第10章动力循环及制冷循环

1、第10章动力循环及制冷循环10. 1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。10. 2例题例1:某朗肯循环的蒸汽参数取为t1 =5500 C , P1 =30bar, P2=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：h1=3568.6KJ/kg =7.3752

2、kJ/kgKh2 =2236kJ/kgs2 =7.3752kJ/kgKh3 =137.8kJ /kgs3=0.4762kJ/kgK h4=140.9kJ/kg则1）水泵所消耗的功量为wp 二 h4 -h3=14o.9-137.78=3.1kJ/kg2）汽轮机作功量W 二 g - h2=3568.6-2236=1332.6kJ/kg3）汽轮机出口蒸汽干度IHP2 =0.05bar 时的 s2 =0.4762kJ/kgKs2 =8.3952kJ/kgK.s2 - s2x 70.87s2 _ s2或查h-s图可得 x=0.87.4）循环净功Wo =Wt -Wp=i332.6-3.1=1329.5kJ

3、/kg5) 循环热效率qi =hi -入=3568.6-140.9=3427.7KJ/kgWo4 =0.39=39%(i ) p3a=6.867bar , taa=490E水泵的功 Wp 八4 一 0.8=0.001(686.7-9.81)- 0.8=0.846kJ/kgw net=923.57-0.846=922.72kJ/kg(ii)p 3b=58.86 bar , 13b=490E水泵的功叫八S2b -卩1) 8=0.001(5886-9.81)- 0.8=7.34 kJ/kgw net=1057.5-7.34=1050.16 kJ/kg例2:在一理想再热循环中，蒸汽在 68.67bar

4、、400E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400C，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。TlT2b58.86bar3b/3a 362a6.867bar/ 11 a i事2/414s b4s a16rss图10.2 理想再热循环的 T-s图图10.1 朗肯循环的T-s图在状态点3的压力pa=68.67bar，温度13=400C。从水蒸汽表查得 ha=3157.26kJ/kg K, S

5、3=6.455kJ/kg - K，va=0.04084m5/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ps=9.81bar ,温度t s=400C,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 pi=0.0981bar，液体的焓 hi=190.29kJ/kg， 液体的比容vi=0.001m3/kg。(1) 高压汽轮机输出的等熵功；wt(h)=h3-

6、h 4s=3157.26-2713.05=444.21 kJ/kg低压汽轮机的输出功：wt(L)=hs-h 6s=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-p”=0.001(6867-9.81)=6.857kJ/kg(3) 循环的热效率：(h3 - h4s) (h5 - h3s) - (h2s - h1 ) th(h3 - h3s) *山5 - h4s)444.21 893.88-6.857-2960.1+550.56=0.379 =37.9%(4) 蒸汽耗率3600 _ 3600Wnet 1331.22=

7、 2.70kg/kW - h4点的状态参数p4=37.278bar，14=400C,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。已被利用的能量工质从热源得到的能量凝汽循环= 0.409背压循环(理想情况下)q1实际上由于各种热损失和电、热负荷之间的不协调,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，11=370C ,汽轮机出口蒸汽参数为p2=0.08bar的干饱和蒸汽，设环境温度to=2O

8、C,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h1P11hrh12h1-hr 一 S1-SrSs,二 S =s2 =8.2295kJ/(kg水蒸气图表上查出有关参数：hi=3194.7kJ/kgSi=7.2244kJ/（kg K）h2 = h = h2 = 2577.1 kJ/kgx2 -=S2 -生 _ 7.2244-0.5926S2 -生-8.2295-0.5926=0.8684Iv =173.9 kJ/kg s 二。5926

9、kJ/(kg K)h2 = h2 x2 (h2 - h2)= 173.9 +0.8684(25771-173.9) =2259.9kJ/kg 图 10.3(1) 汽轮机的实际功量W2=hh2=3194.7-2577.1=617.6 kJ/kg汽轮机的理想功量w12 = h1 - h2 = 3194.7 - 2259.9 二 934.8 kJ/kg汽轮机的相对内效率riW12617.6934.8二 0.661（2）汽轮机的最大有用功和熵效率 汽轮机的最大有用功Wn max _ ex1 岂3 _ (h1 _T0 S1 _ (_ T0 S2 )= (3194.7 -293 7.2244)-(2577

10、.1 -293 2.2295)= 912.1kJ / kg汽轮机的熵效率3Wl2Wn max617.6912.1= 0.677（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ri小于熵效率exo。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ri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W

11、12 = h hb 二 934.8 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-h?。因为加热过程是可逆的，故 可以想象用一可逆热泵从环境（Tq=293K向干饱和蒸汽（T2=314.7K）放热。热 泵消耗的功量为q2w 2=q2-TT2=仆2 -h? ） -To（ - S?） = 22.7kJ/kg故1-2过程的最大有用功为Wn 护ax = W12 ： W22 - 934. - 22. = 912.1 kJ/kg与前面计算结果相同。显见，ri与ex的差别为_ W12riW12n w12W12exWn

12、maxW12W2 2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30C，蒸发温度为-30 C。求：（1） 1公斤工质的制冷量q;（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qo从 1gp-h 图查得：hi=147kcal/kg,h 5=109kcal/kg,qo=hi-h 5=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m4J*冷凝器lgp电动机蒸发器(a)(b)图 10.4Q。二 mq。二 m

13、(0 七)20 3300 二 mq 二 m 3820 3300 m1736.838kg/h(3) 压缩机所消耗的功及功率w = h2 - h = 158.5 -147 = 11.5 kcal/kgW =mw =1736.8 11.5 = 19973.2 kcal/hNth19973.2860= 23.22kW(4) 循环制冷系数Qoq38Ww11.5(5) 冷凝器热负荷Q因 h4=hs,Qk=mq=m(hj-h 4)=1736.8 x (158.5-109)=85971.6 kcal/h10. 3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

14、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

15、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

16、. 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）。22314. 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 hh2,，这显然是有利的。这种考虑对吗？15. 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？图 10.516. 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

17、有哪几种？19在一回热循环中，进入汽轮机的蒸汽为37.278bar、400C，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11=320C的核反应堆吸入热量Q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10=20E的环境定压放热后变为40C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

18、内效率ri =0.7，泵效率p =0.8。试求:T3421kg52 1mkg1 /(1-m)kg6s图 10.6T3I2I2T114IL尸图 10.7s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 C、 压力p1=1bar，绝热压缩到p2=5.5bar，经由冷却器放热后，温度t3=15C，求循 环致冷系数。22. 某空气致冷装置。冷藏室的温度保持 -8 C,大气环境温度为 25 C。已 知致冷量Q=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

19、境的热量。（1）&ma= c=8.030; （2）N min=3.46kW（3） Q=112456 kJ/h ）23. 某空气致冷装置。空气进入膨胀机的温度 ta=20C、压力p3=6bar绝热 膨胀到pt=1bar，经由冷藏室吸热后，温度t1=-10C。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）14=-97.4 C； （2） 12=165.8 C； （3）q 2=87.7kJ/kg ; （7） c=8.767 ）。24. 某

20、空气致冷装置。空气进入压缩机的压力pi=1bar,绝热压缩到p2=5bar, 经由冷却器放热后，温度13=30C。已知冷藏室的温度为-5 C,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0C时，循环净耗功量。（1） t3=-81.7 C； （2）q 2=77.0kJ/kg ； q 1=122.0kJ/kg ； （4） w =45.0kJ/kg ； （5） =1.711 ； （6） c=7.657 ； （7） W=48.0kJ/kg ）。25. 一空气

21、制冷装置的制冷量 Q=836400kJ/h。空气压缩机吸入空气的压力 P1=0.981bar ,温度 11=-10 C,经压缩后空气的压力 p2=0.981bar ,温度 11=-10 C , 经压缩后空气的压力p2=3.924bar，空气进入膨胀机的温度为 20C。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Q=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=0C ,由冷却器出 来时的温度13=20C。如空气被压缩和膨

22、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=21C ,涡轮进口压力pa=1.45bar、温度13=38C，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。10. 4自测题一、是非题

23、1 .空气压缩式致冷循环中，循环压力比 p2/p1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P2/ Pi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 0C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

24、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) h1 _h5 ( B) h2 -h4(C) h2 - h3( D) h2 - hi7 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

25、 )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