工程热力学第三版电子教案第10章

第10章 动力循环及制冷循环101本章基本要求101102 例题101103 思考及练习题107104自测题110101本章基本要求1熟练掌握水蒸气朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径。2熟练空气和蒸汽压缩制冷循环的组成、制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。3了解吸收制冷、蒸汽喷射制冷及热泵的原理。102 例题例1：某朗肯循环的蒸汽参数取为=550，=30bar，=0.05bar。试计算1) 水泵所消耗的功量，2) 汽轮机作功量, 3) 汽轮机出口蒸汽干度, 4) 循环净功， 5) 循环热效率。解：根据蒸汽表或图查得1、2、3、4各状态点的焓、熵值：=3568.6KJ/kg =7.3752kJ/kgK=2236kJ/kg =7.3752kJ/kgK=137.8kJ /kg =0.4762kJ/kgK=140.9kJ/kg则 1) 水泵所消耗的功量为=140.9-137.78=3.1kJ/kg2) 汽轮机作功量=3568.6-2236=1332.6kJ/kg3) 汽轮机出口蒸汽干度=0.05bar时的=0.4762kJ/kgK =8.3952kJ/kgK.则 0.87或查h-s图可得 =0.87.4) 循环净功 =1332.6-3.1=1329.5kJ/kg5) 循环热效率 =3568.6-140.9=3427.7KJ/kg故 =0.39=39%（i）p3a=6.867bar，t3a=490 水泵的功 =0.001(686.7-9.81)0.8=0.846kJ/kg wnet=923.57-0.846=922.72kJ/kg(ii) p3b=58.86 bar，t3b=490 水泵的功 =0.001(5886-9.81)0.8=7.34 kJ/kg wnet=1057.5-7.34=1050.16 kJ/kg例2：在一理想再热循环中，蒸汽在68.67bar、400下进入高压汽轮机，在膨胀至9.81bar后，将此蒸汽定压下再热至400，然后此蒸汽在低压汽轮机中膨胀至0.0981bar，对每公斤蒸汽求下列各值：（1）高压和低压汽轮机输出的等熵功；（2）给水泵的等熵压缩功；（3）循环热效率；（4）蒸汽消耗率。解：参考图10.2理想再热循环的T-s图。图10.1 朗肯循环的T-s图图10.2 理想再热循环的T-s图 在状态点3的压力p3=68.67bar，温度t3=400。从水蒸汽表查得h3=3157.26kJ/kgK，s3=6.455kJ/kgK，v3=0.04084m3/kg。从点3等熵膨胀至43，p4=9.81bar，从h-s图查得h4s=2713.05kJ/kg。在点5的压力p5=9.81bar，温度ts=400，从水蒸汽表查得h5=3263.61kJ/kg, v5=0.3126m3/kg。从点5等熵膨胀至6s，6s点的压力p6s=0.0981bar，从h-s图查得h6s=2369.76kJ/kg。在状态点1，压力p1=0.0981bar，液体的焓h1=190.29kJ/kg，液体的比容v1=0.001m3/kg。（1）高压汽轮机输出的等熵功；wt(h)=h3-h4s=3157.26-2713.05=444.21 kJ/kg低压汽轮机的输出功：wt(L)=hs-h6s=3263.61-2369.76=893.88 kJ/kg(2)假设液体的比容保持常数，给水泵的等熵压缩功为：wp=v(p2s-p1)=0.001(6867-9.81)=6.857kJ/kg(3)循环的热效率： （4）蒸汽耗率kg/kWh4点的状态参数p4=37.278bar，t4=400，从水蒸汽表查得h4=3215.46kJ/kg。显然，由于汽轮机背压p2的提高使背压式蒸汽发电厂的循环热效率低于凝汽式蒸汽发电厂的循环热效率。但从能量利用的角度来看，背压循环的“能量利用系数”K又比凝汽循环高。凝汽循环背压循环（理想情况下）实际上由于各种热损失和电、热负荷之间的不协调，一般K=0.7左右。例3：某蒸汽动力循环。汽轮机进口蒸汽参数为p1=13.5bar，t1=370,汽轮机出口蒸汽参数为p2=0.08bar的干饱和蒸汽，设环境温度t0=20,试求：（1）汽轮机的实际功量、理想功量、相对内效率；（2）汽轮机的最大有用功量、熵效率；（3）汽轮机的相对内效率和熵效率的比较。解：先将所研究的循环表示在h-s图（图10.3）上，然后根据已知参数在水蒸气图表上查出有关参数：h1=3194.7kJ/kg s1=7.2244kJ/(kgK) kJ/kg kJ/(kgK) kJ/kg 图10.3 kJ/(kgK)(1)汽轮机的实际功量w12=h1-h2=3194.7-2577.1=617.6 kJ/kg汽轮机的理想功量 kJ/kg汽轮机的相对内效率 （2）汽轮机的最大有用功和熵效率汽轮机的最大有用功汽轮机的熵效率（3）汽轮机的相对内效率和熵效率的比较计算结果表明，汽轮机的对内效率小于熵效率。因为这两个效率没有直接联系，它们表明汽轮机完善性的依据是不同的。汽轮机的相对内效率是衡量汽轮机在给定环境中，工质从状态可逆绝热地过渡到状态2所完成的最大有用功量（即两状态熵的差值）利用的程度，即实际作功量与最大有用功量的比值。由图10.3可见，汽轮机内工质实现的不可逆过程1-2，可由定熵过程1-2和可逆的定压定温加热过程2-2两个过程来实现。定熵过程1-2的作功量为kJ/kg在可逆的定压定温加热过程2-2中，使x2=0.8684的湿蒸汽经加热变为相同压力下的干饱和蒸汽，其所需热量为q2=h2-h2。因为加热过程是可逆的，故可以想象用一可逆热泵从环境（T0=293K）向干饱和蒸汽（T2=314.7K）放热。热泵消耗的功量为w22=q2-T0kJ/kg。故1-2过程的最大有用功为kJ/kg与前面计算结果相同。显见，与的差别为而 例4 一理想蒸汽压缩制冷系统，制冷量为20冷吨，以氟利昂22为制冷剂，冷凝温度为30，蒸发温度为-30。求：（1）1公斤工质的制冷量q0;(2)循环制冷量；（3）消耗的功率；（4）循环制冷系数；（5）冷凝器的热负荷。解 参考图10.4所示：（1）1公斤工质的制冷量q0从1gp-h图查得：h1=147kcal/kg,h5=109kcal/kg,q0=h1-h5=147-109=38 kcal/kg该装置产生的制冷量为20冷吨（我国1冷吨等于3300kcal/h）(2)循环制冷的剂量m(a) (b)图10.4kg/h(3)压缩机所消耗的功及功率kcal/kgkcal/h kW(4)循环制冷系数（5）冷凝器热负荷QK因h4=hs,Qk=mqk=m(h2-h4)=1736.8(158.5-109)=85971.6 kcal/h103 思考及练习题1各种气体动力循环和蒸汽动力循环，经过理想化以后可按可逆循环进行计算，但所得理论热效率即使在温度范围相同的条件下也并不相等。这和卡诺定理有矛盾吗。2能否在蒸汽动力循环中将全部蒸汽抽出来用于回热(这样就可以取消凝汽器，从而提高热效率，能否不让乏汽凝结放出热量，而用压缩机将乏汽直接压入锅炉，从而减少热能损失,提高热效率。3采用加热和再热的目的是什么？为什么在相同的温度范围内，回热循环的热效率高于朗肯循环的热效率？（用T-S图说明）。4分析动力循环经济性的方法有哪几种？各有何特点？5蒸汽动力循环热效率低的主要原因是什么？如何提高热能的利用率？采用热电循环热效率是提高了还是降低了？6由于冷凝器作用，蒸汽排汽温度已接近自然环境温度，即已充分利用了可能达到的冷源温度，为什么说大量热量损失到外界去了？7能否在蒸汽动力装置中将全部蒸汽抽出来用于回热。（这样就可取消冷凝器）从而提高热效率？能否不让乏汽凝结放热，而用压缩机直接将乏汽压入锅炉，从而节约热能，提高热效率？8能量利用系数说明了全部能量利用的程度，为什么又说不能完善地说明循环的经济性呢？9在蒸汽的朗肯循环中，如何理解热力学第一、二定律的指导作用？10既然卡诺循环在一定温限中热效率最高，为什么理论蒸汽动力循环不采用卡诺循环，而采用朗肯循环？11将朗肯循环表示在p-v、T-S、h-s上，并说明采用过热蒸汽的原因。12提高朗肯循环热效率有哪些主要途径？利用T-S图和h-s图说明。13空气压缩制冷循环中，循环增压比p2/p1越小，制冷系数是越大还是越小？增压比减小，循环的制冷量如何变化？（在T-S图上分析）。14如图（10.5），设想蒸汽压缩制冷循环按12341运行，循环净功未变，仍等于h4-h2，而从冷源吸取的热量从h3-h2，增加到h2-h2，这显然是有利的。这种考虑对吗？图10.515试述实际采用的各种制冷装置循环与逆卡诺循环的主要差异是什么？16为什么有的制冷循环中采用膨胀机，有的则代而采用节流阀？空气压缩制冷能否采用节流阀？17热泵供热循环与制冷循环有何异同？18在蒸汽制冷中对制冷剂有何基本要求？一般常用的制冷剂有哪几种？19在一回热循环中，进入汽轮机的蒸汽为37.278bar、400，离开汽轮机为0.0981bar、在膨胀至3.924bar后，从汽轮机抽出一些蒸汽对来自凝汽器的给水加热，流体离开加热器时为3.924bar的饱和水。假设膨胀和压缩都是等熵，求循环的热效率。20某核动力循环。锅炉从t1=320的核反应堆吸入热量Q1产生压力为72bar的干饱和蒸汽（点1），水蒸气经汽轮机作功后在0.08bar压力下排出（点2），乏汽在冷凝器中向t0=20的环境定压放热后变为40的过冷水（点3），最后过冷水经泵送回锅炉（点4）完成循环。已知该厂的额定功率为750000kW,汽轮机的相对内效率=0.7，泵效率=0.8。试求:图10.6图10.7蒸汽的质量流量，并对该循环进行热力学分析。21一空气致冷装置，如图10.7所示。空气进入压缩机的温度t1=-18、压力p1=1bar，绝热压缩到p2=5.5bar，经由冷却器放热后，温度t3=15，求循环致冷系数。22某空气致冷装置。冷藏室的温度保持-8，大气环境温度为25。已知致冷量Q0=100000kJ/h。求：（1）该致冷装置循环致冷系数可能达到的最大值；（2）该装置必须消耗的最小功率；（3）每小时传给大气环境的热量。（1）max=c=8.030; (2)Nmin=3.46kW； （3）Q1=112456 kJ/h）23某空气致冷装置。空气进入膨胀机的温度t3=20、压力p3=6bar绝热膨胀到pt=1bar，经由冷藏室吸热后，温度t1=-10。试求：（1）膨胀机出口温度；（2）压缩机出口温度；（3）1kg空气的吸热量；（4）1kg空气传给大气环境的热量；（5）循环消耗净功量；（6）循环致冷系数；（7）同温度范围内逆向卡诺循环的致冷系数。（1）t4=-97.4；（2）t2=165.8；(3)q2=87.7kJ/kg；(7)c=8.767）。24某空气致冷装置。空气进入压缩机的压力p1=1bar，绝热压缩到p2=5bar,经由冷却器放热后，温度t3=30。已知冷藏室的温度为-5，求：（1）膨胀机出口温度；（2）1kg空气的吸热量；（3）1kg空气的放热量；（4）循环净耗功量；（5）循环致冷系数；（6）同温度范围内逆向卡诺循环的致冷系数；（7）若冷藏室温度为0时，循环净耗功量。（1）t3=-81.7；(2)q2=77.0kJ/kg；(3)q1=122.0kJ/kg；（4）=45.0kJ/kg；（5）=1.711；（6）c=7.657；（7）W=48.0kJ/kg）。25一空气制冷装置的制冷量Q0=836400kJ/h。空气压缩机吸入空气的压力p1=0.981bar，温度t1=-10，经压缩后空气的压力p2=0.981bar，温度t1=-10,经压缩后空气的压力p2=3.924bar，空气进入膨胀机的温度为20。求：（1）电动机、压气机、膨胀机的功率；（2）装置的制冷系数；（3）空气的质量流量；（4）传给冷却水的热量。26空气制冷装置的制冷量Q0=83736kJ/h，已知制冷装置中空气的最高压力p2=4.905bar，最低压力p1=1.076bar。开始压缩时空气温度t1=0,由冷却器出来时的温度t3=20。如空气被压缩和膨胀时的多变指数n=1.28，求：（1）装置的制冷系数；（2）原动机的理论功率。27一空气制冷系统产生10冷吨的冷量，它由离心式压缩机、冷却器和空气涡轮机所组成，此涡轮与压缩机直接连接，其压缩和膨胀过程都遵循不可逆的绝热过程pvn=C，压缩过程n=1.6，膨胀时n=1.3，压缩机进口压力p1=0.8276bar，温度t1=21,涡轮进口压力p3=1.45bar、温度t3=38，为一稳定流动过程，忽略动能的变化。试画出流体流动的过程图和T-S图，并求：（1）压缩终了的温度t2；（2）膨胀终了的温度t4；（3）空气的流量；（4）净功率；（5）制冷系数。104自测题一、是非题1空气压缩式致冷循环中，循环压力比越大，则致冷系数就越大。（ ）2过冷温度越大，蒸气压缩致冷系数就越小。（ ）3和朗肯循环相比，抽汽回热循环提高了循环的热效率，因而每kg蒸汽作出的功量也增大。（ ）4采用热电循环的目的，主要在于提高热力循环的热效率。( )5在环境温度与冷库温度不变的情况下，在空气压缩制冷循环中，循环压力比/越小，则每kg工质的制冷量越大。（ ） 6蒸汽喷射致冷循环在实用上得不到低于0的冷量。( )7吸收式致冷循环中，必须采用高温高压的蒸汽作为热源。（ ）8. 热循环的主要目的是提高蒸汽轮机尾部排气干度。 ( )9蒸汽压缩致冷循环中，致冷剂液体的比热越小，那么节流过程引起的损失就越小。（ ）10蒸汽动力装置中凝汽排出的热量较多，因此其可用能损失也大。( )二、选择题1如图，热泵循环，供热量为-（A）（B） （C）（D） 2热泵的供热系数等于5，则该热泵作为致冷机用时，其致冷系数等于-(A) 6 (B) 5 (C) 4 (D) 33采用热电循环的目的是-(A)提高热力循环的热效率 (B)降低单位功率的燃料耗量(C)提高热能利用率 (D)提高排气干度4抽汽回热循环改善了朗肯循环，其根本原因在于-(A)单位质量水蒸汽作功能力增加了 (B)乏汽的热能得到充分利用(C)提高了平均吸热温度 D）提高平均吸热温度的同时降低了放热温度。5采用蒸汽再热循环的目的在于-（A）降低乏汽干度，提高循环热效率（B）提高平均吸热温度，提高循环热效率（C）提高蒸汽温度，提高循环热效率（D）提高蒸汽温度，提高功率6抽汽式热电循环的结果是-（A）提高循环热效率，提高热能利用率 （B）提高循环热效率，降低热能利用率 （C）降低循环热效率，提高热能利用率（D）降低循环热效率，降低热能利用率 7朗肯循环热效率不高的主要原因- （A）新蒸汽的温度不高 （B）排气温度高于环境温度（C）凝汽器中被冷却水带走的热量较大 （D）设备散热损失较大8影响蒸汽压缩制冷循环制冷系数的主要因素是-（A）制冷剂的性质 （B）冷凝温度与蒸发温度（C）制冷剂的流量 （D）制冷过程中的不可逆损失三、填空题1理论空气压缩制冷循环有-、-、-、-，四个过程组成。2理论蒸汽压缩制冷循环有-、-、-、-，四个过程组成。3提高蒸汽压缩致冷循环工作系数，可以采用-、-和-等措施。4朗肯循环由-、-、-、-，四个理想热力过程组成。5热电循环的两种方式-、-。6蒸汽喷射制冷循环的经济性用-来衡量，即-7热电循环热能利用率K=-，调节抽汽式热电循环K=-8由于空气压缩循环不易实现-，同时空气的-值低，所以制冷系数低，