热器的出口压力为580psi（40bar）。受热面的结构设计和布置取决于所要求的出口温度、吸热量、燃料的灰分特性和清洁设备。这些受热面可以呈水平或垂直布置。过热器和有的再热器经常被分为几段以利于控制蒸汽温度和优化热量回收。

过热器的类型

根据烟气侧的传热方式，过热器可分为两种基本类型。最初的一种是对流过热器，从烟气吸收的辐射热量很小。在这样的机组中，蒸汽温度随锅炉负荷的增加而升高，这是因为炉膛吸收单位输入热量的百分比下降。这导致过热器吸收了更多的热量。因为对流传热速率几乎与烟气流率即锅炉负荷成直线关系，因此，过热器中每磅蒸汽的总吸热量以及蒸汽的温度都会随锅炉负荷而增长（见图2-5）。过热器布置得离炉膛越远，进入过热器的烟气温度越低，这种效果越明显。

辐射式过热器主要吸收来自炉膛的辐射热，对流传热量很少。一般采用较大间距（24英寸或很大的侧边距）的屏式凝渣管或悬吊屏式过热器的型式布置于炉膛中。有时这种过热器和包墙管组合成一体。因为炉膛受热面吸热不如锅炉负荷增长快，所以随着锅炉负荷的增长辐射式过热汽温度反而下降，如图2-5所示

某些情况下，在较大的负荷范围内，这两条变化趋势相反的曲线可由一系列联合的辐射、对流过热器叠加为平缓的过热曲线，如图2-5所示。一个单独加热的过热器也能产生平缓的过热曲线。

辐射和对流式过热器的设计需要特别注意避免因蒸汽和烟气流量分配不均而造成的管子超温。一般过热器中有100,000到1,000,000lb/hft2(136到1356kg/m2s)或更多的蒸汽质量流量。这种设置是在允许压降的范围内对管子内部进行充分的冷却。质量流量的选择取决于蒸汽的压力和温度，还有过热器的热负荷。此外，高速下的高压损会改善蒸汽侧流场分布。

2.5.3 省煤器和空气预热器

省煤器和空气预热器在提高锅炉总的热效率方面发挥着重要作用, 它们回收了排入大气前烟气中的低品位热量，也就是低温热量。烟气被省煤器或空气预热器冷却每40℉（22℃），总的锅炉效率就会被提高大约1%。省煤器吸热加热锅炉给水，空气预热器则是加热燃烧空气。热空气强化了多种燃料的燃烧，并保证了稳定的着火。

省煤器

? 省煤器是一种逆流布置的热交换器，在流过过热器或再热器（如果使用）的烟气中获取能量。它提高了汽包进水的温度。其管束布置是一种典型的平行水平蛇形管束，水在管内流动而烟气在外侧反方向（逆流）流动。管子间尽量紧密以强化传热，同时要求有足够的管子表面清洁空间和

合理的烟气侧压损。根据设计，这些管子内一般不会产生蒸汽。

最普通、最可靠的省煤器设计就是光管、顺列、交叉流省煤器（如图2-6）。煤燃烧后，飞灰就会产生一种高污垢、侵蚀的环境。相对于如图2-6的错列布置，这些顺列布置的光管就会尽可能减少飞灰粘附、侵蚀的可能性。这也是通过吹灰器保持清洁的最简单的几何形状。然而，这种布置的好处必须要结合它大重量、大空间以及造价进行综合评估

为减少投资，大多数锅炉省煤器应用了各种鳍片以强化烟气侧的传热效率。鳍片是廉价的非承压物件，它可减少省煤器的总尺寸和造价。然而，成功的应用对于烟气环境是非常敏感的。表面的清洁能力是一关键因素。

空气预热器

空气预热器是利用经过省煤器的锅炉烟气携带的热量加热燃烧空气，并提供干燥煤粉的热空气。在燃煤电厂中，空气预热器的出口温度受限于磨煤机的出口温度和调温风系统容量，烟气出口温度则要考虑传热表面的污染和后面设备的腐蚀情况。

在较老的锅炉中一般采用管式或板式空预器，体积大，很难清理，而且坏损的传热表面不易替换。现代锅炉都采用回转式。

回转式空气预热器的最大特点是显著地节省了空间。回转式空预器采用紧密的受热面布置方式，必须采用性能良好的吹灰器使其保持清洁。

受热面由压制成特殊形状的钢板或考登钢板组成。这些板子厚0.5到0.8mm，一般被压紧并装进置于支撑结构上的钢制仓体。这些板子的形状经过优化，具有很高的传热效率，同时要在使用吹灰器充分保持清洁的情况下保证压损最小。

一台660MW的单元机组配有两台空气预热器，每台直径14.6m，重约500吨。传热元件的表面积总共约100,000平方米。燃煤电厂典型的温度应是烟气进口335℃，出口120℃，空气进口32℃，出口290℃。空气预热器的性能主要表现在传热效率、压损以及空气对烟气侧的泄漏上。

? 前两项能被理想的表示为一组无量纲数：雷诺数、普朗特数和斯坦顿数的关系。通过实验室规模试验可以确立每种空气预热器组件的关系式。这就可以进行优化设计，估算新开发部件的几何性能，以及评估由于灰污问题而需使用替代部件的效果。

2.6 锅炉在线吹灰

是否高效的燃烧化石燃料来生产电力很大程度上取决于蒸汽产生设备对煤燃烧产物（煤灰）的适应性。吹灰器用来吹扫沉积在锅炉受热面上的积灰来保证有效地向蒸汽传热。在英国吹灰介质大部分用蒸汽而在美国一般用空气。

2.7 能量守恒

? 由热力学第一定律，蒸汽发生器系统的能量平衡如下所述：

进入系统的能量 － 离开系统的能量 = 系统内部能量的积累

? 因为蒸汽发生器应在稳态下检测，这样积累的能量就为0，其方程为：

进入系统的能量 = 离开系统的能量

进入系统的能量就是进入系统的质量流所携带的能量，以及辅助设备的驱动能量。离开系统的能量就是离开系统的质量流所携带的能量，以及通过蒸汽发生器表面传递给环境的能量。

? 效率为输出能量和输入能量的比值，以百分数的形式表示：

当输入能量定义为燃料释放的所有能量时，所得的效率通常称为燃料效率

2.7.1 效率-能量平衡法（反平衡法）

? 在能量平衡法中，采用能量损失和外来热量来计算效率。能量平衡法是确定效率的首选方法。因为测量误差仅影响着各项损失而不影响总能量，所以它一般情况下比输入－输出法更精确。例如：如总损失占总输入能量的10%，则1%的测量误差仅会导致0.1%的效率误差，而在测量燃料流量中1%的误差将会导致效率的1%的误差。

能量平衡法的另一个优点就是可以确认两次效率测试结果不同的原因，另外，对于诸如燃料分析数据等试验条件的变化，该方法可以容易的将效率修正到基准工况或保证工况。

2.7.2 效率-输入-输出法（正平衡法）

根据输入－输出法计算的效率是基于测定燃料量和计算输出能量所必需的锅炉汽水侧参数。该方法计算的效率的不确定度直接与燃料测量、样本燃料分析和锅炉输出能量求取等的不确定度成正比。所以，要获得可靠的结果，在精确测量上述各项时必须格外谨慎。

第4章 火力发电厂

4.1 简介

电站的生产过程利用的是一个封闭的蒸汽动力循环，在这个循环中伴随着水的各种热力过程。

有一半的循环包括锅炉（或热源）及其辅助设备；另一半的热力循环则包括汽轮机，发电机，凝汽器，给水泵及给水加热器。

在锅炉中给水被加热成干饱和蒸汽。干蒸汽进一步过热并进入汽轮机的高压缸。过热蒸汽在汽轮机中膨胀，很大比例的热能转化为带动汽轮机转子的动能。汽轮机转子带动发电机产生电能。做功后的蒸汽离开高压缸回到锅炉被再次加热。再热蒸汽进一步在汽轮机中压缸和低压缸中膨胀做功，然后进入凝汽器。

蒸汽在凝汽器这个大型表面式换热器中，通过释放汽化潜热给冷却水（CW）从而被冷凝。主蒸汽在凝汽器中被冷凝成很低压力下的接近饱和的水。凝结成的水从凝汽器排入热井。热井中的水被凝结水泵抽出，经过低压给水加热系统后进入锅炉给水泵。

在现代回热循环中，一部份蒸汽通过布置在汽轮机汽缸上的一系列位于选定的动叶级后的抽汽口进入到凝汽器和给水加热器中。这些蒸汽被用来加热低压加热器中的凝结水及高压加热器中的给水，这些加热器都属于表面式换热器。

给水经锅炉给水泵增压到高于汽包的压力，以足够克服给水经过锅炉汽水系统和高压给水加热系统的压力损失。至此整个循环就完成了。

4.1.1 应用过热的实际循环

朗肯循环向一个更实际的蒸汽循环的首次改进包括提高进入汽轮机蒸汽的温度和压力。

在过热蒸汽循环中，干饱和蒸汽离开锅炉汽包并进一步过热后才能进入汽轮机。由此，提高了循环的效率。这种过热循环选择与先前的朗肯循环具有相同的汽轮机排汽条件。然而，过热蒸汽的一个主要好处在于提高循环蒸汽的温度和压力，使得汽轮机的排汽湿度可以保持在所能承受的物理极限内。

4.1.2 再热循环

由于希望进一步增加循环的条件并由此提高循环效率，于是在汽轮机内的膨胀过程中增加蒸汽的再热循环。再热循环中，额定温度的蒸汽在汽轮机中部分地膨胀做功，然后回到锅炉，被再热到最初的额定温度左右。再热蒸汽进入汽轮机其余部分继续做功，之后进入凝汽器冷凝。

再热循环的引入相比过热循环提高了热效率。同时再热循环也降低了汽轮机排汽的湿度，但也由于增加再热系统进、出锅炉以及布置在炉内的管道带来了基建投资的增加。为了避免单缸情况下机组再热级之间的热梯度过大，汽轮机通常分为高压缸和低压缸。

4.1.3 回热加热系统 regenerative feedheating

要完成蒸汽循环的循环过程，必须对其包含的回热系统加以讨论。实际上，一定比例的蒸汽从汽轮机的不同部位被引出，用于加热给水，凝结后返回锅炉。凭借着抽汽释放所有的热量加热给水而很少或基本没有到凝汽器的热量损失，一个简单的朗肯循环能够提高其热效率，但同时由于抽汽没有在汽轮机中膨胀做功而产生一个较小的损失；然而，这项损失远小于循环效率提高所带来的好处。

安装的给水加热器的数量越多，热效率的提高也越多。 然而，随着给水加热器数量的增加，每台新增加热器得到的收益却会减少。

4.1.4 超临界机组

一个有效增加热效率的方式是提高蒸汽压力。自然循环锅炉的压力极限在2608.2psi (18MPa)左右，虽然压力较高时可能会用到强制循环，但要想提高电站的整体效率，压力需要被提高到3477.6psi (24MPa)左右，即在水或蒸汽的临界压力之上(3205.2psi (22.12 MPa))。尽管使用超临界压力要求在锅炉设计上进行特殊考虑，但对于汽轮机来说则是压力越高越好。

热效率的进一步改善也许能够通过提高蒸汽温度来获得。尽管有些电站工作在1049℉(565℃)，甚至一些早期投运电站的工作温度高达1166℉(630℃)，但是，全世界运营的大多数超临界电站都工作在1000.4℉(538℃)。在更高的温度下，经常通过使用两次中间再热来进一步地增加热效率。提高蒸汽温度除了带来增加效率的好处之外，还能够减少汽轮机排汽的湿度从这样先进的最初的情况将否则需要的高级的涡轮尾气水湿。

350-1000兆瓦中所谓的‘超超临界’电站的蒸汽参数为4491.9psi (31MPa)、1094℉(590℃)，并且有些被提高到5071.5psi (35MPa) 、1166℉ (630℃)，这些电站都具有两次中间再热循环，已经或即将投入运行。

两次中间再热循环的使用增加了系统的复杂程度。首先，必须增加额外的锅炉蒸汽温度控制系统，另外汽轮机必须有一个额外的汽缸，或者必须将联合汽缸用于前两次蒸汽膨胀做功。额外汽缸增加了设备的尺寸和费用，而联合的汽缸有可能带来两次膨胀做功之间密封的问题，或冷、热段再热温度过于接近的问题。

只要有足够的时间和资源，这些发展都不存在技术问题。 它们的实际应用依赖于潜在的客户，要让客户满意于效率提高的潜在回报，同时不伴随机组寿命、操作灵活性或可用性方面的额外风险。发展方案以及第一个实际大小的原型机组将为此提供必要的保证，方案包含全方位的研究、设计、装配测试，以及原型组件测试。

然而，引进这些电厂的速度尚不确定，这取决于电力需求、燃料成本、经济环境、可替代能源的范围，以及为延长现有电站寿命进行的改造等诸多因素。

4.2 现代蒸汽电厂

锅炉大多应用在电力生产或蒸汽供应这两方面。而某些情况下的应用，则是在发电的同时进行蒸汽供应，我们称之为热电联产。无论哪种应用，锅炉都是一个大系统中的重要组成部分之一。这个大系统的关键子系统包括燃料获取和制备、锅炉和燃烧、环境保护、汽轮发电机组和带有冷却塔的热量排放。

图4-1显示了能够满足当前低污染排放要求的先进的燃煤机组。燃煤机组中最主要的三大部分分别为：（1）锅炉部分，在这部分煤粉燃烧以在炉管中产生蒸汽；（2） 发电机部分，包括汽轮发电机组装置，控制蒸汽、凝汽器和冷却水系统。（3）烟气净化处理部分，除掉烟气中的颗粒物和标准规定的污染物。烟气净化处理部分包括选择性催化还原法脱硝装置，接着是去除颗粒物的电除尘器和湿法烟气脱硫装置。煤的选择、烟气系统的设计和运行都要保证污染物排放低于允许的水平。

燃料处理系统存放着燃料供应(在本例中的煤炭)，为燃烧准备燃料并且输入锅炉。辅助风系统通过送风机为燃烧器提供空气。锅炉子系统包含有空预器，涉及风煤混合物的燃烧和余热回收，并产生可控的高温、高压蒸汽。 经过空预器后的烟气进入除尘器和脱硫(SO2)系统，在这里污染物被收集起来并且飞灰和脱除装置的固体残留物被清除。净化后的烟气通过引风机排入烟囱。

锅炉蒸发水并且在精确的控制条件下供应高温、高压蒸汽。蒸汽进入汽轮发电机组生产电能。在通过多级汽轮机系统的一部分级以后，蒸汽可能会被送回到对流受热面（未显示的再热器），从而在锅炉中接受再热。最终，蒸汽流经汽轮机排入凝汽器，释放残留的热量。水从凝汽器返回到锅炉之前，经过一些水泵和换热器(给水加热器)以提高压力和温度。凝汽器吸收的热量最终通过一个或更多的冷却塔被排入大气。冷却塔或许是电力系统中最显眼的部分。图示的自然通风冷却塔基本上是一个空心圆柱结构，通过空气和水蒸气的流通来吸收凝汽器排放的热量。多数现代电厂都建有这样的冷却塔。

4.3 主要系统和部件

4.3.1 锅炉和主蒸汽系统

锅炉中的水被加热沸腾，转化为干饱和蒸气，然后进入过热器过热。出来的过热蒸汽进入汽轮机。经过汽轮机的蒸汽推动汽轮机转子产生机械能，汽轮机转子带动交流发电机，从而生产出可供分配的电能。通过新式的具有回热循环的汽轮机后，部分蒸汽从汽轮机汽缸上一系列的七个或八个(或多或少)抽汽口引出，进入给水加热器加热给水。通过调节阀进入汽轮机的蒸汽大约有70~75%在汽轮机中完全膨胀做功，通过排汽缸进入凝汽器。

4.3.2 凝结水系统

凝汽器是一个大型表面式换热器，进入凝汽器的蒸汽被凝结，从附近的河或湖中抽取的循环水将所产生的潜热带走。循环水由电动或汽动循环水泵泵入凝汽器。因为进入凝汽器蒸汽的流量极大，不可避免的会有一定比例的气体不发生凝结。为了在凝汽器中建立并保持一个非常接近真空状态的负压，必须从凝汽器壳体中去除这些“不凝结气体”。通常通过射汽抽气器去除这些气体，它的主要组成是一个喷嘴，蒸汽通过喷嘴获得很高的流速，从而带走那些不凝结的的气体。然后流经喷嘴的蒸汽 (作为原动力的蒸汽)和被其机械携带的不凝结气体进入通常被称作二次凝汽器的换热装置，蒸汽在环境压力下凝结，不凝结气体被排入大气。射汽抽气器置于一个或两个级内，本质上是一台压缩机，它将不凝结蒸气的压力从几乎完全真空提高到大气压来清除掉。

流经汽轮机的主蒸汽，在凝汽器中被凝结成接近真空压力下的近似饱和的水。这些凝结水在重力的作用下流向凝汽器底部，然后进入热井。通常热井水位通过控制热井水泵来维持。热井水泵将热井中的水泵出，经给水加热系统的低压部分后，到达锅炉给水泵。凝结水经热井水泵升压后首先进入低压加热器，被压力最低的抽气加热。如图所示该低压加热器配有一台疏水泵，疏水泵的作用是将加热器疏水（水蒸气凝结而成）泵入位于其后的凝结水主管道。这种型式的加热器也被称作强制疏水加热器。

4.3.3 除氧和给水系统

凝结水流经低压加热器后进入除氧加热器。除氧加热器是混合式加热器，通过加热凝结水使其沸腾的方法除去所有携带的氧气。除氧加热器除去氧

气的依据是，当水的温度接近沸点时能极大地降低不凝结气体在水中的溶解度。加热进入除氧器凝结水至沸点的热量由汽轮机的抽汽提供。从被加热凝结水表面释放出的不凝结气体必须被去除。正常情况下除氧器的工作压力高于环境压力，因此这些气体能通过排气冷却器被排放掉。通常是引入凝结水来冷却排气冷却器，在冷却不凝结气体的同时冷却水蒸气，但有一部分水蒸气不可避免地随着气体从除氧器逸出。通过对排气冷却器适当的设计，蒸汽凝结后可能以疏水形式回到除氧器，而不凝结气体则通过节流孔排入大气。

在原始的设计中有时也许有除氧器的工作压力低于环境压力的考虑。即使当额定负荷的设计压力比环境压力高得多，也会遇到较低负荷时变成负压的情况。于是有必要将不凝结气体继续从除氧器中去除，为达到这个目的就需要射汽抽气器。但是该设施产生的费用和复杂化使它的安装并不普遍。为此普遍的做法是在低负荷时切换抽汽段，以便除氧器的蒸汽供应由下一个更高的抽汽点提供。一个简单的布置是安装一个带有控制阀的连通管，并在连接到连通管的低压抽汽管道上安装逆止阀。在这种布置中，打开连通管上的控制阀会自动提供较高压力的蒸汽至除氧器，并且逆止阀关闭，用来防止蒸汽回流到较低压力的抽汽段。

在许多电站中设有与除氧器并联的缓冲水箱来储存水。缓冲水箱的作用是在事故时，如其它水源中断的情况下提供蒸馏水，或者作为负荷变动时存储过剩水量的水箱等。正常情况下除氧器的存储容量足以维持电站运行几分钟，但是多数设计师认为用一个更大的缓冲水箱来增加存储容量是明智的。

在相当多的大型电站，锅炉给水泵与除氧器疏水出口相连。由于除氧器内的水达到了沸点，所以布置在除氧器下方的锅炉给水泵要有一个必需的汽蚀余量(通常至少20 英尺 (6米))，以避免锅炉给水泵出现汽蚀。

4.3.4 加热器和给水加热系统

离开除氧器的水经锅炉给水泵泵入下一级加热器。这台加热器是疏水加热器，即，疏水通过换热器(疏水冷却器)，释放热量加热进入的凝结水。离开这台加热器以后，凝结水进入高压加热器被加热到最终给水的温度。最后一级加热器是一台闪蒸加热器，使用这种叫法是因为它允许疏水通过一个控制节流口或调节阀，到达相邻的较低压力的加热器，其中一部分饱和水闪蒸为蒸汽。这种布置取消了疏水泵和疏水冷却器，但是会导致较大的热损失。

图4-2示意了四种不同类型的加热器，即闪蒸加热器、疏水冷却加热器、除氧或混合式加热器，以及配有疏水泵的加热器。

现代蒸汽动力电站的加热器布置方式没有确立很好的标准。粗略的分类，所有加热器可分为表面式或混合式。对于表面式加热器，这样叫是应为它使用间接的加热表面，凝结水在管内流动，而抽汽则进入加热器的壳侧。翅片管或光滑管都有应用，但显然光滑管的应用更普遍。当抽汽进行加热时，表面式加热器的换热面布置必须能够承受管束的自由热膨胀。出于膨胀的考虑，可以通过具有一定自由度的设计或安装发卡弯类型的管束来解决。表面式换热器通常会用在给水加热循环中压力较高的场合，因为在该循环的出口凝结水压力接近或高于锅炉压力，且与混合式加热器相比，在管内输水更加容易。

混合式加热器通常被用作除氧器。它有能储存大量凝结水的钢制外壳，使蒸汽和凝结水充分地混合。凝结水通过排气凝汽器进入混合式加热器，再通过一系列淋水盘流至加热器底部。蒸汽穿过淋水盘侧边流下的凝结水，保证了蒸汽和水充分地混合，并将凝结水加热至加热器压力下对应的饱和温度。众所周知，当水被加热至沸点时，水中包含的所有永久气体的可溶性会大大减小，从而使这些气体从水中逸出。在电站循环中的除氧器具有双重功能：一方面加热水使其有一个显著的温升，大约60或70℉ (15.6或21.1℃)，另一方面能够使其达到饱和温度。这就使得不凝结气体从水中逸出。然后这些不凝结气体通过排气凝汽器，其中水蒸气被凝结，气体则被排放到大气。

有时混合式加热器也用于给水加热系统的低压部分，但这是特例而不是一般的规则。虽然如此，至少有一个大型汽轮机装置，对所有的抽汽采用混合式加热器。这种布置的可用性(纯粹从热量的角度)是不容置疑的，但是它的热力学收益必须和每台混合式加热器必需配备分离水泵的支出相平衡。事实上每个分离水泵必须具备处理电站全部凝结水流量的能力，这就又带来了维护费用和运行可靠性的问题。

各种类型的加热器可以应用在许多途径。混合式加热器作为除氧器被广泛采用，其出水则被直接引入锅炉给水泵。由于除氧器是蒸汽和凝结水共用的水箱，常常引入其它疏水与主凝结水混合。因此，图4-2 (a)中所示的混合式换热器只有这一个重要用途。

表面式加热器在实践中至少有三种可能的布置。最通常的布置如图4-2 (b)所示。在这种布置中被称为闪蒸加热器。它名称的由来是因为在其壳侧抽汽凝结成的疏水“闪蒸”进入到低压力的疏水扩容器。该类型常常是来自上一级较高压力加热器的疏水被引入到闪蒸加热器，然后和本加热器抽汽凝结成的疏水混合后排出。这种布置必须在加热器疏水出口管道上安装出口阀，用来维持该加热器壳侧和低压疏水扩容器之间的差压。有一种替代情况是加热器中的给水以给定的流率流经一个孔口，而给定的流率建立在热平衡的基础上。

如图4-2(c)所示，在另一种布置中表面式加热器被称为带疏水泵的加热器。 它名称的由来是因为加热器疏水是靠疏水泵泵入该加热器出口主凝结水管路。和简单的闪蒸加热器一样，来自上一级较高压力加热器的疏水有时也被引入其壳侧。衡量此种加热器相对于闪蒸加热器的热力学收益必须考虑不得不使用疏水泵所带来的不利因素。一般来说，疏水泵是可靠的；尽管如此，它毕竟是可能降低循环可靠性的一个额外的机械设备。

第三种同时也是非常复杂的表面式加热器的布置如图4-2(d)所示。这里，预热设备可作为管束整体的组成部分，合理地布置在表面式加热器壳内，也可以整个以外置式单元形式布置。预热单元将加热器疏水中的热量传递给流入的凝结水，可能由于存在温差，它被称作疏水冷却器。 这就是疏水冷却器加热器布置。 疏水冷却器的明显优点在于它减少了引起其内部热量传递的传热温差。 加热时使用的是温度较低的水，而不直接用抽汽，这样就提高了传热的可逆性和循环热效率。 在热平衡设计中可以看到疏水冷却器具有显著优点。 虽然它是一个具有高可靠性的静态设备，但它在传热方面的优点常常被人们忽略。

4.4 用于电力生产的煤气化

煤气化炉合成的煤气有很多应用。 通过附加的化学反应处理，CO-H2负载气体可以进一步转换为氨水、甲醇、乙酸酐、汽油和其它副产品，这些应用正在全球范围内进行商业运作，然而和基于石油、天然气的化学制品相比，常常需要更高的费用。

合成煤气也可以用来发电，最近的应用是在燃气轮机中燃烧。通过从气化炉和燃气轮机排气中回收余热生产蒸汽，一个燃气轮机（布雷顿）循环和汽轮机（郎肯）循环可以有效地结合，构成整体煤气化联合循环。虽然技术上可行，但是这种用煤发电的方法还没有大量的商业应用，因为常规的燃烧系统较为便宜和简单。然而，进一步的发展和越来越严格的环境规章制度使更多的人对IGCC感兴趣。

4.4.1整体煤气化联合循环电站

如图4-3所示，在联合循环电厂中，通过煤气化和燃烧气体燃料进行电能生产的方式要求设备高度地一体化。简而言之，高温燃气在燃气轮机中膨胀驱动空气压缩机和发电机，其中部分压缩空气被用来气化煤炭。

高达1000F (538C)的燃气轮机排气流经余热锅炉(HRSG)生产过热蒸汽，用以驱动汽轮发电机组。气化过程中释放的大量热能也必须被回收进入蒸汽循环来提高电站的整体效率。

整体煤气化联合循环系统的设计是相当复杂的，需要综合考虑，合理地的平衡投资成本、电站效率、可操作性和特定应用下的环境保护等诸多因素。例如，气化炉的选型就影响燃气热量回收的数值。

在设计的高效率循环中，工作在高温下的氧气携带流气化炉需要冷却更多的新烟气。这些冷却器必须在恶劣的气体环境中工作，而且是关乎电站运行可靠性的一个重要设备。

将大量低品质蒸汽的热量(受限于金属承受温度)吸收至蒸汽循环会使电站控制系统和操作变得复杂。与之相比，通过冷却新烟气可减少回收热量的投资成本和复杂程度，但会极大地降低效率(比回收全部热量效率下降近10%)。

制氧设备整合是另一种设计方向。如图4-3所示，由汽轮机驱动的空压机直接将空气送至制氧设备，由于减少了外部压缩设备，因此制氧过程更加高效。然而，压缩机和汽轮机之间存在相当大的系统容积，因此这些地方对汽轮机有更高的控制要求。

燃料特性等其他一些技术因素会影响工艺设计。褐煤这样的高水分燃料可能不适合作为水煤浆提供给气化炉，因为那样会降低效率。燃烧较大容积、较低热值的煤气时，在燃气最小热值、污染物排放性能和空压机工作范围方面，燃气轮机有更好的能力处理空气流量和烟气流量之间的不匹配问题。设计时还需考虑环境温度的影响和电站负荷需求特性。

电站的规模主要取决于燃气轮机。一套燃气/蒸汽轮机机组出力可超过250MW，其中60%来自燃气轮机。 更大的电站则需要多级燃气轮机，这样就可以实现规模经济，因为只需要维护一台蒸汽轮机，并且具有更大的电厂平衡系统，如燃料处理，电气和控制以及水处理。IGCC可以分期建设，先建一个以天然气为燃料的燃气轮机（简单循环），再依次建造蒸汽轮机和余热锅炉（联合循环），最后建设一个煤气化系统，这样就能使业主更加灵活地满足负荷在峰谷之间变化的需求，同时也适应于天然气成本高于煤炭的现状。虽然原理很简单，但将天然气改为煤气，还需要在燃气轮机和蒸汽侧热平衡方面做很多改进。

各种各样可利用的技术和外界设计因素结合起来使IGCC电站的设计变成一个复杂、地点相关性强的过程。 同时，这种灵活性提供了一个机会，可以针对各种应用制造出一个最优化的系统。

4.4.2 IGCC的优点

对更加清洁环境的需求是推动整体煤气化联合循环发展和实施的主要力量。 常规燃煤电厂持续增加环境控制措施来满足日益严格的污染物排放要求。 整体煤气化联合循环电厂本质上有潜力达到非常低的排放物。 带有冷气清洁系统的吹氧气化炉就非常合适，具有较低的二氧化硫、氮氧化物、固体废弃物和空气污染物的排放水平。

如上所述，采用带有Claus和尾气净化系统的IGCC电厂可以脱除99%以上的硫。 常规燃煤电厂的湿法脱硫也可以在设计后达到相似的性能，这需要通过使用更加昂贵的高性能脱硫剂和/或更多的辅助能源用以提供更多的脱硫剂与烟气的相互作用。

由于已经在冷气清洁系统中脱除了燃料氮，从IGCC系统中排放的NOx严格地由燃气轮机的性能决定。以目前科技水平的燃烧室，氮氧化物排放小于0.05 lb/106Btu(21.5g/GJ)是可行的，取决于燃气燃烧的热值(可以加上水分和/或氮)和汽轮机入口温度，这两者都影响火焰峰值温度和热力型NOx的生成。 比较起来，常规燃煤电厂只能通过低NOx燃烧技术结合烟气脱硝才能达到这样的数值。

带有鼓泡气化炉的IGCC电厂产生的固体副产物主要包括气化炉的炉渣和单质硫。 如果硫磺作为商品出售，需要处理的就只有燃料灰了。 根据燃料硫含量，常规燃煤电厂由于二氧化硫(SO2)副产品可能生成两倍的固体废料。然而，这也许可以通过常规电厂脱硫系统产生的可供出售的石膏或可再生脱硫系统的其他副产品得到部分的补偿。

现在，重金属、空气污染物和极微小颗粒物排放对环境的影响得到了仔细的调查研究。IGCC系统也在这方面表现了优越性。

相对于常规电厂，高循环效率是IGCC系统的另一个优点。基于全球关心的二氧化碳排放问题，效率已经不仅是一个与燃料成本相关的经济问题，还是一个环境问题。

理论上的整体煤气化联合循环的效率在38%到43%的之间，这取决于交易投资成本、电站一体化程度，以及燃料类型等因素。由于开发出了具有更高燃烧温度的燃气轮机，进一步提高循环效率变为可能。最新型的大型超临界蒸汽电站效率大约为38%，而亚临界蒸汽循环效率大约为35%。 正在开发的带热烟气净化的吹空气IGCC系统可以作为另一选择，它不需要进行氧气分离，也不需要类似化工厂的冷烟气净化过程。 这就将电厂设计简化成了电力工业更加熟悉的设备和过程设计。比吹氧气系统具有更低的投资成本和更高的效率是追求的目标之一。由于有关高温烟气清洁的环境标准很严格，所以需要进一步改进，以降低含有燃料氮化物的燃气轮机燃烧室中氮氧化物的排放水平，脱除温度高达1000F(538C)的烟气中的颗粒物，同时展现合理的性能和寿命。

总之，无论是整体煤气化联合循环发电系统，先进的郎肯循环蒸汽电站，还是增压流化床这样一些具有竞争力的其他发电系统，它们的发电成本将会决定其在将来应用的广泛程度。

第八章 空调与制冷

8.1 空调

空调是一个可以同时进行多种处理的组合过程。它可以处理空气、输送空气并把空气送入被调空间中。空调可以从中央设备或屋顶单元提供热与冷。为了被调空间居住者的健康和舒适度，或者为了工业生产的目的，它还可以控制并保持预先设定的温度、湿度、空气流动、空气洁净度、噪音级别和压差。

HVAC&R是供热(Heating)、通风(Ventilating)、空调(Air Conditioning)和制冷(Refrigerating)的缩写。在通常采纳的术语中，这些组合过程与现在定义的“空调”是相同的。由于所有这些单个过程的发展要要比其完整概念的“空调”要早，所以业内也普遍使用HVAC&R这个词。

8.1.1 空调系统的分类

根据其结构与运行特性，空调系统可分类如下：

（1）独立型房间空调系统

独立型房间空调系统或简单的独立空调系统采用一个单独、完全的房间空调器、一个整体式末端、一个独立的室内-室外分体机或一个热泵装置。热泵可以从一个热源吸收热量，在较高的温度上，将这些热量排放给水或空气，用于供热目的。与其他系统不同的是，这些系统通常在每个房间都采用一个完全独立的装置。独立型空调系统可分为两类：

1）房间空调器（安装在窗户上）；

2）整体式末端空调器（PTAC），安装时与外墙有套管连接。

在工厂已组装的、准备使用的房间空调器包括以下重要部件：一个将处理好的空气增压并供给被调空间的蒸发器风扇。在肋管式盘管中，制冷剂蒸

发，在管内直接膨胀，并在制冷季节从周围空气中吸收热量，这也称为直膨式（DX）盘管，在采暖季节时，当热的制冷剂向被调节空间释放热量时，它的作用就相当于热泵。一个用于清除空气中微粒的空气过滤器。一个用来把制冷剂从较低蒸发压力压缩到较高冷凝压力的压缩机。一个使制冷剂从高温气态液化为液态的冷凝器，并通过盘管和冷凝器风扇来释放热量。一个能感知被调空间的空气温度，并采用温度调节装置，通过压缩机的起停，以控制制冷或供热能力的温度控制系统。

房间空调器与热泵型、整体式末端和整体式末端热泵型空调器的区别是：所有热泵型房间空调器都增加了四通换向阀。有时房间空调器被分为两个分离部分：一个是包含着压缩机和冷凝器的室外冷凝机组；一个是室内空气处理器，它可以在更恰当的位置安装空气处理器，并减小室内压缩机的噪音。

可以采用单独房间的直膨式（DX）盘管来体现独立型空调系统的特性。这是一种最简单和最直接的空气冷却方法。大多数独立型系统都没有风道连接。室外空气通过窗孔或一个小的挡风板引入室内。独立型系统经常仅用在建筑物的围护区域。

（2）蒸发冷却式空调系统

蒸发冷却式空调系统利用液态水蒸发的冷却效应来直接或间接地冷却空气气流。它可以是工厂整体组合机组，也可以在现场安装。当蒸发冷却器只提供冷却效应的其中一部分冷量时，它也可以作为中央液体循环系统或整体式机组系统的一个部件。

一个蒸发冷却系统由以下组成：进水室、过滤器、进气风机、直接接触或间接接触热交换器、排气风机、喷水室、再循环水泵和水池。蒸发冷却系统与制冷剂冷却系统相比具有耗能低的特点。它可以产生湿冷空气，并被广泛应用在美国西南干旱地区。

（3）除湿空调系统

在除湿空调系统中，潜热制冷是由干燥剂除湿完成，显热制冷通过蒸发冷却或蒸发制冷进行。因此，有相当部分的昂贵的蒸气压缩式制冷装置可用廉价的蒸发冷却装置代替。除湿空调通常是除湿、蒸发冷却、制冷和干燥剂再生的组合系统。

在除湿空调系统中有两股气流：一股是工作气流，一股是再生气流。工作气流可以是全新风气流，也可以是室外新风和室内循环空气的混合气流。工作气流是经过处理的空气，它可以直接输送给被调空间或封闭的生产过程，也可以送往空气处理单元（AHU）、整体式机组（PU）或末端进行进一步的处理。再生气流是一种高温气流，用于干燥剂的再生。

除湿空调系统通常由以下部件组成：旋转除湿装置、热管换热器、直接或间接蒸发制冷器、DX盘管和蒸气压缩式机组或水冷盘管和机组、风机、泵、换向器、控制装置、风道和管道。

（4）蓄冷空调系统

在蓄冷空调系统或简易的蓄冷系统中，电驱动的制冷压缩机是在非尖峰时段工作的。储箱内的冷冻水或储冰在尖峰时段用来给建筑提供冷却，在这段时间电力需求负荷和电能费用高。蓄冷系统可以降低HVAC&R系统高的用电需求，并部分或全部地将高电能费用从尖峰时段转移到非尖峰时段。 蓄冷空调系统通常是一个集中式空调系统，采用冷冻水作为冷却介质。除了空气、水和制冷控制系统外，该系统还有冷冻水箱或蓄冰槽、蓄冷循环泵及调节装置。

（5）洁净室空调系统

洁净室或洁净空间空调系统适合于那些需要严格控制颗粒、温度、相对湿度、通风、噪音度、振动和空间压力的空间。在洁净空间空调系统中，室内环境控制的质量直接影响着洁净空间内生产的产品。

洁净空间空调系统由空气再循环机组和补气机组组成，他们都包括调节风门、预过滤盘管、风机、高效颗粒空气（HEPA）过滤器、风道、管道工程、泵、制冷系统和除补气机组中的加湿器以外的相关控制。

（6）空间处理空调系统

空间处理空调系统也称作空间空调系统。该系统通过风机盘管、水源热泵或一些其他设备，它们在处理空间内或上面或靠近处理空间，实现冷却、除湿、加热和过滤。风机盘管由一个小风机和一个盘管构成。水源热泵通常由一个风机和一个翅片盘管来处理空气，一个水盘管在冷却时将热量排放到水回路，或在供热时从同一水回路吸收热量。

一个被调房间可运行一个或多个风机盘管。通常，在建筑周边区域（外区）的各个控制区域采用小型的托架式水源热泵。在建筑中心（内区），大型水源热泵利用风道为几个房间服务。

空间空调系统在被调空间中，进气风道通常很短，并且除了内区的大型水源热泵外，没有回气风道。用来循环被调空间空气的压降，通常等于或小于0.6英尺水柱（WC）（150Pa）。和单元式整体机组或中央水冷空调系统相比，空间空调系统节约了大部分用于输运回气和再循环空气的能量。空间空调系统通常用作专用（独立）的室外通风系统，为被调空间的居住者提供室外空气。

空间空调系统通常具有比较高的噪音级别，并且在被调空间中，需要更多的定期维修。

（7）单元式整体空调系统

单元式整体空调系统可以简称为单元式空调系统或整体式空调系统。这些系统可以采用一个独立整体机组或两个分体装置。独立整体机组包括风机、过滤器、DX盘管、压缩机、冷凝器和其他配件。分体系统的室内空气处理单元由控制系统和空气系统组成，主要包括风机、过滤器和DX盘管，室外冷凝单元是制冷系统，由压缩机和冷凝器组成。屋顶安装的整体式系统是最广泛应用的。

整体式空调系统可用于一个房间或多个房间。进气风通常用来分配处理好的空气，采用DX盘管冷却。也可增加其它部件，使其按热泵运行，也就是一个集中式系统在供冷季节排除热量，在供热季节凝结热量用于供热。有时在建筑周边区域，增加踢脚板式散热器或单元式加热器，作为整体式空调系统的一部分给周边区域供热。

由于具有集中式空气分配风道或集中式排热系统，所以采用大型单元整体式机组的整体式空调系统本质上是集中式系统。整体式空调系统根据使用分为集成式、工厂装配的和作为准备使用整体式机组的主要设备，与中央水冷空调系统的冷冻水相比，采用DX盘管来冷却。现代大型屋顶安装的整体式机组有许多复杂的部件和调节装置，在许多应用场合，它们也可以完成中央水冷空调系统的相似功能。

8.1.2 完整的系统

在全空气供热和制冷系统中，能量和通风气流是通过风道在锅炉或空气处理器与被调空间之间传输。全空气系统可适用于所有类型的舒适性和工艺性空调。它应用于环境需要单独控制的建筑，以及有多种需求的区域，比如写字楼、学校和大学、实验室、医院、商场、酒店和轮船。全空气系统也可用于任何要求精确控制温度和湿度的特殊场合，包括洁净室、计算机房、医院手术室和工厂。

通过一个独立的周边空气系统，或使用一个独立的周边踢脚板、再热辐射系统或热水、蒸汽和电阻加热的辐射系统，可以采用系统原先用来供冷的风道完成供热。很多商业建筑内部不需要加热，而是只有一个周边供热系统来补偿建筑围护的热损失。在那些仅在周边区域有供热需求，并由踢脚板散热器系统提供供热的时候，空气系统只提供室外空气必要的通风和加热。

图8-1是典型的商用全空气中央HVAC系统，图示了给通过空气处理器的气流增加能量或移除能量的主要设备。右上部分的空气处理系统是下文将要提到的几种形式的一种。系统的这部分通常能对空气进行加热、冷却、加湿、减湿、净化（可选）和将空气分配到一个或多个不同的被调空间。空气处理系统还具有根据需要，吸入室外空气和排出室内空气的功能。

如图8-1所示，一种流体，通常是水，从空气处理器的冷却盘管将热量带走，再到一个或多个制冷机。制冷机移除那种流体的能量，并使其温度降低，这样它就能返回到空气处理器，进行空气气流的再次冷却。通过制冷机移除的热量用管内的水送到冷却塔，或内部制冷机，或远处的空冷冷凝器。由于水能够经济地输运相对巨大的能量，制冷机和冷却塔可位于距独立的空气处理器较远的地方。离心泵常常用于使流体在管内循环。冷却塔和冷凝器位于室外、地面上或楼顶上，这样能量最终排放到大气中去。可见冷却某一空间的净能流，从空间经回风风道送至空气处理器，再到制冷机，最后送至冷却塔，并被排放到大气中。

在需要空间供热时，流体将锅炉产生的能量送入空气处理器的加热盘管中。这种流体通常是热水或蒸汽。空气处理器循环的水，也可以选择采用锅炉产生的蒸汽来加热。如图8-1所示，所采用的蒸汽-水换热器就是基于这个目的，它被称作换流器。锅炉的燃料可以是天然气、液化石油气（LPG）、燃料油或者煤和木材等固体燃料。

图8-1 典型商用全空气HVAC系统中给空气处理器提供冷或热流体的设备示意图

8.1.3 测试、调节、平衡

测试、调节和平衡（TAB）是校核和调节建筑内所有环境系统的过程，以达到设计目的。这个过程包括：（1）平衡空气和水的分配系统；（2）调节整个系统，以达到设计要求；（3）电气测量；（4）定量确定所有设备的性能；（5）验证自动控制系统的运转及操作顺序；（6）测量噪音和振动。这些程序通过以下完成的：检验实际安装与设计是否一致，测量和确定系统流体流量是否达到设计要求，记录并报告结果。

有效的和高效的TAB工作需要有系统和详细的计划程序，并由有经验和有资格的人员来执行。所有的工作，包括组织、设备校准和工作执行，都必须按计划进行。空气侧的工作必须要和水侧与控制侧的工作相协调。准备工作包括计划编制和编制所有程序进度、收集必要的数据（包括所有的变数）、数据评估、对所工作系统的学习、准备表格和展开初步的实地考察。

管道（风道）系统的空气泄露会严重降低性能，所以管道（风道）必须要设计、建造和安装，以减少和控制泄露。在建造期间，所有的风道系统应密封，并进行空气泄露测试。对可能伤害人和设备的水管、蒸汽管道和气动管道，也应进行泄露测试。

8.1.4 热舒适

供热、通风与空气调节系统的一个主要目的是给人们提供热舒适的条件，即热舒适性是“对热环境表示满意的意识状态”（ASHRAE Standard 55）。这个定义并未说明什么是“意识状态”或“满意”，但它明确强调了热舒适的判断是一个包括物理、生理、心理和其他过程的许多输入参数影响的感知过程。

根据皮肤表面温度和湿度的直接感觉、体内温度以及调节体温所作的必要努力，头脑意识会得出热舒适性和不舒适性的结论。通常，当体温保持在较窄的范围内，皮肤表面湿度较小，生理调节效应最小时，人才会感到舒适。

舒适性也包括由意识引起的、根据热湿感，以减少不舒适的行为动作。例如，更换衣服，改变活动方式，改换姿势和位置，改变恒温器设置，打开窗户，抱怨或离开这个空间都是一些减少不舒适的可能行为。令人惊奇的是尽管在世界范围内，各区域的气候条件、居住条件和文化有很大差别，但人们在相似衣着、活动形式，湿度及空气运动条件下，发现对舒适性的首选温度却非常相似。

8.2 制冷

制冷定义为一个从恒定的低温热源或冷媒吸收热量，并将热量转移到高温热汇的过程。制冷通过将吸收的热量和任何输入的能量传递给热汇、大气或地表水使热源的温度维持在环境温度之下。

制冷系统是由部件和设备按顺序依次组合，以产生制冷效果。根据输入能量和制冷方法的不同，用于空气调节的制冷系统可分为：

（1）蒸气压缩式系统

在蒸气压缩式系统里，在制冷剂产生制冷效果之后，压缩机将其压缩到高温和高压状态；被压缩的制冷剂将热量传到高温热汇，并冷凝成液态；这种液态制冷剂然后节流，变成低温和低压的蒸气，在蒸发过程中产生制冷效应。蒸气压缩式是舒适性和工艺性空调中，最为广泛采用的制冷形式。

（2）吸收式系统

在吸收式系统里，制冷效应是输入的热能产生的。在蒸发过程中吸收冷媒的热量后，气态制冷剂被吸收剂吸收。这种溶液然后被直燃炉、废热、热水或蒸汽加热。然后制冷剂再蒸发，接着冷凝，再次开始制冷循环。

（3）空气或气体膨胀系统

在空气或气体膨胀系统里，空气或气体是通过机械能压缩到高压状态。然后冷却并膨胀到低压。由于在膨胀过程中，空气或气体的温度降低，因此产生了制冷效应。

8.2.1 单级蒸气压缩式制冷的理论循环

逆卡诺循环是完全可逆的，也是工作在两个恒定温度之间或两种具有无限热容不同温度流体之间制冷系统的完美循环。

卡诺制冷循环有两个假设，这使它不能实现。两种外部流体的传热能力假设为无限大，这样外部流体的温度就固定维持在T0和TR（它们变为无限大的热库）。在两个换热过程，卡诺循环还假设在工质和外部流体之间没有热阻。这样，制冷剂的温度必须在冷凝器和蒸发器中分别维持在TR和T0不变。

图8-2给出了单级蒸气压缩式制冷理论循环的示意图，它是实际循环的最简化近似。图中还用T－s图和p－h图给出了理论循环的热力过程。尽管实用并且简单，但是有两个特点使这个循环不能达到与逆卡诺循环一样高的性能系数（Coefficient of Performance，COP）。首先是现在制冷剂通过膨胀阀（过程3－4）是一个不可逆的节流过程，丧失了产生有用功的机会；第二个非理想化特征是排热（过程2－3）并未在恒定温度下进行。后面我们会看到尽管这是一个非理想循环，然而也是不可能实现。但是它简单，能说明很多有用的趋势，并且也能修改为实际系统的近似。基于这些原因，图8-2是理解蒸气压缩式制冷循环特征的良好模型。

图8-2 单级蒸气压缩式制冷的理论循环

假设进入压缩机的制冷剂蒸气是对应蒸发压力下的干饱和蒸气。这是一个分析开始的合适位置，因为在这里我们可以确定所有的流体参数。压缩过程1-2假设是可逆绝热的，因此也是等熵的，并且持续直到达到冷凝压力。点2明显处于过热区域。过程2-3在达到饱和蒸气状态2'前，压力保持不变，而蒸气的温度下降。接着从2'－3的冷凝过程，同时保持压力和温度不变。制冷剂在点3离开冷凝器时是饱和液态。然后经节流阀膨胀，经过节流阀时，由于压力降低，产生了部分蒸气。节流过程3-4是不可逆的，伴随着熵的增加，因此在图8-2中用虚线表示。对于节流过程，进口和出口的焓值是相等的。要确定这个循环的性能系数（COP），必须确定制冷量和输入的能量。

8.2.2 多级蒸气压缩制冷循环

在需要几个蒸发器提供不同蒸发温度时候，如超市，或蒸发温度变得很低的时候，通常采用多级或多压蒸气压缩式制冷循环。低的蒸发温度表明进入压缩机的制冷剂具有低的蒸发压力和低密度。两个串联的小型压缩机具有较小的排量，并且通常比一个大型的、能适用于整个蒸发压力到冷凝压力范围变化的压缩机运行效率更高。特别是对于氨制冷系统，因为在压缩过程中产生的大量的过热。除了通过系统的不同部件的质量流量不同之外，多级循环的热力学分析与单级循环的分析相同。对每个单独部件或部件组仔细列出质量平衡和能量平衡，就能确保正确应用热力学第一定律。在展开第二定律计算的时候也必须仔细。通常制冷负荷是由多个蒸发器提供，因此整个系统的制冷量也是各个蒸发器负荷的总和。同样，整个系统的能量输入也是所有压缩机输入功的总和。

当压缩机串联连接时，级间的蒸气在进入下一级压缩之前应冷却到饱和状态。中间冷却方式通常能减少压缩机的排量，降低对功的需求，并增加循环的性能系数。

如果级间的制冷剂温度高于环境温度，那么可以采用一个简单的中间冷却器移除制冷剂的热量。如果级间的制冷剂温度低于环境温度，这也是通常遇到的情况，则应采用制冷剂本身去冷却制冷剂蒸气。这可用一个闪蒸中间冷却器实现。

8.2.3 制冷剂

制冷剂是制冷、空调和热泵系统中的工作介质，它们从一个区域吸收热量，例如一个被调空调空间，然后把热量排入另外一个区域，例如室外，通常分别通过蒸发和冷凝过程进行。这些相变同时发生在吸收式和机械蒸气压缩式系统里，但不发生在采用空气等作为工质的气体循环系统中。 制冷设备的设计强烈依赖于所选用制冷剂的性质。制冷剂的选用包括对不相容的优良热物理性质之间的比较。一种制冷剂必须满足很多要求，其中一些要求并非与传热能力直接相关。在使用条件下的化学稳定性是一种基本特征。安全规程可能要求一些场合使用既不可燃烧又具有低毒性的制冷剂。低成本、易获得、高效和与压缩机润滑油和设备材料的兼容性是其它需要考虑的因素。

制冷剂泄露造成的环境问题必须要考虑。自从19世纪30年代以来，CFCs类物质由于具有出众的安全和性能特征一直沿用至今。但是由于它们已被证明破坏了臭氧层，因此在发达国家其产品的使用已被淘汰（UNEP2003）。在发展中国家，除了允许的基本使用或原料供应，产品的使用将于2010年被淘汰。

HCFCs类物质也破坏臭氧层，但相对于CFCs类物质来说，破坏程度较小（UNEP2003）。作为制冷剂产品，发达国家计划于2030年淘汰使用，发展中国家将于2040年淘汰。

HFCs类制冷剂不破坏臭氧层（UNEP2003），并具有很多CFCs类和HCFCs类物质令人满意的性能。它们被广泛作为CFCs类和HCFCs类物质的替代制冷剂。然而，HCFs类制冷剂也与环境问题有关，当它们释放到大气中时，会推动全球变暖（U.N. 1994）。各个国家、贸易组织和公司通过日益增加立法和自愿项目来减少这些物质的排放。这样，在继续允许使用这些制冷剂的同时，将潜在的环境影响降到最小。

蒸发潜热是另一个重要性质。以1摩尔为基础，相同沸点的流体几乎具有同样的潜热。由于压缩机的排量是以测定体积为基准定义的，因此具有相同沸点的制冷剂在一个给定的压缩机中会产生相同的制冷效应。而以质量为基准定义，流体的潜热变化十分广泛，那么对于理论蒸气压缩式循环，有较低蒸汽热容的流体，有较高的循环效率。这种性质与具有简单分子结构和较低分子质量的流体有关。

输运特性（如热传导性和粘性）影响热交换和管道系统的性能，高的热传导性和低的粘性是令人满意的。

没有一种流体能满足制冷剂所需求的所有特性，因而，就有各种各样的制冷剂被采用。

8.2.4 压缩机

压缩机有两种基本类型：容积型和速度型。容积型压缩机利用输入压缩机装置的功，通过减小压缩室的容积来增加制冷剂蒸气的压力。这些装置类型有：往复式、回转式（旋转活塞式、旋转叶片式、单螺杆式和双螺杆式）、涡旋式和摆线式。

大多数往复式压缩机是单动式的，采用曲轴连杆和轴销直接驱动活塞。采用活塞杆、十字头、填料盒和喷油的双动式压缩机并未广泛采用。卤烃压缩机是最广泛采用的压缩机，它有以下三种设计类型：（1）开启式；（2）半封闭式或螺栓封闭式；（3）焊接全封闭式。

旋转活塞式或固定叶片和旋转式压缩机一般用于家用电冰箱和空调装置中，制冷量不超过2KW。这种类型的压缩机将滑片或叶片安装在偏心轴上，

并合理安置在不旋转的圆柱外壳（通常也称为气缸座）上。叶片在气缸座内加工的狭槽里面往复运动。这种往复运动由偏心运动的轴杆驱动的。 旋叶式压缩机有一个低的质量排量比，并且结构紧凑，适合于运输方面的应用。2～40KW范围的小型压缩机采用单级，适合于饱和冷凝温度60℃以下，饱和吸入温度范围为-40～7℃。当采用两级压缩时，低温应用可以达到-50℃。目前，采用R-22、R-404a和R-717作为制冷剂。

单螺杆压缩机由一个圆柱形主转子组成，它与两个星轮啮合。主转子与星轮在形式和相互排列方面变化较大。主转子外盖有两个齿槽，可以让星轮的齿条通过。两个在主转子外壳直径上对称的排气口采用常用的排气歧管。

双螺杆是双螺旋旋转螺杆压缩机常用名称。一个双螺杆压缩机由一个带有进出气口的外壳，以及其内的两个啮合的螺旋状有槽转子，即阳转子（凸槽）和阴转子（凹槽或沟槽）组成。转子内的气体大都沿轴向流动。经常使用的齿数组合是4+6、5+6和5+7(阳转子+阴转子)。例如，带有4个齿数阳转子的主动轮转速为3600转/分，则6个齿数阴转子的跟随转速为2400转/分。阴转子可由同步调速齿轮驱动，或者直接由阳转子作用于一层薄油膜来驱动。在一些应用场合，这是驱动阴转子的实用方法。如果假设采用4+6齿数组合，会造成驱动阳转子压缩机的速度和排量增加50%。在另外一些场合，也通过采用一个特殊尺寸的压缩机，采用增大齿轮速度来增加输出容量。

涡旋式压缩机是沿轨道运行的容积式装置。由两个相互配合的螺旋形涡旋体完成压缩。它们通常用于家用和商业用空调、制冷、热泵以及汽车空调系统中，制冷范围为3-50KW。为了能高效运行，涡旋式压缩机需要涡旋体加工的公差非常小，由于现代制造技术的发展，这已经成为可能。卷轴利用近年来先进的机械制造技术进行精密加工，这种容积式、涡旋运动的压缩机具有很多性能特征，比如效率高、噪音低等。

摆线式压缩机是一种小型回旋的容积式压缩机，它的最高转速为9000转/分。它们可被制造成各种形状。摆线弧度是通过一个动圆在一个固定圆内或圆外滚动得到的，分别形成“长短幅圆外旋轮线”和“长短幅圆内旋轮线”。这两种摆线都可作为汽缸或活塞使用，因此就可以设计出四种摆线式压缩机。

速度（动力）型压缩机通过不断的将转动部件的角动量传递给制冷剂蒸气，然后将这种角动量转换成压力升高，以提高制冷剂蒸气的压力。离心式压缩机就是基于这些原理运行的。

离心压缩机，有时被称为涡轮压缩机，与风机、螺旋桨和汽轮机一样，属于叶轮机械。这些机械在转动的机械零件和稳定流动的流体之间连续交换角动量。由于流体流动是连续的，因此涡轮机械与同样尺寸的容积式设备相比有较大的容积排量。为了有效地交换动量，其旋转速度必须很高，但由于其转动稳定和缺少接触部件，只产生了很小的震动和磨损。

离心式压缩机用于各种制冷和空调装置中。在转速为1800～90000转/分时，吸气流量范围为0.03～15m3/s，。吸气温度通常为-100～10°C,吸气压力为14～700kPa，排气压力通常不高于2MPa。压缩比范围为2～30。几乎所有的制冷剂都适用。

8.2.5 蒸发器

蒸发器是制冷系统的一个主要部件，在蒸发器中，由于从周围空气、冷冻水或其它物质中吸取热量，制冷剂蒸发。在蒸气压缩式制冷系统中，蒸发器也是一种间接接触式换热器。

根据被冷却的介质或物质，蒸发器可分为以下三类：

1）空气冷却器是一种在冷藏空间或设备（如整套装置）直接冷却空气的蒸发器。然后处理的空气通过空气输送系统分配。在空气冷却器中，制冷剂在金属管或翅片管内流动，而空气横越管束。

2）在液体冷却器中，冷冻水被冷却到较低的温度，并用泵输送到远处的空气处理单元、风机盘管或其它末端设备，用于空气调节或其他应用。

3）蒸发器也可直接用于生产冰，如在蓄冰的冰采集系统中作为制冰机。

液体冷却器不同于制冷装置。液体冷却器是一个蒸发器，是制冷系统的一个组成部件，而制冷装置是一个用于生产冷冻水的整体式制冷装置。 根据空气冷却器、液体冷却器和制冰机的供液，可主要分为以下三类：

1）干式膨胀或直接膨胀型（DX）。对于干式膨胀或直接膨胀型蒸发器的供液，液态制冷剂是通过膨胀阀和分配器送入，在翅片式盘管（蒸发器）的管内流动，然后完全蒸发，并在蒸发器出口达到一定的过热度。

2）满液式。在满液式蒸发器中，液态制冷剂通过节流装置送入，在壳式换热器的管外蒸发。制冷剂侧的表面总是被液态制冷剂浸湿，从而具有更高的表面传热系数。

3）再循环式（过量供液式）。在再循环式蒸发器中，液态制冷剂是通过机械泵或者气体泵送入，然后过量供液到每个蒸发器。在每个再循环式蒸发器的内部表面都被液态制冷剂所湿润。

各种各样的冷却器型式和供液方式组成了以下蒸发器：

1)

2)

3)

4)

5) DX冷却器，是DX盘管，作为直接膨胀供液的空气冷却器； 闭式壳管式液体冷却器，或简单的闭式液体冷却器； 带直接膨胀供液的壳管式液体冷却器，或简单直接膨胀液体冷却器； 再循环式冷却器； 直膨式制冰机。

其中，DX盘管是所有这些型式中最为广泛使用的。满液式液体冷却器广泛用于大型制冷机，直接膨胀式液体冷却器通常用于往复式或螺杆式制冷机中。再循环式液体冷却器有时在空气调节处理系统中采用。制冰机通常在蓄热系统或工业应用中采用。

8.2.6 冷凝器

制冷系统中的冷凝器通常是一种用于排出系统中热量的换热器。这部分热量由蒸发器吸收的热量和压缩机输入的热量组成。压缩机排出高温高压的气态制冷剂进入冷凝器，冷凝器把气态制冷剂的热量排放到一些冷却介质。这样，被冷却的制冷剂重新冷凝到液态，并排出冷凝器，以继续制冷循环。

常用的冷凝器根据冷媒不同可划分为：水冷式，空气冷却式和蒸发式（空气和水冷却）。

最常用的水冷式冷凝器有（1）管壳式；（2）壳管式；（3）套管式和（4）钎焊式板式。冷凝器的型式选择取决于冷却负荷的大小、所采用的制冷剂、可用冷却水的干度和温度、循环水量、分配的位置和空间、要求的工作压力（水和制冷剂侧）以及成本和维修方面。

空气冷却式冷凝器可以靠近或远离压缩机布置。这种类型的冷凝器可设计为室内或室外运行，排出空气可以是垂直的（顶部）或水平的（侧面）。用管道与压缩机互连。在一个空气冷却式冷凝器中，热量是通过（1）过热下降；（2）冷凝和（3）过冷传递的。冷凝器中大约85%的区域是恒温冷

凝。冷凝器盘管的饱和冷凝温度下降与盘管的制冷剂流动的摩擦损失有关。

和水冷式和空气冷却式冷凝器一样，蒸发式冷凝器也是将冷凝蒸气的热量排到环境当中。在蒸发式冷凝器当中，从压缩机排出的高温高压蒸气在冷凝器盘管内循环，并被管外的循环水持续湿润。空气也同时掠过盘管，使一小部分再循环水蒸发。蒸发过程带走冷凝器盘管的热量，从而冷却和冷凝蒸气。

8.2.7 制冷剂控制设备

控制制冷剂的流量在任何制冷系统中都是必要的。控制器包括(1)压力控制器；(2)压力传感器；(3)温度控制器；（4)流体流量传感器；（5)微分控制器和(6)浮球开关。

控制阀包括(1)恒温膨胀阀；（2)电子膨胀阀；(3)恒压膨胀阀；(4)蒸发器压力和温度调节器；(5)吸气压力调节器；(6)冷凝器压力调节器；（7)高压浮球阀；(8)低压浮球阀；(9)电磁阀；(10)凝结水调节器；(11)止回阀和(12)泄压装置。

恒温膨胀阀根据离开蒸发器的气体过热度，控制进入蒸发器的液态制冷剂流量。它的作用是保证蒸发器工作，避免液体通过吸气管回流到压缩机。这是通过控制进入蒸发器的制冷剂质量来实现的，这也等于利用吸收的热量使制冷剂在蒸发器内完全蒸发的速率。由于这种阀是根据过热和相对应的过热度来操作的，所以必须有一部分蒸发器用来使制冷剂蒸气过热。

与恒压膨胀阀不同，恒温膨胀阀并不仅限于在定负荷场合应用。它在空调、商用、低温和极低温制冷应用中，用于控制各种直接膨胀式蒸发器的制冷剂流量。

8.2.8 吸收式制冷循环

吸收式装置有两个主要的优点：(1)由热量驱动；（2)无需蒸气的机械压缩。

所有的吸收式循环至少包括三个与相应环境之间的热能交换，即有三个不同温度的能量交换。

最高的温度和最低的温度在热量流动上是一个方向，中间的一个或两个温度的热量流动方向是相反的。早期循环中，两个极端温度的热量（最热和最冷）是流入循环的。这个循环也被称为热量放大器、热泵，常规循环，或者第一类循环。当极端温度的热量是流出循环的，这就称为反转循环、热变压器、温度放大器、升温器或第二类循环。

水-溴化锂和氨-水具有最好的综合热力学特性，并且没有已知的有害环境效应(ODP和GWP为0)。

单效溴化锂制冷机

图8-3是一个商用的单效、非直燃式液体制冷机的示意图，图示了这些重要部件数种布置的一种。运行中，热量是以高温热水或蒸汽供入发生器的管道中，引起管外吸收剂的稀溶液沸腾。这个解吸的制冷剂蒸气，即水蒸气，经分离器，流向冷凝器。在冷凝器中，制冷剂蒸气在管外凝结，冷却介质是来自热源的水流（通常为冷却塔）。沸腾和凝结过程都发生在一个容器，它们有共同的蒸气空间，压力大约为6 kPa。

凝结的制冷剂通过节流小孔或设在冷凝器底部的集液器进入蒸发器。在蒸发器中，液态制冷剂当与含有来自热负荷水流的管子外表面接触时，开始沸腾。

在这过程中，当释放制冷剂沸腾所需的热量时，管内的水被冷却。

没有沸腾的制冷剂在蒸发器底部搜集起来，流入制冷剂泵，并被泵送到位于蒸发器管束上方的分配系统，重新喷淋在蒸发器的管束上。

进入发生器的吸收剂稀溶液（吸收能力弱的），当它沸腾并和释放水蒸气时，浓度（即吸收剂在水中的百分比）增加。因而离开发生器的是吸收剂的浓溶液，它流入溶液换热器的一侧，在加热溶液换热器另一侧流向发生器的吸收剂稀溶液时，被冷却。这通过减少稀溶液在发生器沸腾之前必须输入的主热源的热量，来提高设备的效率。

冷却的吸收剂浓溶液然后流入位于吸收器管子上方的溶液分配系统，在一些设计中是通过喷射器或溶液喷淋泵，并滴落或喷淋在吸收器管子的外表面。

吸收器和蒸发器有共同的蒸汽空间，压力大约为0.7 kPa。这样使在蒸发器中蒸发的制冷剂蒸气，很容易地被流过吸收器管子的吸收剂溶液吸收。吸收过程释放出了冷凝热量和溶解热，被流过吸收器管子的冷却水带走。产生的吸收剂稀溶液流出吸收器管子，然后进入吸收器液池和溶液泵。通过泵和管路，将吸收剂的稀溶液输送到换热器中。在换热器中，它吸收从发生器返回的浓溶液热量。在那里，稀溶液流入发生器，从而完成循环。

8.3 低温学

低温学通常是与低的温度联系在一起的专业术语。然而，在温标上，并没有很好地定义制冷结束和低温开始的位置。大多数从事这一领域的科学家和工程师将低温限制在125K之下，因为大多数的永久气体（如氦、氢、氖、氮、氩、氧、空气）的沸点低于这个温度。相反，大多数常见制冷剂的沸点高于这个温度。

因此，低温工程包括低温系统和部件的设计和开发。在这些活动中，设计师必须熟悉达到这些低的温度的工质性质，以及产生、保持和应用这些低的温度的部件的物理性能。

低温工程的应用越来越广泛。例如：在美国通过低温分离制取的氧气，有将近30%用于钢铁工业，以降低了高等级钢的生产成本；另外有20%用于化工产业生产各种氧化化合物。液态氢的生产也由实验室规模提高到超过2.1kg/s的水平。与此相同，对液氮的需求也要求利用的低温方法，建造大型工厂从天然气中分离氮。同样，对能量的需求，也需要加速建造大型的基本负荷的液化天然气（LNG）工厂。材料在低温下的超导现象被用于当前的一些应用领域，包括高场磁铁和精密电子设备。太空模拟需要用低温泵，将舱内残余气体冻结在一个冷表面上，以提供太空中典型的高真空条件。这种原理已经在商业化的高真空泵中得到应用。

食品工业采用大量的液氮来冷冻像虾这类比较昂贵的食品，并在运输过程中维持冷冻食品的温度。液氮冷冻容器也用来保存全血、骨髓和动物精子，以延长生存周期。低温医学可以治疗像帕金森综合症这样的不随意失调。医疗诊断采用的磁共振成像(MRI)，需要低温来冷却超导物质。最后，化工过程依赖低温来回收天然气中更有价值的高沸点成分或提高可燃气体的焓值，或从空气中回收氩和氖等有用的成分，净化各种各样的生产过程排气和废气，以及从烯烃化合物的混合物中生产乙烯。