第6章 蒸汽动力循环和制冷循环-广东工业大学-90

1、工作原理工作原理循环中工质状态变化循环中工质状态变化能量转换计算能量转换计算循环过程热力学分析循环过程热力学分析本章目的本章目的研究循环中热、功转换的效果及其影响研究循环中热、功转换的效果及其影响因素，探求提高能量转换效率的途径因素，探求提高能量转换效率的途径。 本章内容本章内容讨论蒸汽动力循环的热效率、循环功以讨论蒸汽动力循环的热效率、循环功以及循环中各过程工质状态函数的变化；及循环中各过程工质状态函数的变化； 制冷循环与获得低于环境温度的操作过制冷循环与获得低于环境温度的操作过程的热力学分析。程的热力学分析。 前言前言循环：循环：l体系从初态开始，经历一系列的中间状态，又重体系从初态开始，

2、经历一系列的中间状态，又重新回到初态，此封闭的热力学过程称为循环。新回到初态，此封闭的热力学过程称为循环。蒸汽动力循环：蒸汽动力循环：l是以水蒸汽为工质，将是以水蒸汽为工质，将热连续地转变成功热连续地转变成功的过程，的过程，其主要设备是各种热机。其主要设备是各种热机。l产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂冷冻循环：冷冻循环：l是将热连续地由低温处输送到高温处的过程，其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。主要设备是热泵。l耗功的过程。耗功的过程。l-100 以上为普冷，以上为普冷， -100 以下为深冷。以下为深冷。前言前言3300400

3、2223NHHNatmC ，合成氨合成氨如何将如何将1atm 300atm?需要压缩机，消耗动力。需要压缩机，消耗动力。中国中国60年代，年代，15001800度度电电/吨吨NH3。中国中国70年代，仅年代，仅1030度电度电/吨吨NH3。这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。蒸汽动力循环的作用：蒸汽动力循环的作用：电电高温热源高温热源废热锅炉，产生废热锅炉，产生高压蒸汽高压蒸汽压缩机压缩机 (氢循环压缩机氢循环压缩机)透平机透平机l流体通过压缩机、膨胀机流体通过压缩机、膨胀机sWQuZgH 226.1 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 u20，g Z0，若绝

4、热过程若绝热过程Q=0lWs= H= H2-H1l高压高温高压高温蒸汽带动透平产生蒸汽带动透平产生轴功轴功。l（流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的（流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量，称为能量，称为轴功轴功Ws。）锅炉锅炉透透平平机机水泵水泵冷冷凝凝器器过过热热器器23416.1 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环3 4水在水泵中被压缩升压。水在水泵中被压缩升压。4 1 进入锅炉被加热汽化，直进入锅炉被加热汽化，直至成为至成为过热蒸汽过热蒸汽后。后。1 2 进入透平机膨胀作功。进入透平机膨胀作功。2 3 作功后的低压作功后的低压湿湿蒸汽进蒸汽进入冷凝器被冷凝成入冷凝器被冷凝成水水，再

5、回到，再回到水泵中，完成一个循环。水泵中，完成一个循环。蒸汽动力循环原理蒸汽动力循环原理蒸汽动力循环蒸汽动力循环主要由主要由水泵水泵、锅锅炉炉、透平机透平机和和冷凝器冷凝器组成。组成。锅炉锅炉水泵水泵冷冷凝凝器器透透平平机机2413原理原理水压缩水压缩水水加加热热至至过过热热蒸蒸汽汽蒸蒸汽汽作作功功蒸蒸汽汽冷冷凝凝成成水水理想理想Rankine循环循环123TS4等等S膨膨胀胀等等S压压缩缩可逆吸热可逆吸热相变相变3 4 饱和水饱和水可逆绝热压缩过程。可逆绝热压缩过程。（等（等S）4 1 高压水高压水等压升温和汽化，可逆吸热过程等压升温和汽化，可逆吸热过程1 2 过热蒸汽过热蒸汽可逆绝热膨胀过

6、程。可逆绝热膨胀过程。（等（等S）2 3 湿蒸汽湿蒸汽等压等温可逆冷却为等压等温可逆冷却为饱和水饱和水（相变）。（相变）。6.1.1 Rankine (朗肯朗肯)循环循环卡诺循环的缺点卡诺循环的缺点TS锅炉加热锅炉加热4123透平机后的乏气透平机后的乏气,汽汽+液液汽汽+液液泵泵冷凝器冷凝器透透平平机机缺点之二缺点之二:对于泵易对于泵易产生气缚产生气缚现象现象缺点之一缺点之一:透平机要求干度透平机要求干度X0. 9但但2点的点的X0 经节流膨胀后，气体温度降低。（经节流膨胀后，气体温度降低。（冷效应冷效应） T- JJ-T()HTpT-J0 的气体的气体,如如N2 。3) H2和和 He等气体

7、在常温等气体在常温下下J-T0转化曲线转化曲线J-T=01、T-S图上求图上求TH T1T2TH等焓线等焓线126.2.1 6.2.1 节流膨胀节流膨胀节流膨胀的温度降节流膨胀的温度降TH是衡量制冷效是衡量制冷效果的重要指标。果的重要指标。如何计算节流膨胀如何计算节流膨胀温度降温度降TH？TH=T2-T16.2.1 6.2.1 节流膨胀节流膨胀122TTTH 、dPPPJ21dPVTVTCPPPp 211T1，P1节流膨胀前的温度、压力节流膨胀前的温度、压力T2，P2节流膨胀后的温度、压力节流膨胀后的温度、压力2127329. 03）（、对于空气估算、对于空气估算TPTH ， HTT1； HT

8、P 1T需要预冷使需要预冷使6.2.2 6.2.2 对外作功的绝热膨对外作功的绝热膨胀胀SSPT PpTVCT PTTHPH 0 PTV绝大多数绝大多数0 永远永远S 膨胀，永远能制冷。膨胀，永远能制冷。即等即等S对外作功的绝热膨胀对外作功的绝热膨胀：若过程为可逆，则为：若过程为可逆，则为等等S膨胀膨胀。等等S膨胀与节流膨胀有异同点。膨胀与节流膨胀有异同点。异：等异：等S膨胀通过膨胀通过膨胀机膨胀机对外作功，而对外作功，而节流膨胀不作功节流膨胀不作功同：均为同：均为绝热膨胀。绝热膨胀。节流膨胀节流膨胀等等S膨胀膨胀微分等熵膨胀效应系数微分等熵膨胀效应系数S SP1P2TS对外作功绝热膨胀的温度

9、降对外作功绝热膨胀的温度降dPTPPSS 21 dPTVCTPPPp 212ST1T2T2THTS21H等焓线等焓线HSTT 节流膨胀与等熵膨胀的比节流膨胀与等熵膨胀的比较较节流膨胀节流膨胀等熵膨胀等熵膨胀H=0S=0TH较小，冷冻量小较小，冷冻量小TS较大，冷冻量大较大，冷冻量大少数气体要预冷，才能使少数气体要预冷，才能使T任何气体均是任何气体均是T不作功不作功作功作功节流阀，节流阀，设备简单，设备简单，操作方便操作方便 膨胀机，膨胀机，设备复杂设备复杂汽液两相区、液相区均可用汽液两相区、液相区均可用使用时不能有液滴使用时不能有液滴用用得最多，普冷，小型深冷得最多，普冷，小型深冷大、中型气体

10、液化大、中型气体液化节流膨胀与等熵膨胀均是获取低温即制冷的方法节流膨胀与等熵膨胀均是获取低温即制冷的方法6.3 6.3 制冷循环制冷循环6.3.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环6.3.2 吸收制冷循环吸收制冷循环6.3.3 热泵的工作原理热泵的工作原理消耗外功消耗外功消耗热消耗热能能6.3.16.3.1蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环是由蒸汽压缩制冷循环是由压缩机、压缩机、冷凝器、冷凝器、节流阀节流阀、蒸发器、蒸发器组成。组成。 制冷循环的工质采用制冷循环的工质采用低沸点低沸点物质作为制冷剂。如：氟里昂物质作为制冷剂。如：氟里昂R22（CHClF2）的）的Tb=-40.80

11、 ，N2 的的Tb=-195.75 利用制冷剂在利用制冷剂在冷凝器中的冷凝器中的液化液化和在和在蒸发器中的蒸发器中的汽化，实现在汽化，实现在高温下排热，低温下吸热过程。高温下排热，低温下吸热过程。q0q2冰箱冷冻冰箱冷冻室提供室提供q0通过冰箱散热片通过冰箱散热片向大气向大气排排出出q2压缩机压缩机蒸发器蒸发器1542冷却器冷却器节节流流阀阀6.3.16.3.1蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环理想制冷循环理想制冷循环(可逆制可逆制冷冷)即为逆卡诺循环。即为逆卡诺循环。四个可逆过程构成四个可逆过程构成：1-2：绝热可逆压缩绝热可逆压缩, 从从T1升温至升温至T2，等熵过程，消耗外功等熵过程，消耗

12、外功WS2-3： 等温可逆放热等温可逆放热(q2）；）；3-4： 绝热可逆膨胀，从绝热可逆膨胀，从T2降温至降温至T1，等熵过程，对外作功，等熵过程，对外作功4-1：等温可逆吸热：等温可逆吸热(q0） ST3214 T1T21、逆向卡诺循环、逆向卡诺循环压压缩缩机机蒸发器蒸发器节节流流阀阀冷凝器冷凝器q0q2锅炉锅炉透透平平机机水泵水泵冷冷凝凝器器过过热热器器23416.16.1蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环原理蒸汽动力循环原理TS4123逆卡诺循环的缺点：逆卡诺循环的缺点：（1）12和和34的过程会形成的过程会形成液滴，在压缩机和膨胀机的液滴，在压缩机和膨胀机的气缸中产生气缸中产生“液

13、击液击”现象，现象，容易损坏机器；容易损坏机器；（2）实际过程难以接近四个可）实际过程难以接近四个可逆过程；逆过程；问题：如何改进？问题：如何改进？1、逆向卡诺循环、逆向卡诺循环ST3214 T1T22、蒸汽压缩制冷循环、蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环由蒸汽压缩制冷循环由四步四步构成：构成：12 低压蒸汽的压缩低压蒸汽的压缩24 高压蒸汽的冷凝高压蒸汽的冷凝45 高压液体的节流膨胀，高压液体的节流膨胀，P ，T51低压液体的蒸发低压液体的蒸发蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环对对逆卡诺循环逆卡诺循环的改进：的改进：1）把绝热可逆压缩过程）把绝热可逆压缩过程12安排在安排在过热蒸汽过热蒸汽区，使

14、区，使湿蒸汽变为干气。湿蒸汽变为干气。即即“干法操作干法操作”。2）把原）把原等熵膨胀等熵膨胀过程改为过程改为45的的等焓节流膨胀等焓节流膨胀过程，过程，节流阀的设备简单、操作易行。节流阀的设备简单、操作易行。T1=T5=蒸发温度蒸发温度T3=T4=冷凝温度冷凝温度节流膨胀节流膨胀（等（等H）等等S膨胀膨胀KgKJHHWs/312，位位制制冷冷剂剂）压压缩缩机机消消耗耗的的功功（单单 124105HHHHWqs ）制制冷冷系系数数2TS4135q0q2hKJQhKgqQm/,/,2000制制冷冷装装置置制制冷冷能能力力）制制冷冷剂剂循循环环量量 KgKJHHq/6422，）冷冷凝凝器器放放热热

15、量量 kWmWshKJQhKJmWPsT,3600/,/,40 ）压缩机消耗的功率）压缩机消耗的功率3、蒸汽压缩制冷循环、蒸汽压缩制冷循环几个重要指标几个重要指标)/(41510KgKJHHHHq 1）单位制冷量）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量在蒸发器中吸收的热量)q2Ws 232)(1SSTqTHH 下放热量下放热量高温高温）循环在）循环在解：解： 410)(2SSTqTLL 下吸热量下吸热量低温低温）循环在）循环在 14SSTH TS3214循环的循环的H = 0，故，故）（放放吸吸qqqWs q0 41SSTTLH 例例6 试求工作于两个恒温热库高温试求工作于两个恒温热库高温TH和

16、低温和低温TL间的理间的理想制冷循环即逆向卡诺想制冷循环即逆向卡诺(Carnot)循环的放热量循环的放热量q2，制，制冷量冷量q0以及制冷系数以及制冷系数C。THTL结论：结论：逆向卡诺循环的制冷系数逆向卡诺循环的制冷系数C仅是温度仅是温度(蒸发温度蒸发温度TL和冷凝温度和冷凝温度TH的函数，与工质性质无关。的函数，与工质性质无关。在相同温度区间在相同温度区间TL, TH 工作的任何制冷循环，以工作的任何制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数逆向卡诺循环的制冷系数C为最大。为最大。它可作为一切实际循环的比较标准。它可作为一切实际循环的比较标准。sCWq03 ）制冷系数）制冷系数LHLTTT 414

17、1SSTTSSTLHL 例例7 有一氨冷冻循环装置，其有一氨冷冻循环装置，其制冷能力制冷能力（冷冻量）为冷冻量）为105 kJh-1，蒸发温度蒸发温度-15，冷凝温度冷凝温度30 。假设压。假设压缩机绝热可逆运行，求缩机绝热可逆运行，求1）制冷剂的循环量；）制冷剂的循环量；2）压缩机）压缩机功耗和处理的蒸气量；功耗和处理的蒸气量；3）冷凝器热负荷；）冷凝器热负荷；4）节流阀后）节流阀后制冷剂中制冷剂中蒸气的含量蒸气的含量；5）循环制冷系数；）循环制冷系数；6） C解：解：关键是要确定关键是要确定1,2,3,4,5点的状态点的状态单级蒸汽压缩单级蒸汽压缩制冷循环图制冷循环图温熵图温熵图压焓图压焓

18、图由由氨的饱和蒸汽表氨的饱和蒸汽表查取有关数据：查取有关数据：1点点： T1=-15H1=1664kJ/kg；S1=9.021kJ/kgKv1=0.506m3/kg2点：点：T3=30其相应饱和蒸汽压力其相应饱和蒸汽压力P3=1.17MPa； P2=P3 S2 = S1 = 9.021kJ/kgK=2.158 kcal/kgK；*用用S2和和P2查查H2 =1880 kJ/kg=450kcal/kg；4点点： T4=30与饱和液体相交与饱和液体相交，据此查得，据此查得lH4= 134 kcal/kg=560.53kJ/kg；5点点： T5 =T1= -15，由于，由于4-5是等焓过程是等焓过程

19、，lH5 = H4 = 560.53kJ/kg；T1T2hkgHHQ62.9053.5601664105410 kWHHmWmPsT44. 536001664188062.903600360012 hKJHHmQ44221009.1266.56017.189188.90 1.制冷剂的循环量制冷剂的循环量m3.压缩机功耗压缩机功耗PT2.压缩机每小时处理的制冷剂蒸汽量压缩机每小时处理的制冷剂蒸汽量V:hmmvV/04.4662.90506. 031 4.冷凝器热负荷冷凝器热负荷Q200qQm 6.制冷系数制冷系数5.节流阀后制冷剂中蒸汽的含量节流阀后制冷剂中蒸汽的含量即求即求5点的干度点的干度X

20、glXHXHH ）（ 15kgkJHkgkJHCgL/1664/89.34915 的的查得：查得：kgkJH/66.5605 已知已知16. 0 X求得：求得：7.逆卡诺循环的制冷系数逆卡诺循环的制冷系数C7 . 5153015.27315 ）（LHLCTTT 10. 51664188053.560166412410 HHHHWqs 1、为了增加冷冻量，制冷剂在冷、为了增加冷冻量，制冷剂在冷凝器中，被过冷到低于饱和温凝器中，被过冷到低于饱和温度的度的4（过冷液体）过冷液体）。2、冷冻量增加了、冷冻量增加了55dc5，若耗若耗功量功量WS仍为仍为H2-H1，则，则制冷系制冷系数数增大。增大。3、

21、为了计算方便，、为了计算方便， 4过冷液体过冷液体的性质用的性质用4点温度对应的饱和点温度对应的饱和液体代替液体代替。4、实际制冷循环往往不可能是完实际制冷循环往往不可能是完全等熵的，全等熵的，22，则，则耗功量耗功量WS为为H2-H1。4、蒸汽压缩制冷循环、蒸汽压缩制冷循环实际制冷循环实际制冷循环2TS2541435c d2TS254实际蒸汽压实际蒸汽压缩制冷循环缩制冷循环142点的性质用点的性质用等熵效率计算等熵效率计算不不可可,SSSWW ）（）（1212 HHHH 35冷凝温度冷凝温度蒸发温度蒸发温度过冷温度过冷温度过冷度过冷度：T4 =T3：T4=T4-T4:T5=T5=T1解题关键

22、：确定解题关键：确定2, 4 点的状态点的状态4点过冷液体的性质用点过冷液体的性质用4点温度对应的饱和液体代替。点温度对应的饱和液体代替。5、几个定义、几个定义30255-15冰箱四星级冰箱四星级T1=-24 三星级三星级T1=-18国际标准国际标准冷冻条件冷冻条件2TS2541435实际蒸汽压缩制冷循环计算实际蒸汽压缩制冷循环计算q0q2KgKJHHWs/,312 位位制制冷冷剂剂）压压缩缩机机消消耗耗的的功功（单单124105HHHHWqs ）制制冷冷系系数数hKJQhKgqQm/,/,2000制制冷冷装装置置制制冷冷能能力力）制制冷冷剂剂循循环环量量 KgKJHHq/, 6422 ）冷冷

23、凝凝器器放放热热量量kWmWhKJQhKJmWPssT,3600/,/,40 ）压缩机消耗的功率）压缩机消耗的功率)/( 41510KgKJHHHHq 1）单位制冷量）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量在蒸发器中吸收的热量)p.150例例6-9补充习题补充习题1.制冷循环装置以制冷循环装置以NH3为工质，制冷能力是为工质，制冷能力是10000kcal/hr，冷凝温度冷凝温度25 ，蒸发温度蒸发温度 -20，一技术员根据生产工艺要求，认为这样条件下工作，一技术员根据生产工艺要求，认为这样条件下工作，功耗过大，建议进行改进，功耗过大，建议进行改进，冷凝温度仍为冷凝温度仍为25 ，但但过冷到过冷到

24、 20，蒸发温度改为，蒸发温度改为 -5，问问1）在）在T-S图上图上标出该制冷循环改进前后各状态点。（标出各点的标出该制冷循环改进前后各状态点。（标出各点的T，P）；）；2）计算改进前后的制冷系数）计算改进前后的制冷系数；3 3）改进后理改进后理想功耗可减少多少想功耗可减少多少KW？设压缩过程按可逆绝热过程？设压缩过程按可逆绝热过程考虑。有关数据查考虑。有关数据查NH3的的T-S图。图。蒸发温度、冷凝温度的选择蒸发温度、冷凝温度的选择3 3、制冷级数的选择：、制冷级数的选择：当蒸发温度当蒸发温度 -25-25 一级压缩一级压缩当蒸发温度当蒸发温度 -30-30 二级压缩二级压缩当蒸发温度当蒸

25、发温度 1(34)家用空调工作原理家用空调工作原理夏天夏天冷凝器（在室外）冷凝器（在室外）) (膨胀阀膨胀阀蒸发器（在室内）蒸发器（在室内）a）压缩机压缩机转转换换阀阀家用空调工作原理家用空调工作原理冬天冬天蒸汽动力循环蒸汽动力循环冷冻循环冷冻循环热转变成功热转变成功消耗功将热从低温传给高温消耗功将热从低温传给高温1、制冷、制冷2、加热、加热制制冷机冷机热泵热泵锅炉锅炉透透平平机机水泵水泵冷冷凝凝器器过过热热器器2341第六章总结第六章总结压缩机压缩机蒸发器蒸发器1542冷却器冷却器节节流流阀阀蒸汽动力循环蒸汽动力循环1TS23421.朗肯循环朗肯循环等等S膨胀膨胀3.再热循环再热循环2.回热循环回热循环4 . 03 . 01 QWWPS 热效率热效率冷冻循环冷冻循环2TS25414352.吸收制冷循环吸收制冷循环2.等等S膨胀膨胀1.等等H膨胀膨胀原理：原理：1.蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环540 sWq 制冷系数制冷系数4 . 03 . 0641211 ）（）热效率）热效率HHHHQWWPS ）（）气耗率：）气耗率：11./36007 hKwKgWSSCsQ2（放热）（放热）Q1吸热吸热）在锅炉中吸热量）在锅炉中吸热量4111HHQ 123HHWS ）在透平机中对外做功）在透平机