工程热力学第11讲-第6章热力循环.ppt

工程热力学第十讲山东大学机械工程学院过程装备与控制工程研究所,过程装备与控制工程专业,本讲内容,6热力循环1动力循环2制冷循环3热泵供热循环4气体液化循环,学习要求,1熟练掌握朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成。2会利用蒸汽图表对循环进行热力分析和计算。3掌握提高蒸汽动力循环热效率的方法和途径。熟悉热电联供循环。掌握空气和蒸汽压缩制冷循环的组成。掌握制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。了解制冷剂的热力学要求和环保要求。了解吸收制冷、蒸汽喷射制冷、热泵、空调原理。掌握气体液化循环的原理和特点。,6-1动力循环,动力循环,动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净功。研究目的：合理安排循环，提高热效率。动力循环的分类：,正向卡诺循环理想可逆热机循环,循环示意图,4-1绝热压缩过程，对内作功,1-2定温吸热过程，q1=T1(s2-s1),2-3绝热膨胀过程，对外作功,3-4定温放热过程，q2=T2(s2-s1),气体卡诺循环,工质：气体效率：最高效率缺点：定温吸热和定温放热两个过程在实际上难以实现；在p-v图上，气体定温线与绝热线的斜率相差不大，所以每次完成的功较小。,蒸汽动力循环,蒸汽动力循环：以蒸汽为工质，在湿蒸汽区，可以克服气体卡诺循环的两个缺点。实际生产中不采用蒸汽卡诺循环。原因：湿蒸汽的绝热压缩难以实现，缺少压缩汽水混合物的合适设备；定熵膨胀的末期，蒸汽湿度较大，对汽轮机工作不利；蒸汽比容比水大上千倍，压缩时设备庞大，耗功也大；由于上限温度受限于临界温度，温差不可能很大，因此热效率不高，每循环完成的功也不大。,朗肯蒸气动力循环系统,四个主要装置：锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵,锅炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,4,1,2,3,朗肯循环与卡诺循环比较,s,T,6,4,2,1,10,9,8,7,5,3,q2相同；q1卡诺q1朗肯卡诺朗肯；等温吸热41难实现,11点x太小,不利于汽机强度；12-9两相区难压缩；wnet卡诺小,卡诺朗肯；wnet卡诺600，p125MPa，二次再热。,蒸汽再热循环的定量计算,吸热量：,放热量：,净功（忽略泵功）：,热效率：,热电联产(供)循环,用发电厂汽轮机后的乏汽的余热来满足低热用户的需要。原因：乏汽的能量数量多，但由于压力和温度低，可用能很少，无法得到充分的利用。生活和生产中需要耗费大量燃料以产生大量温度不太高的热能。热电联供将二者结合起来，一方面产生动力，另一方面提供低品位的热能。由此节约的能量比因动力循环效率下降而损失的能量多，综合节能效果非常显著。,热电联产(供)循环,最简单的热电联产(供)循环是采用背压式汽轮机。,背压式机组(背压0.1MPa),热用户为什么要用换热器而不直接用热力循环的水？,背压式缺点：热电互相影响供热参数单一,热电联产(供)循环,抽汽式热电联供循环,可以自动调节热、电供应比例，以满足不同用户的需要。,热电联产(供)循环,热电联产(供)循环的经济性评价只采用热效率显然不够全面,能量利用系数,但未考虑热和电的品位不同,应采用Ex经济学评价,热电联产、集中供热是发展方向，经济环保,整体煤气化联合循环发电（IGCC）,IGCC技术把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好环保性能，是一种有发展前景的洁净煤发电技术。,整体煤气化联合循环发电（IGCC）,整体煤气化联合循环发电（IGCC）,优点：效率高：在目前技术水平下，IGCC发电的净效率可达43%45，今后可望达到更高。污染低：污染物排放量仅为常规燃煤电站的1/10，二氧化硫排放在25mgNm3左右（目前国家二氧化硫为1200mgNm3），脱硫效率可达99%。氮氧化物排放只有常规电站的15%-20%，耗水只有常规电站的1/2-1/3，利于环境保护。缺点：投资较高，以大规模为佳；要求技术先进；厂用电较多。,增压流化床燃烧联合循环发电（PFBC）,增压流化床燃烧（PFBC）技术从原理上基本同常压流化床燃烧（AFBC）大体一致。采用增压（620个大气压）燃烧后，燃烧效率和脱硫效率得到进一步提高。燃烧室热负荷增大，改善了传热效率，锅炉容积紧凑。除了可在流化床锅炉中产生蒸汽使汽轮机做功外，从PFBC燃烧室（也就是PFBC锅炉）出来的增压烟气，经高温除尘后，可进入燃气轮机膨胀做功。通过燃气/蒸汽联合循环发电，发电效率得到提高，目前可比相同蒸汽参数的单蒸汽循环发电提高34。因此，采用增压流化床燃烧联合循环（PFBC-CC）发电能较大幅度地提高发电效率，并能减少由于燃煤对环境的污染。,增压流化床燃烧联合循环发电（APFBC）,增压流化床燃烧联合循环发电（PFBC-CC）,东南大学最新科技成果增压流化床联合循环发电技术,6-2制冷循环,广义热泵循环,制冷循环-逆向循环,在一定的热源温度下，需要怎样来组织制冷机的工作循环，使获得单位冷量所消耗的能量为最小，这是制冷技术中一个很重要的问题。,制冷循环的计算内容,1,4,2,3,T2,T,s,T0,制冷量q2,耗净功w0,制冷量,循环放热量,循环耗净功,制冷系数,性能系数,制冷的应用,当冷冻温度大于100K，称普通冷冻；小于100K称深度冷冻。,用途：冷却、冷冻、冷藏。,制冷能力和冷吨,生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小。制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量(kJ/s)。商业上常用冷吨来表示。1冷吨：1吨0饱和水在24小时内被冷冻到0的冰所需冷量。水的凝结（熔化）热r=334kJ/kg1冷吨=3.86kJ/s1美国冷吨=3.517kJ/s,制冷的方法,冰、干冰、机械制冷,蒸气压缩式制冷,吸收式制冷,蒸汽喷射式制冷,吸附式制冷,机械制冷,蒸发制冷,气体膨胀制冷,半导体制冷,涡流管制冷,绝热放气制冷,绝热退磁制冷,化学方法制冷,半导体制冷,空气压缩制冷循环,空气压缩制冷循环,压气机,膨胀机,冷却器,冷藏室,在TL温度下冷介质,q1,q2,win,wout,4,1,2,3,组成与过程描述：,空气压缩制冷循环,1,2,3,4,T,s,T3,T1,1,2,3,4,p,v,p-v图,T-s图,空气压缩制冷循环计算,1.循环制冷量（制冷剂从低温热源吸收的热量）,2.制冷剂放给高温热源的热量,3.制冷循环消耗的净功,空气压缩制冷循环计算,4.制冷系数,空气压缩制冷循环特点,优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。,缺点：1.无法实现T，输入功率,利用冷媒的气化吸热、液化放热的特性进行能量转移（温差使能量传递）,1,2,3,4,热泵设备基本原理,热泵设备基本原理种类介绍,主要供暖方式,热用户,地层热泵取暖原理,地层全年的温度稳定在7-11，是非常好的热源。热交换孔最深至地下100米，中间穿有塑料热交换管。热交换液经过热泵循环，把地层的热量输送到房屋里。该系统可以帮助从大自然中赢得供热，其中超过75%的能量来自于免费的存储在大自然中的太阳能，而需要支付的却只是不到25%的用于维持系统工作的电能，此外不再需要油、气、煤。,地层热泵系统的优点,充分利用免费的来自大自然的能量非常环保、造福社会显著低于其他供热系统的综合使用费用没有火灾、爆炸的隐患低廉的维护费用非常长的使用寿命不受油、气价格不断上涨的影响不受供暖单位、供暖时间和供暖温度的限制节省集中供暖的管道和大型设备的投资避免供暖费用结算的纠纷,地层热泵系统技术数据,注：取暖需要约50-80W/平方米（视建筑的节能性而定）,锅炉、太阳能、热泵比较（热水设备）,锅炉、太阳能、热泵比较（经济性）,备注：1、热泵使用工况：环境温度20；2、电费：0.8元/kWh；管道煤气(液化石油气)18.00元/M3；柴油价格：4.70元/L；3、燃油热水炉热效率75%，燃气热水炉热效率85%，电锅炉热效率95%，热水设备热效率370%；4、单位燃料热值：柴油8466kJ/L，管道煤气(液化石油气)25000kJ/M3，电860kJ/kW.h；5、运行费用计算公式：水量温升热效率单位燃料热值燃料单价。,（元）,1吨水温升40的加热费用,6-4气体液化循环,深冷循环（气体液化循环）,深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体。当气体温度高于其临界温度时，无论加多大的压力都不能使其液化。因此，气体的临界温度越低，所需要的液化温度越低。如：氮气Tc=126.2K(-146.95)氢气Tc=33.2K(-249.95)气体液化循环方式：节流膨胀,定熵膨胀。,气体液化循环热力学理想系统,液化气体的理论最小功,初始点P=101.3kPaT=300K,气体液化系数,节流膨胀林德循环,LindeCycle(林德循环),1895年德国工程师Linde（林德）首先应用节流膨胀法液化空气，故称林德循环。,简单林德循环原理,简单林德循环原理,从T-S图来看，深冷与普通冷冻循环主要区别表现在：普冷：两个封闭式循环。制冷循环与被冷物系是两种物质，彼此独立封闭循环。深冷：制冷循环与分离或液化物质是同一种物质，且是不封闭循环。,S,T,1,2,3,4,5,0,T4,理论林德循环热力学计算,由热力学第一定律：,因体系与环境无轴功交换，若无冷损失，,由体系的能量平衡，则有,以处理1kg气体为基准（1）气体液化量（液化率）x取换热器、节流阀、气液分离器为研究体系,理论液化量,理论林德循环热力学计算,(2)制冷量qo,在稳定操作下，液化xkg气体所取走的热量。,理论制冷量,P1、T1被液化气体初态的压力、温度P2被液化气体压缩后的压力,（3）功耗Ws,按理想气体的可逆等温压缩,式中：R气体常数，单位取kJ/kgK,理论功耗,实际林德循环,换热器不完全交换,这是由于气体液化装置绝热不完全，环境介质热量传给低温设备而引起的冷量损失。,低压气体平均热容,换热器热端温差,冷量损失,实际林德循环热力学分析,实际液化量,实际制冷量,实际耗功,压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取0.59,比功Wx,每液化1kg气体所消耗的功称为比功。,制冷系数,林德循环存在的问题,一次节流液化循环比较简单，但效率很低。目前只有小型气体分离、液化装置如小型空分装置还有采用。在简单的林德循环中，由于高压气体的相对量大和热容大，用未冷凝低压气体无法将其冷却到足够的低温。,林德循环的改进,简单林德汉普逊系统,简单的林德汉普逊循环不能用于液化氖、氢和氦:1.由于这些气体的转化温度低于环境温度，所以无法降温启动。2.用林德汉普逊系统能够获得降温，通过低温下节流后完全都是蒸汽，没有气体被液化。,林德循环的改进,适用于液化氖和氢的液氮预冷林德汉普逊循环,预冷林德汉普逊系统:对简单林德汉普逊系统，当热交换器入口温度低于环境温度时，可以改善简单林德汉普逊系统的性能指标。,林德循环的改进,林德双压系统,林德循环的改进,复迭式系统,复迭式系统是预冷系统的展开，由其它制冷系统来预冷。优点第一个用于生产液空的液化装置系统的性能好所需压力降低缺点系统的每一级循环都必须完全不漏，以防止流体渗漏,空气分离系统-林德单塔系统,林德单塔分离系统是最简单的空气分离系统之一，采用的是基本的林德汉普逊液化系统，用精馏塔代替了储液器，当然也可以用其他液化系统来为塔内提供液体.,林德的单塔系统有两大缺点:1)仅能得到纯氧产品2)污氮放空浪费了大量的氧,空气分离系统-林德双塔系统,采用两个精馏塔，下塔氮气液化作为下塔回流液通过上塔氧的沸腾来实现，上塔沸腾氧蒸汽作为上塔的上升蒸汽。下塔产生多余的液氮节流到上塔顶部作回流液。,林德弗兰克空气分离系统,林德弗兰克系统采用蓄冷器和氨预冷及膨胀机，分离系统的液化部分是氨预冷的双压克劳特液化系统.,海兰特空气分离系统,海兰特系统可以得到液氮和液氧产品。,定熵膨胀克劳德循环,ClaudeCycle(克劳德循环),1902年法国工程师Claude（克劳德）首先提出定熵膨胀法液化气体，故称克劳德循环。,克劳德循环工作原理,克劳德循环工作原理,克劳德循环T-s图,克劳德循环的优点主要表现在：（1）减少了高压气体的量，增加了作为冷却介质的低压气体量；（2）提高了液化率；（3）回收了部分功。,p2,p1,S,T,T1,T3,1,2,3,4,4,6,7,8,9,T9,克劳德循环热力学计算,（1）液化量x,以图中虚线作为研究体系,由热力学第一定律：,体系与环境无轴功交换，无冷损失,由体系的能量平衡，则有,若考虑不完全热交换损失q2和系统的冷损失q3实际：,克劳德循环热力学计算,与林德循环相比较，制冷量多出,（2）制冷量qo,理论：实际：,kg,（3）功耗Ws,理想：实际：,式中：s等熵膨胀效率(0.650.85)；M未进入膨胀机的气体分率；m膨胀机的机械效率；R气体常数，单位取kJ/kgK,双压克劳特系统,双压克劳特:原理与林德双压系统相似。通过节流阀的气体被压缩至高压经过膨胀机循环气体仅压缩至中压,其他制冷系统,卡皮查系统,卡皮查循环：带有高效率透平膨胀机的低压液化循环。采用低压力，等温节流效应及膨胀机焓降均较小。,海兰特系统,海兰特循环：带高压膨胀机的气体液化循环。实际上它也是克劳特循环的一种特殊情况。,西蒙氦液化系统,氦气制冷的氢液化系统,各种液化系统的性能比较,以空气为工质，T300K，P101.3kPa液化系统的比较,例题,一台氨蒸气压缩制冷装置，其冷库温度为10，冷凝器中冷却水温度为20，试求单位质量工质的制冷量、装置消耗的功、冷却水带走