第8章蒸汽动力循环与制冷循环.

第8章蒸汽动力循环与制冷循环将热能变为机械能必须通过循环才能完成，而组成循环的热力过程主要是在热力原动机中进行的。根据所采用工质的不同，热力原动机循环分为两类：以蒸汽为工质的称为蒸汽动力循环，而以气体为工质的则称为气体循环。其中以蒸汽动力循环最为主要，其研究对象不是原动机的结构与构件，而是工质所经历的状态及其变化过程。制冷循环是一种逆向循环。逆向循环的目的在于把低温物体(热源)的热量转移到高温物体(热源)去。根据Clausius对热力学第二定律的描内容概要述，要使热量从低温物体传到高温物体，必须提供机械能或热能作为代价。如果循环的目的是从低温物体(如冷藏室、冷库等)不断地取走热量，以维持物体的低温，称之为制冷循环；如果循环的目的是给高温物体(如供暖的房间)不断地提供热量，以保证高温物体的温度，称之为热泵循环。习惯上，制冷温度在-100℃以上者，称为普冷，低于-100℃者称为深冷。制冷广泛应用于化工生产中的低温反应、结晶分离、气体液化以及生活中的冰箱、空调、冷库等各方面。1)逆Carnot循环热力学原理与蒸汽压缩制冷循环的基本组成，制冷系数和单位工质循环量的计算；2)Rankine循环的热力学分析方法，热效率、气耗率的概念与计算，以及Rankine循环的改进方法。3)了解Otto循环和Diesel燃气循环和燃气轮机过程分析；4)热泵的基本概念和在工业生产中的应用；5)了解深冷循环，掌握空气液化原理及其计算方法。重点内容热机将热能转化为机械能等动力的装置工厂、交通工具、居民、办公用电热力循环过程热机的工作循环蒸汽动力循环燃气动力循环制冷获得并保持低于环境温度的操作制冷循环输入外功实现从低温环境吸热排向高温环境的循环蒸汽动力循环蒸汽压缩制冷循环P1T1的高压高温蒸汽进入气轮机等熵膨胀到状态2，同时对外做功，2点状态为乏汽从汽轮机流出后进入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潜热而变为该压力下的饱和水，放出的热量由冷却水带走，达到状态3，饱和水经水泵升压到P1进入锅炉，在锅炉吸收热量，使工质变化到状态1，完成一个循环。8.1蒸汽动力循环－Rankine循环过程分析水泵锅炉1234气轮机冷凝器T-S图QHQLWsTS1234问题在于：（1）湿蒸汽对汽轮机和水泵有浸蚀作用，汽轮机带水量不得超过10%，水泵不能带入蒸汽进泵；（2）绝热可逆过程实际上难以实现。第一个具有实际意义的蒸汽动力循环是郎肯循环。8.1.1Rankine循环锅炉过热器汽轮机冷凝器水泵12341234TS(b)T-S图(a)工作原理图2’图8-1Rankine蒸汽动力循环装置组成循环过程（1）工质进汽轮机状态不同（2）膨胀过程不同（3）工质出冷凝器状态不同（4）压缩过程不同（5）工作介质吸热过程不同郎肯循环：饱和水郎肯循环：不可逆绝热过程，若忽略掉工作介质水的摩擦与散热，可简化为可逆过程。郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着等压线变化卡诺循环：湿蒸汽卡诺循环：等熵过程卡诺循环：气液共存卡诺循环：等熵过程卡诺循环：等温过程郎肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在郎肯循环：干蒸汽郎肯循环：不可逆绝热过程1→2过热水蒸汽在汽轮机内等熵膨胀，变成湿蒸汽，同时对外作输出轴功2→3湿蒸汽在冷凝器内等压、等温冷凝，变成饱和液体水3→4冷凝水在水泵中等熵压缩，进回至锅炉4→1水在锅炉中吸收热量，完成预热、汽化、过热阶段过程，变成过热水蒸汽热力学分析汽轮机中工质对外作功量(过程1→2)-1S(R)21(kJkg)WHHH冷凝器中工质对外放热量-1L32(kJkg)QHHH水泵消耗的压缩功量-1pump43343(kJkg)WHHHVpp工质从锅炉中吸收的热量-1H14(kJkg)QHHH热效率S(R)pump2143NTHH14WWHHHHWQQHHS(R)12TH14WHHQHH汽耗率蒸汽动力装置中每输出1的净功所消耗的蒸汽量-1N3600SSCkgkWhW例8.2某核动力循环如图所示，锅炉从温度为380℃的核反应堆吸入热量Q1产生压力为7MPa、温度为360℃的过热蒸汽（点1），过热蒸汽经汽轮机膨胀做功后于0.8MPa压力下排出（点2），乏气在冷凝器中向环境温度t0=20℃下进行定压放热变为饱和水（点3），然后经泵返回锅炉（点4）完成循环，已知汽轮机的额定功率为15104kW,汽轮机作不可逆的绝热膨胀,其等熵效率为0.75,而水泵可认为作可逆绝热压缩,试求:(1)此动力循环中蒸汽的质量流量;(2)汽轮机出口乏气的湿度;(3)循环的热效率.例题8.1核反应堆锅炉汽轮机t=380℃12或2’34冷凝器P1=7MPat1=360℃22’134TS提高Rankine循环热效率的途径LcarnotH1TT降低冷凝器温度提高锅炉温度平均吸热温度TS12345678910TS1'12'234'5'45c图8-3图图图图图图图8-4图图图图图T-S图mT1p1p2p2x2x2x1与1'点的压力高低？等效Carnot循环的平均吸热温度Tm8.1.2Rankine循环的改进8.1.2.1回热循环123456789α1α21-α1-α21-α1TS1236789过热器汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器水泵1水泵2水泵3一号回热器二号回热器α1α21-α1-α2图8-5图图图图图图图图图图图图图图(a)工作原理图(b)T-S图8.1.2.2再热循环x2’图8-7再热循环图TS11’22’5643x211'2’356过热器再热器汽轮机发电机冷凝器冷却水锅炉给水泵(a)工作原理图(b)T-S图目前超高压(蒸汽初压为13和24MPa或更高)的大型电厂几乎毫无例外地采用再热循环8.2内燃机热力过程分析使用气体或液体燃料，在汽缸中以燃烧时生成的燃气作为工质驱动循环的机械装置内燃机点燃式内燃机(汽油机)定容加热循环压燃式内燃机(柴油机)定压加热循环混合加热循环Jetta柴油车8.2.1定容加热循环Otto循环pV大气压力01234排气阀进气阀pV1234TS1234(a)实际工作原理图(c)T-S图(b)p-V图图8-8图图图图图图图图图图图图图内燃机是一个敞开系统每一个循环都要从外界吸入工质，循环结束时将废气排于外界与蒸汽动力循环不同适合使用汽油8.2.2定压加热循环pV1234TS123401234排气阀进气阀(a)实际工作原理图(c)T-S图(b)p-V图图8-9图图图图图图pVDiesel循环依靠压缩后的高温空气使燃料着火燃烧，使用柴油柴油机压燃式内燃机现代高速柴油机既有定压加热又有定容加热混合加热循环8.3燃气轮机过程分析以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机油泵叶轮式压气机空气燃气轮机发电机废气燃烧室1234pV1234TS1234(a)实际工作原理图(c)T-S图(b)p-V图图8-10燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环的热效率仅与增压比β有关/β愈大，热效率愈高优点体积小，功率大，结构紧凑，运行平稳材料要求高压气机消耗功率大缺点8.4制冷循环原理与蒸汽压缩制冷过程分析当冷冻温度大于-100℃，称普通冷冻。小于-100℃称深度冷冻。8.4.1.制冷循环为逆向卡诺循环正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质放热温度。逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度。等温蒸发等温冷凝TS1234T放T吸WS耗功过程：耗功量最小。实际过程的耗功量要大于逆向卡诺循环的耗功量二.蒸汽压缩制冷循环1.工作原理及T-S图主要设备有：压缩机冷凝器膨胀机（节流阀）蒸发器四部分组成。在制冷过程中，要涉及到相变、工质、压力、沸点等问题蒸发器冷凝器压缩机膨胀机或节流阀1234QHQL载冷体特点：传热过程可逆(1)卡诺压缩制冷循环压缩、膨胀过程可逆由热力学第一定律：sWQH0H循环过程WsQ吸放QQQ）（放1423SSTSSTQHH）（）（吸1441SSTSSTQLL)(14SSTTQLH）（故：)(14SSTTWLHs）（定义：消耗单位功所获得的冷量。WsQC吸衡量制冷效果好坏的一个技术指标是制冷系数。卡诺压缩制冷循环制冷系数LHLLHLCTTTSSTTSSTWsQ4141吸Carnot循环的制冷系数ξC取决于高温和低温热源的温度制冷系数与冷却温度TH和载冷体（被冷物质）TL有关。若制冷温度TL（由工艺条件决定）一定，TH↘，ε↗结论:若冷却水（空气）TH一定，TL↗，ε↗，因此要以满足工艺条件为依据。如果工艺条件为-20℃，一般选取TL=-25℃即可性。过冷5℃，不能太多。8.4.2实际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。它与卡诺压缩制冷循环不同处表现在五个方面。∴sWQHHHHss①制冷剂（工质）进压缩机状态不同卡诺：湿气实际：干气②压缩过程不同卡诺：等熵过程实际：不可逆绝热过程等熵效率：ηs=等熵过程耗功/实际过程耗功ηs≤1∵若Q=0则Ws=卡诺：等温过程实际：不可逆过程，沿着等压线变化。③冷凝过程不同④制冷剂出冷凝器状态不同卡诺：饱和液体实际：过冷液体⑤膨胀过程不同卡诺：等熵（膨胀机）实际：等焓（节流阀）实际压缩制冷循环：12341理想压缩制冷循环：12”3’4”1卡诺压缩制冷循环：1’2’3’4’1’122’’2’33’1’44’’4’ST对于实际压缩制冷循环，经历的1——2对应于压缩机（工厂：冰机，氨压机，制冷机）2——3冷凝器进行在冷凝器里，冷却水（或空气）把工质的热量带走，使其由高压气体转变成高压液体。3——4节流阀进行（冰箱毛细管）4——1蒸发器进行大盐水槽供热（冰箱食物热）2.压缩制冷过程的热力学计算410HHq23HHqH12HHWs12410HHHHwqs)(410HHGGqQt①单位冷冻量：1kg制冷剂在循环过程中所提供的冷量。kJ/kg②冷凝器的单位热负荷kJ/kg③单位耗功量kJ/kg④制冷系数⑤冰机的制冷能力QtkJ/hG——制冷剂循环量00/qQGHHGqQ3600/)(sTwGN00/qQG/0qws⑥制冷剂循环量kg/h⑦冷凝器的热负荷kJ/hQH是设计冷凝器的基本依据。Kw⑧压缩机的轴功率360036000000QqqQNTKw例8.3某一空气调节装置的制冷能力为4.18×104kJ·h-1，采用氨蒸汽压缩制冷循环。氨蒸发温度为283K。假定氨进入压缩机时为饱和蒸汽，压缩机出口压力为1.7MPa，而离开冷凝器时是饱和液体，且压缩过程为可逆过程。求：(1)循环氨的流量；(2)在冷凝器中制冷剂放出的热量；(3)压缩机的理论功率；(4)理论制冷系数解：1234TSTHTL图8-13例8.3附图查氨的lnp-H图，见附录5知：1411213kgkJ390;kgkJ1610;kgkJ1475HHHH41LLL344.181038.5kgh1475390QQmQHH412438.516103904.69710kJhHQmHH12338.5161014755198kJhSWmHH342314753908.0416101475LSQHHWHH3.制冷剂的选择选择原则：大气压力下沸点低；汽化潜热大，减少制冷剂的循环量，缩小压缩机的尺寸；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；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、不易燃、不分解、无腐蚀性。8.5多级压缩制冷和复迭式制冷在氨制冷剂中，一般蒸发温度低于-30℃时，采用两级压缩低于-45℃时，采用三级压缩1.两级压缩制冷循环(1)工作原理及T-S图低压蒸发器高压蒸发器冷凝器低压