(9)--第七章蒸汽动力循环与制冷循环.pdf

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1、第七章第七章蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环各章的联系和化工热力学任务各章的联系和化工热力学任务第第3章章 纯流体的热力学性质纯流体的热力学性质(H,S,U，难测；由，难测；由EOS+Cp得到）得到）第第5章章 相平衡相平衡平衡问题平衡问题能量问题能量问题第第4章章 流体混合物的热力学性质流体混合物的热力学性质第第2章章 流体的流体的PVT关系关系(p-V-T,EOS)Vssiiiiiipypx (,)iiiiiiMG fa第第6章章 化工过程能量分析化工过程能量分析(H,S,W，Ex)第第7章压缩膨胀动力循环与制冷循环章压缩膨胀动力循环与制冷循环(H,S,Q,W,)化学反应平化学

2、反应平衡（不讲）衡（不讲）本章目的与内容目的：研究热、功转换过程的效果和影响因素，寻求能量转换的效率的方法。内容：（1）蒸汽动力循环及热力学分析蒸汽动力循环及热力学分析（2）制冷循环及热力学分析制冷循环及热力学分析（3）热泵的原理及热力学分析热泵的原理及热力学分析本章要求及重点、难点本章要求及重点、难点（1）熟练了解并掌握简单）熟练了解并掌握简单Rankine循环的循环的T-S图及计算。图及计算。（2）了解）了解Rankine循环的改进措施。循环的改进措施。（3）了解节流膨胀和等熵膨胀的原理和应用。）了解节流膨胀和等熵膨胀的原理和应用。（4）熟练了解并掌握单级蒸汽压缩制冷循环的）熟练了解并掌握

3、单级蒸汽压缩制冷循环的T-S图图及计算。及计算。（5）了解吸收制冷循环和热泵的原理及应用。）了解吸收制冷循环和热泵的原理及应用。重点：重点：简单简单Rankine循环和单级蒸汽压缩制冷循环循环和单级蒸汽压缩制冷循环难点：难点：节流膨胀和等熵膨胀的原理节流膨胀和等熵膨胀的原理新华社伦敦10月21日电(记者张滨阳)中国广核集团和法国电力集团21日宣布，就共同修建和运营英国萨默塞特郡的欣克利角C核电站达成战略投资协议。.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环一一.蒸汽动力循环为正向卡诺循环蒸汽动力循环为正向卡诺循环二二.蒸汽动力循环蒸汽动力循环1.工作原理及工作原理及T-S图图蒸汽动力循环的主要设备有：蒸汽动

4、力循环的主要设备有：透平机透平机（汽轮机汽轮机）冷凝器冷凝器 水泵水泵 锅炉锅炉、过热器等组成过热器等组成 工作介质一般为水工作介质一般为水水泵水泵锅炉锅炉1234P1T1的高压高温蒸汽进入的高压高温蒸汽进入气轮机等熵膨胀到状态气轮机等熵膨胀到状态2，同时对外做功，同时对外做功，2点状态点状态为乏汽从汽轮机流出后进为乏汽从汽轮机流出后进入冷凝器，乏汽在冷凝器入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潜热而变为该中放出汽化潜热而变为该压力下的饱和水，放出的压力下的饱和水，放出的热量由冷却水带走，达到热量由冷却水带走，达到状态状态3，饱和水经水泵升，饱和水经水泵升压到压到P1进入锅炉，在锅炉进入锅炉，在锅炉

5、吸收热量，使工质变化到吸收热量，使工质变化到状态状态1，完成一个循环。，完成一个循环。气气轮轮机机冷冷凝凝器器T-S图图QHQLWsTT吸吸T放放S问题在于：问题在于：（1）湿蒸汽对汽轮机和水湿蒸汽对汽轮机和水泵有浸蚀作用泵有浸蚀作用，汽轮机带水汽轮机带水量不得超过量不得超过10%，水泵不能水泵不能带入蒸汽进泵；带入蒸汽进泵；（2）绝热可逆过程实际上绝热可逆过程实际上难以实现难以实现。第一个具有实际意义的蒸第一个具有实际意义的蒸汽动力循环是朗肯循环汽动力循环是朗肯循环。1234（1）工质进汽轮机状态不同工质进汽轮机状态不同（2）膨胀过程不同膨胀过程不同2.朗肯循环朗肯循环（3）工质出冷凝器状态

6、不同工质出冷凝器状态不同（4）压缩过程不同压缩过程不同（5）工作介质吸热过程不同工作介质吸热过程不同朗肯循环：饱和水朗肯循环：饱和水朗肯循环：不可逆绝热过程，若忽朗肯循环：不可逆绝热过程，若忽略掉工作介质水的摩擦与散热，可略掉工作介质水的摩擦与散热，可简化为可逆过程。简化为可逆过程。郎肯循环：不可逆吸热过程，郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着等压线变化沿着等压线变化卡诺循环：湿蒸汽卡诺循环：湿蒸汽卡诺循环：等熵过程卡诺循环：等熵过程卡诺循环：气液共存卡诺循环：气液共存卡诺循环：等熵过程卡诺循环：等熵过程卡诺循环：等温过程卡诺循环：等温过程朗肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在朗肯循环也是

7、由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在朗肯循环：干蒸汽朗肯循环：干蒸汽朗肯循环：不可逆绝热过程朗肯循环：不可逆绝热过程12234ST水过热蒸汽饱和蒸汽沸点定压升温定温定压汽化定压升温12 对应于汽轮机对应于汽轮机23 冷凝器中进行冷凝器中进行，在在冷凝器里冷却水把工作介冷凝器里冷却水把工作介质的热量带走使其由气体质的热量带走使其由气体转变为液体转变为液体。34 水泵中进行加水泵中进行加41 锅炉中进行锅炉中进行，水在水在锅炉中恒压加热锅炉中恒压加热。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

8、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。理想朗肯循环理想朗肯循环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2341WS膨胀功膨胀功Q1Q2WP压缩功压缩功123TS4ab Q2WNQ121 HQWS12HH 0理想理想Rankine循环循环43 HWP34HH dPVPP 43水水）（水水34PPV 3.朗肯循环过程的热力学计算朗肯循环过程的热力学计算14114QHHH 22332QHHH 22332QHHH 1212HHHws1212HHHw

9、s(1)工作介质在锅炉中吸热量工作介质在锅炉中吸热量kJ/kg(2)工作介质在冷凝器中排放的热量工作介质在冷凝器中排放的热量kJ/kg（理想）（理想）(3)汽轮机工作介质的单位产功量汽轮机工作介质的单位产功量（理想）（理想）kJ/kg34HHHwp34ppvpvvdpwp 21431412114()spHpsswwHHHHQHHwwwHHQHHQ(4)水泵中工作介质的单位耗功量水泵中工作介质的单位耗功量kJ/kg由于液态水的不可压缩性，水泵中工作介质耗功量可按由于液态水的不可压缩性，水泵中工作介质耗功量可按下列式近似计算下列式近似计算(5)热效率热效率定义：锅炉中所提供的热量中转化为净功的量定

10、义：锅炉中所提供的热量中转化为净功的量数学式：数学式：0时，表示节流后压力下降，温度也下降时，表示节流后压力下降，温度也下降致冷致冷当当J=0时，表示节流后压力下降，温度不变化时，表示节流后压力下降，温度不变化当当J0J 0，致冷区致冷区。在转化曲线右侧在转化曲线右侧，等等焓线上焓线上，随随P，T，J0 Cp0恒大于零恒大于零.利用积分等熵温度效应利用积分等熵温度效应dpTTTppss2112dpCTVTdpTppppppss2121(3)积分等熵温度效应积分等熵温度效应等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化，称为积分等熵膨胀效应。度变化，称为积分等

11、熵膨胀效应。计算积分等熵温度效应的方法有计算积分等熵温度效应的方法有4种：种：理想气体的积分等熵温度效应理想气体的积分等熵温度效应TS在有在有T-S图时图时，最最方便的方法是由方便的方法是由T-S图读取图读取TSkkppTT11212kkppTT11212111211112112kkkksppTTppTTTT对于理想气体对于理想气体绝热可逆过程绝热可逆过程T-S图法图法 用等焓节流效应计算用等焓节流效应计算pJsCVdpCVdpTpppppJs2121dpVCTTpppHs211若若Cp=Const，三三.等熵膨胀与节流膨胀的比较等熵膨胀与节流膨胀的比较1220TSP1P21.等熵膨胀与气体的

12、属性及状态等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对任何气体任何状态都无关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。产生制冷效应。QS=Ho-H2=(Ho-H1)+(H1-H2)=QH+WRSHTT 12TTTs-TTT12H制冷量：制冷量：QS QHQH=Ho-H2=Ho-H12.3.设备与操作设备与操作节流膨胀：简单，节流阀；节流膨胀：简单，节流阀；等熵膨胀：复杂，膨胀机，需要低温等熵膨胀：复杂，膨胀机，需要低温 润滑油。润滑油。4.操作条件与运行情况操作条件与运行情况一般大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀。一般大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀。这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化

13、的依据。这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。应用举例应用举例P186 例例7-57.3 制冷循环制冷循环当冷冻温度大于当冷冻温度大于100即即173K，称普通冷冻称普通冷冻。小于小于100即即173K称深度冷冻称深度冷冻。一一.制冷循环为逆向卡诺循环制冷循环为逆向卡诺循环制冷循环：消耗外功或热能而实现热由低温传向高制冷循环：消耗外功或热能而实现热由低温传向高温的逆向循环温的逆向循环。逆向卡诺循环：理想的制冷循环，由两个等温过程逆向卡诺循环：理想的制冷循环，由两个等温过程与两个等熵过程组成。与两个等熵过程组成。1.工作原理及工作原理及T-S图图主要设备有：主要设备有：压缩机压缩机冷凝

14、器冷凝器膨胀机（节流阀）膨胀机（节流阀）蒸发器蒸发器在制冷过程中，要涉及到相变、在制冷过程中，要涉及到相变、工质、压力、沸点等问题。工质、压力、沸点等问题。逆向卡诺循环为可逆循环，借助逆向卡诺循环为可逆循环，借助T-S图，得出：图，得出：循环的放热量：循环的放热量：23214()()HHqTSSTSS 循环的吸热量：循环的吸热量：制冷剂的制冷剂的014()LqT SS0,0HQ制冷剂等熵压缩消耗的功制冷剂等熵压缩消耗的功WS：2014()()()SHLWqqqTTSS 评价蒸汽压缩制冷循环的技术经济指标用制冷系数评价蒸汽压缩制冷循环的技术经济指标用制冷系数表示。表示。定义：制冷装置提供的单位制

15、冷量定义：制冷装置提供的单位制冷量q0与压缩单位质量与压缩单位质量制冷剂所消耗的功量制冷剂所消耗的功量WS之比。之比。逆向卡诺循环制冷系数：逆向卡诺循环制冷系数：0SqW01414)()()(LLSHLHLqT SSTWTTSSTT结论结论 制冷循环中，高温物体的放热量总是大于低温物体制冷循环中，高温物体的放热量总是大于低温物体的吸热量，两者之差等于压缩机消耗的能量所转换的吸热量，两者之差等于压缩机消耗的能量所转换的热量；的热量；逆向卡诺循环的制冷系数仅取决于高温物体和低温逆向卡诺循环的制冷系数仅取决于高温物体和低温物体的温度，与制冷剂的性质无关；物体的温度，与制冷剂的性质无关；在相同温度区间

16、工作的制冷循环，制冷系数以逆向在相同温度区间工作的制冷循环，制冷系数以逆向卡诺循环为最大。卡诺循环为最大。二、实际二、实际压缩制冷循环压缩制冷循环实际压缩制冷循环就其循环所需的设备来说，完全与实际压缩制冷循环就其循环所需的设备来说，完全与卡诺压缩制冷循环所需要的设备相同，卡诺压缩制冷循环所需要的设备相同，关键在于在循环的过程中，每一步都不一定是可逆的。关键在于在循环的过程中，每一步都不一定是可逆的。它与卡诺压缩制冷循环不同处表现在五个方面。它与卡诺压缩制冷循环不同处表现在五个方面。sWQHRHHHRs制冷剂（工质）进压缩机状态不同制冷剂（工质）进压缩机状态不同卡诺：湿气卡诺：湿气实际：干气实际

17、：干气压缩过程不同压缩过程不同卡诺：等熵过程卡诺：等熵过程实际：不可逆绝热过程实际：不可逆绝热过程等熵效率：等熵效率：s=等熵过程耗功等熵过程耗功/实际过程耗功实际过程耗功s 1若若Q=0 则则 Ws，R=卡诺：等温过程卡诺：等温过程实际：不可逆过程，沿着等压线变化。实际：不可逆过程，沿着等压线变化。冷凝过程不同冷凝过程不同 制冷剂出冷凝器状态不同制冷剂出冷凝器状态不同卡诺：饱和液体卡诺：饱和液体实际：过冷液体实际：过冷液体 膨胀过程不同膨胀过程不同卡诺：等熵（膨胀机）卡诺：等熵（膨胀机）实际：等焓（节流阀）实际：等焓（节流阀）实际压缩制冷循环：实际压缩制冷循环：12341理想压缩制冷循环：理

18、想压缩制冷循环：12”34”1卡诺压缩制冷循环：卡诺压缩制冷循环：12341 1222331444ST对于实际压缩制冷循环对于实际压缩制冷循环，经历的经历的12对应于压缩机对应于压缩机（工厂：冰机工厂：冰机，氨压机氨压机，制冷机制冷机）23冷凝器进行冷凝器进行在冷凝器里在冷凝器里，冷却水冷却水（或空气或空气）把把工质的热量带走工质的热量带走，使其由高压气体使其由高压气体转变成高压液体转变成高压液体。34节流阀进行节流阀进行（冰箱毛细管冰箱毛细管）41蒸发器进行蒸发器进行大盐水槽供热大盐水槽供热（冰箱食物热冰箱食物热）压缩制冷过程的热力学计算压缩制冷过程的热力学计算410HHq23HHqH12H

19、HWs12410HHHHwqs)(4100HHGGqQ单位冷冻量：单位冷冻量：1kg制冷剂在循环过程中所提供的冷量。制冷剂在循环过程中所提供的冷量。kJ/kg冷凝器的单位热负荷冷凝器的单位热负荷kJ/kg单位耗功量单位耗功量kJ/kg制冷系数制冷系数冰机的制冷能力冰机的制冷能力Q0kJ/hG制冷剂循环量制冷剂循环量1冷冻吨冷冻吨=1*103*334.5/24=1.394*104kJ/h1冷冻吨冷冻吨=每天将每天将273.16K的的1吨水凝结为同温度的冰所需取走的热量。吨水凝结为同温度的冰所需取走的热量。由于由于1kg水凝结为冰要放出水凝结为冰要放出334.5 kJ的热量的热量00/qQG HH

20、GqQ3600/sTGwN00/qQG/0qws制冷剂循环量制冷剂循环量kg/h 冷凝器的热负荷冷凝器的热负荷kJ/hQH是设计冷凝器的基本依据。是设计冷凝器的基本依据。Kw 压缩机的轴功率压缩机的轴功率360036000000QqqQNTKw 计算举例计算举例P190-191 例例7-7 3.制冷剂的选择制冷剂的选择选择原则：五条选择原则：五条大气压力下沸点低；大气压力下沸点低；汽化潜热大，减少制冷剂的循环量，缩小压缩机的汽化潜热大，减少制冷剂的循环量，缩小压缩机的尺寸尺寸；常温下的冷凝压力应尽可能的低，以降低对冷凝常温下的冷凝压力应尽可能的低，以降低对冷凝器的耐压与密封的要求；器的耐压与密

21、封的要求；具有较高的临界温度与较低的凝固温度，使大部具有较高的临界温度与较低的凝固温度，使大部分的放热过程在两相区内进行；具有化学稳定性、分的放热过程在两相区内进行；具有化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。不易燃、不分解、无腐蚀性。三三、多级多级压缩制冷和复迭式制冷压缩制冷和复迭式制冷在氨制冷剂中在氨制冷剂中，一般蒸发温度低于一般蒸发温度低于-30时时，采用两级压缩采用两级压缩。低于低于-45时时，采用三级压缩采用三级压缩。1.两级压缩制冷循环两级压缩制冷循环(1)工作原理及工作原理及T-S图图122345678STPm 耗功小耗功小，节能节能 制冷率大制冷率大 可同时得到不同温可同时得到不

22、同温度的低温度的低温(2)两级压缩两级蒸发的好处两级压缩两级蒸发的好处思考一下三级压缩思考一下三级压缩三级蒸发的原理图三级蒸发的原理图?2.复迭式制冷复迭式制冷（1）目的：为了得到更低的制冷温度目的：为了得到更低的制冷温度。（2）特点：特点：使用两种使用两种（或两种以上或两种以上）制冷剂；制冷剂；各自构成独立的制冷循环；各自构成独立的制冷循环；低温度级的蒸发器是更低温度级的冷凝器低温度级的蒸发器是更低温度级的冷凝器。(3)工作原理及工作原理及T-S图图ST12345678（4）对两种制冷剂的要求对两种制冷剂的要求（如氨如氨、乙烯组成的复迭式制冷乙烯组成的复迭式制冷）低温循环的制冷剂低温循环的制

23、冷剂（NH3）蒸发温度蒸发温度更低更低温度制冷剂的凝固温度温度制冷剂的凝固温度Ts;更低温循环的制冷剂更低温循环的制冷剂（乙烯乙烯）冷凝温度冷凝温度低温制冷蒸发低温制冷蒸发的温度的温度.四、吸收式四、吸收式制冷制冷1.吸收式制冷的工作原理吸收式制冷的工作原理将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相比较比较，其其不同点不同点仅在于：仅在于：蒸汽压缩制冷循环：蒸汽压缩制冷循环：压缩机压缩机（消耗机械功消耗机械功）吸收式制冷循环：吸收式制冷循环：吸收塔，解吸器，换热器，泵（消耗低品吸收塔，解吸器，换热器，泵（消耗低品位热量位热量）2.评价吸收式制冷循环的经济指标评价吸

24、收式制冷循环的经济指标最大热力系数：最大热力系数：低品位蒸汽供热量制冷量0QQQHLRHRLHLHLTTTTTTQQ用于评价吸收式制冷循环的经济指标是热力系数用于评价吸收式制冷循环的经济指标是热力系数（能量利用系数）（能量利用系数）五、热泵五、热泵0HPSsSQQWwW热泵是消耗机械功，完成热量从低温区传向高温区热泵是消耗机械功，完成热量从低温区传向高温区并维持高于环境温度的设备。并维持高于环境温度的设备。工厂利用：温度偏低余热的回收。工厂利用：温度偏低余热的回收。工作目的：供热，即从自然环境或低温余热中吸取工作目的：供热，即从自然环境或低温余热中吸取热量并将它传送到需要的高温空间。热量并将它传送到需要的高温空间。热泵循环的性能指标用热泵供热系数热泵循环的性能指标用热泵供热系数表示，表示，即消耗单位功量所得到的的供热量。即消耗单位功量所得到的的供热量。HPQ热泵的供热量热泵的供热量kJ/kg；Q0低温区被吸收的热量低温区被吸收的热量kJ/kg；WS消耗的机械功消耗的机械功kJ/kg。