1、2018/6/6,第七章,蒸汽动力循环和制冷循环,2018/6/6,第七章内容,7.1 蒸汽动力循环7.1.1 Rankine(朗肯)循环7.1.2 Rankine循环的改进 7.2 气体绝热膨胀制冷原理7.2.1 节流膨胀7.2.2 对外作功的绝热膨胀7.3 制冷循环7.3.1 蒸汽压缩制冷循环7.3.2 吸收制冷循环,工作原理循环中工质状态变化能量转换计算循环过程热力学分析,2018/6/6,前言,循环：体系从初态开始，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。蒸汽动力循环：是以水蒸汽为工质，将热连续地转变成功的过程，其主要设备是各种热机。产功的过程。如火力发电厂，
2、大型化工厂冷冻循环：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。耗功的过程。-100 以上为普冷， -100 以下为深冷。,2018/6/6,前言,如何将1atm 300atm?需要压缩机，消耗动力。,中国60年代，15001800度电/吨NH3。中国70年代，仅1030度电/吨NH3。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：,电,高温热源,废热锅炉，产生高压蒸汽,压缩机 (氢循环压缩机),透平机,2018/6/6,流体通过压缩机、膨胀机,7.1 蒸汽动力循环,稳定流动体系的热力学第一定理：, u20，g Z0，若绝热过程Q=0Ws= H= H2-H1,高压高温
3、蒸汽带动透平产生轴功。（流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量，称为轴功Ws。）,2018/6/6,7.1 蒸汽动力循环,3 4水在水泵中被压缩升压。4 1 进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后。1 2 进入透平机膨胀作功。2 3 作功后的低压湿蒸汽进入冷凝器被冷凝成水，再回到水泵中，完成一个循环。,蒸汽动力循环原理,蒸汽动力循环主要由水泵、锅炉、透平机和冷凝器组成。,2018/6/6,锅炉,水泵,原理,水压缩,水加热至过热蒸汽,蒸汽作功,蒸汽冷凝成水,理想Rankine循环,等S膨胀,等S压缩,等压吸热,相变,3 4 饱和水可逆绝热压缩过程。（等S）4 1 高压水等压升温和汽化，等压吸
4、热过程1 2 过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。（等S）2 3 湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。,7.1.1 Rankine (朗肯)循环,2018/6/6,卡诺循环的缺点,锅炉加热,4,1,2,3,透平机后的乏气,汽+液,汽+液,泵,冷凝器,透平机,缺点之二:对于泵易产生气缚现象,缺点之一:透平机要求干度X0. 9但2点的X0 经节流膨胀后，气体温度降低。（冷效应）,0 的气体,如N2 。3) H2和 He等气体在常温下J-T0,转化曲线J-T=0,2018/6/6,1、T-S图上求TH,T1,T2,TH,等焓线,1,2,7.2.1 节流膨胀,节流膨胀的温度降TH是衡量制冷效果的重要指标。,
5、如何计算节流膨胀温度降TH？,TH=T2-T1,2018/6/6,7.2.1 节流膨胀,T1，P1节流膨胀前的温度、压力T2，P2节流膨胀后的温度、压力,2018/6/6,7.2.2对外作功的绝热膨胀,对外作功的绝热膨胀：若过程为可逆，则为等S膨胀。等S膨胀与节流膨胀有异同点。异：等S膨胀通过膨胀机对外作功，而节流膨胀不作功同：均为绝热膨胀。,节流膨胀,等S膨胀,微分等熵膨胀效应系数S,2018/6/6,对外作功绝热膨胀的温度降,2,S,T1,T2,T2,TH,TS,2018/6/6,节流膨胀与等熵膨胀的比较,节流膨胀与等熵膨胀均是获取低温即制冷的方法,2018/6/6,7.3 制冷循环,7.
6、3.1 蒸汽压缩制冷循环7.3.2 吸收制冷循环7.3.3 热泵的工作原理,消耗外功,消耗热能,2018/6/6,7.3.1蒸汽压缩制冷循环,蒸汽压缩制冷循环是由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成。 制冷循环的工质采用低沸点物质作为制冷剂。如：氟里昂R22（CHClF2）的Tb=-40.80 ，N2 的Tb=-195.75 利用制冷剂在冷凝器中的液化和在蒸发器中的汽化，实现在高温下排热，低温下吸热过程。,q0,q2,冰箱冷冻室提供q0,通过冰箱散热片向大气排出q2,2018/6/6,7.3.1蒸汽压缩制冷循环,理想制冷循环(可逆制冷)即为逆卡诺循环。四个可逆过程构成：,1-2：绝热可逆压缩,
7、从T1升温至T2，等熵过程，消耗外功WS2-3： 等温可逆放热(q2）；3-4： 绝热可逆膨胀，从T2降温至T1，等熵过程，对外作功4-1：等温可逆吸热(q0）,S,T,3,2,1,4,T1,T2,1、逆向卡诺循环,压缩机,蒸发器,节流阀,冷凝器,WS,q0,q2,2018/6/6,7.1蒸汽动力循环,蒸汽动力循环原理,2018/6/6,逆卡诺循环的缺点：（1）12和34的过程会形成液滴，在压缩机和膨胀机的气缸中产生“液击”现象，容易损坏机器；（2）实际过程难以接近四个可逆过程；问题：如何改进？,1、逆向卡诺循环,2018/6/6,2、蒸汽压缩制冷循环,蒸汽压缩制冷循环由四步构成：12 低压蒸
8、汽的压缩24 高压蒸汽的冷凝45 高压液体的节流膨胀，P ，T51低压液体的蒸发,蒸汽压缩制冷循环对逆卡诺循环的改进：1）把绝热可逆压缩过程12安排在过热蒸汽区，使湿蒸汽变为干气。即“干法操作”。2）把原等熵膨胀过程改为45的等焓节流膨胀过程，节流阀的设备简单、操作易行。,T1=T5=蒸发温度,T3=T4=冷凝温度,节流膨胀（等H）,等S膨胀,2018/6/6,2,4,1,3,5,q0,q2,3、蒸汽压缩制冷循环几个重要指标,1）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量),2018/6/6,T,S,3,2,1,4,循环的H = 0，故,例6 试求工作于两个恒温热库高温TH和低温TL间的理想制冷循环
9、即逆向卡诺(Carnot)循环的放热量q2，制冷量q0以及制冷系数C。,TH,TL,2018/6/6,结论：逆向卡诺循环的制冷系数C仅是温度(蒸发温度TL和冷凝温度TH的函数，与工质性质无关。在相同温度区间TL, TH 工作的任何制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数C为最大。它可作为一切实际循环的比较标准。,2018/6/6,例7 有一氨冷冻循环装置，其制冷能力（冷冻量）为105 kJh-1，蒸发温度-15，冷凝温度30 。假设压缩机绝热可逆运行，求1）制冷剂的循环量；2）压缩机功耗和处理的蒸气量；3）冷凝器热负荷；4）节流阀后制冷剂中蒸气的含量；5）循环制冷系数；6） C,解：关键是要确定1,
10、2,3,4,5点的状态,单级蒸汽压缩制冷循环图,温熵图,压焓图,2018/6/6,由氨的饱和蒸汽表查取有关数据：1点： T1=-15H1=1664kJ/kg；S1=9.021kJ/kgKv1=0.508m3/kg,2点：T3=30其相应饱和蒸汽压力P3=1.17MPa； P2=P3 S2 = S1 = 9.021kJ/kgK=2.158 kcal/kgK；*用S2和P2查H2 =1880 kJ/kg=450kcal/kg；,4点： T4=30与饱和液体相交，据此查得H4= 134 kcal/kg=560.53kJ/kg；,5点： T5 =T1= -15，由于4-5是等焓过程，H5 = H4 =
11、 560.53kJ/kg；,T1,T2,2018/6/6,1.制冷剂的循环量m,3.压缩机功耗PT,2.压缩机每小时处理的制冷剂蒸汽量V:,4.冷凝器热负荷Q2,2018/6/6,6.制冷系数,5.节流阀后制冷剂中蒸汽的含量,即求5点的干度X,7.逆卡诺循环的制冷系数C,2018/6/6,1、为了增加冷冻量，制冷剂在冷凝器中，被过冷到低于饱和温度的4（过冷液体）。2、冷冻量增加了55dc5，若耗功量WS仍为H2-H1，则制冷系数增大。3、为了计算方便， 4过冷液体的性质用4点温度对应的饱和液体代替。4、实际制冷循环往往不可能是完全等熵的，22，则耗功量WS为H2-H1。,4、蒸汽压缩制冷循环实
12、际制冷循环,2,2,5,4,1,4,3,5,c,d,2018/6/6,2,2,5,4,实际蒸汽压缩制冷循环,1,4,2点的性质用等熵效率计算,3,5,冷凝温度,蒸发温度,过冷温度,过冷度,：T4 =T3,：T4,=T4-T4,:T5=T5=T1,解题关键：确定2, 4 点的状态,4点过冷液体的性质用4点温度对应的饱和液体代替。,5、几个定义,30,25,5,-15,冰箱四星级T1=-24,三星级T1=-18,国际标准冷冻条件,2018/6/6,2,2,5,4,1,4,3,5,实际蒸汽压缩制冷循环计算,q0,q2,1）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量),p.150例6-9,2018/6/6,
13、补充习题,1.制冷循环装置以NH3为工质，制冷能力是10000kcal/hr，冷凝温度25 ，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，功耗过大，建议进行改进，冷凝温度仍为25 ，但过冷到 20，蒸发温度改为 -5，问1）在T-S图上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；3）改进后理想功耗可减少多少KW？设压缩过程按可逆绝热过程考虑。有关数据查NH3的T-S图。,2018/6/6,改进前： 1点 -20查氨饱和蒸汽表 得H1=1657.43 kJ / kgS1=9.0962kJ / kg.K P1 =0.1902 MPa2点 查
14、lnP-H图，T4=25对应的P4 =1.003 MPa 与 S2= S1=9.0962kJ / kg.K相交处的点即为2点，P2 =1.003 MPa H2=1880 kJ / kg 3 点 T3=25，P3= P4 =1.003 MPa4 点 T3=25，P4 =1.003 MPa 查氨饱和蒸汽表H4=536.45 kJ / kg 5点 H5=H4=536.45 kJ / kg,2018/6/6,改进后：1点 -5，查氨饱和蒸汽表 得 H1=1676.35 kJ / kg ，S1=8.8789kJ / kg.K 2点查lnP-H图，T4=25 与P4=1.003MPa S2=S1=8.87
15、89kJ / kg.K 相交处的点即为2点 H2=1800 kJ / kg 3点 T3=25，P3= P4 =1.003 MPa 4点 T4=20 ，H4=512.46 kJ / kg / kg 5点 H5= H4=512.46 kJ / kg,2018/6/6,蒸发温度、冷凝温度的选择,3、制冷级数的选择：当蒸发温度 -25 一级压缩当蒸发温度 -30 二级压缩当蒸发温度0 节流膨胀后，气体温度降低.(冷效应)0 的气体,如N2 。,2018/6/6,2,2,5,4,1,4,3,5,1）冷凝温度：T4 =T3,2）过冷温度：T4,3）过冷度=T4-T4,4）蒸发温度:T5=T5=T1,几个易混淆的概念：,实际蒸汽压缩制冷循环计算,6）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量),q0,q2,2018/6/6,2,2,5,4,1,4,3,5,实际蒸汽压缩制冷循环计算,q0,q2,2018/6/6,烧电炉，消耗1J的机械功，仅获得1J的热量利用热泵比直接烧电炉获得的热量更多！,制冷循环是蒸汽动力循环的逆过程。制冷循环：利用机械功使热量从低温高温的过程。家用空调，夏天制冷和冬天供热利用的均是制冷循环原理。夏天制冷:制冷机冬天供热：热泵,合理利用能源，是对社会最大的贡献！,
