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1、蒸汽动力循环与制冷循环第1页，共33页，编辑于2022年，星期二述，要使热量从低温物体传到高温物体，必须提述，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。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果循环的目的是从低温物体(如冷藏室、冷库如冷藏室、冷库等等)不断地取走热量，以维持物体的低温，称之为不断地取走热量，以维持物体的低温，称之为制制冷循环冷循环；如果循环的目的是给高温物体；如果循环的目的是给高温物体(如供暖的房如供暖的房间间)不断地提供热量，以保证高温物体的温度，称不断地提供热量，以保证高温物体的温度，称之为之为热泵循环热泵循环。习惯上，制冷温度在。习惯上，制
2、冷温度在-100以上者，以上者，称为称为普冷普冷，低于，低于-100者称为者称为深冷深冷。制冷广泛应用。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。及生活中的冰箱、空调、冷库等各方面。第2页，共33页，编辑于2022年，星期二1)Rankine循环的热力学分析方法，热效率、气耗率的循环的热力学分析方法，热效率、气耗率的概念与计算，以及概念与计算，以及Rankine改进方法。改进方法。2)了解了解Otto循环和循环和Diesel循环燃气循环和燃气轮机过循环燃气循环和燃气轮机过程分析；程分析；3)逆逆Car
3、not循环与蒸汽压缩制冷循环的基本组成，循环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；制冷系数和单位工质循环量的计算；4)热泵的基本概念和在工业生产中的应用；热泵的基本概念和在工业生产中的应用；5)了解深冷循环，掌握空气液化及其计算方法。了解深冷循环，掌握空气液化及其计算方法。重点内容重点内容第3页，共33页，编辑于2022年，星期二热机热机将热能转化为机械能等动力的装置将热能转化为机械能等动力的装置工厂、工厂、交通工具、交通工具、居民、办公用电居民、办公用电热力循环过程热力循环过程热机的工作循环热机的工作循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环燃气动力循环燃气动力循环制冷制冷获得并保
4、持低于环境温度的操作获得并保持低于环境温度的操作制冷循环制冷循环输入外功实现从低温环境吸热排向高温环输入外功实现从低温环境吸热排向高温环境的循环境的循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环第4页，共33页，编辑于2022年，星期二卡诺循环过程描述卡诺循环过程描述T-S图表达图表达特征：汽轮机B与压缩机E处于两相区操作，均易产生气蚀而损坏设备。汽轮机汽轮机B压缩机压缩机E第5页，共33页，编辑于2022年，星期二 T-S图图流程图流程图理论基础理论基础：|逆逆Carnot循环过程循环过程|从低温热源吸热从低温热源吸热向高温热源排热，同时消耗电能。向高温热源排热，同时消耗电能。
5、制冷过程制冷过程第6页，共33页，编辑于2022年，星期二8.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环Rankine循环过程分析循环过程分析8.1.1 Rankine循环循环锅炉锅炉过热器过热器汽轮机汽轮机冷冷凝凝器器水水泵泵12341234TS(b)T-S图图(a)工作原理图工作原理图2图图8-1 Rankine蒸汽动力循环装置蒸汽动力循环装置组成组成循环过程循环过程第7页，共33页，编辑于2022年，星期二12 过热水蒸汽在汽轮机内等熵膨胀，变成湿蒸汽，同时对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外作输出轴功 23 湿蒸汽在冷凝器内等压、等温冷凝，变成饱和液体水湿蒸汽在冷凝器内等
6、压、等温冷凝，变成饱和液体水 34 冷凝水在水泵中等熵压缩，进回至锅炉冷凝水在水泵中等熵压缩，进回至锅炉 41 水在锅炉中吸收热量，完成预热、汽化、过热阶段过水在锅炉中吸收热量，完成预热、汽化、过热阶段过程，变成过热水蒸汽程，变成过热水蒸汽 热力学分析热力学分析汽轮机中工质对外作功量汽轮机中工质对外作功量(过程过程12)冷凝器中工质对外放热量冷凝器中工质对外放热量 第8页，共33页，编辑于2022年，星期二水泵消耗的压缩功量水泵消耗的压缩功量工质从锅炉中吸收的热量工质从锅炉中吸收的热量热效率热效率 汽耗率汽耗率 蒸汽动力装置中每输出蒸汽动力装置中每输出1kWh的净功所消耗的蒸汽量的净功所消耗的
7、蒸汽量 第9页，共33页，编辑于2022年，星期二例例8.1某某蒸蒸汽汽动动力力循循环环操操作作条条件件如如下下：冷冷凝凝器器出出来来的的饱饱和和水水，由由泵泵从从0.035MPa加加压压至至1.5MPa进进入入锅锅炉炉，蒸蒸汽汽离离开开锅锅炉炉时时被被过过热热器器加加热热至至280。求求：(1)上上述述循循环环的的最最高高效效率率。(2)在在锅锅炉炉和和冷冷凝凝器器的的压压力力的的饱饱和和温温度度之之间间运运行行的的卡卡诺诺循循环环的的效效率率，以以及及离离开开锅锅炉炉的的过过热热蒸蒸汽汽温温度度和和冷冷凝凝器器饱饱和和温温度度之之间间运运行行的的卡卡诺诺循循环环的的效效率率。(3)若若透透
8、平平机机是是不不可可逆逆绝绝热热操操作作，其其焓焓是是可可逆逆过过程程的的80%，求此时的循环效率。，求此时的循环效率。解：解：(1)各状态点的热力学性质，可由附录各状态点的热力学性质，可由附录3水蒸气表查水蒸气表查得得第10页，共33页，编辑于2022年，星期二查过热水蒸气表得查过热水蒸气表得该该循循环环透平机透平机进进行行绝热绝热可逆操作，增可逆操作，增压泵压泵也也进进行行绝热绝热可可逆操作逆操作时时效率最高。效率最高。由由0.035MPa，查查得得气相：气相：液相：液相：(查饱查饱和水性和水性质质表内插表内插)(查饱和蒸汽性质表查饱和蒸汽性质表)气相含量为气相含量为x，则有，则有解得：解
9、得：第11页，共33页，编辑于2022年，星期二(2)冷冷凝凝器器压压力力0.035MPa，饱饱和和温温度度为为72.69；锅锅炉炉压压力力1.5MPa，饱饱和和温温度度为为198.32。Carnot循循环环运运行行在在此此两温度之间，两温度之间，Carnot循环效率循环效率 若若Carnot循循环环运运行行在在实实际际的的二二个个温温度度之之间间，其其效效率率为为第12页，共33页，编辑于2022年，星期二(3)不可逆过程的焓差为不可逆过程的焓差为0.80(H2-H3)，而吸收的热仍，而吸收的热仍为为，因此热效率，因此热效率第13页，共33页，编辑于2022年，星期二提高提高Rankine循
10、环热效率的途径循环热效率的途径 降低冷凝器温度降低冷凝器温度提高锅炉温度提高锅炉温度平均吸热温度平均吸热温度1与与1点的压力高低点的压力高低？等效等效Carnot循环的平均吸热温度循环的平均吸热温度 Tm第14页，共33页，编辑于2022年，星期二8.1.2 Rankine循环的改进循环的改进8.1.2.1 回热循环回热循环 第15页，共33页，编辑于2022年，星期二8.1.2.2 再热循环再热循环x2图图 8-7 再热循环图再热循环图TS11225643x2112356过热器过热器再热器再热器汽轮机汽轮机发电机发电机冷凝器冷凝器冷却水冷却水锅炉锅炉给水泵给水泵(a)工作原理图工作原理图 (
11、b)T-S图图目前超高压目前超高压(蒸汽初压为蒸汽初压为13和和24MPa或更高或更高)的大型电厂几乎毫无的大型电厂几乎毫无例外地采用再热循环例外地采用再热循环 第16页，共33页，编辑于2022年，星期二8.2 内燃机热力过程分析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作为工质驱动循环的机械装置 内燃机内燃机点燃式内燃机点燃式内燃机(汽油机汽油机)定容加热循环定容加热循环压燃式内燃机压燃式内燃机(柴油机柴油机)定压加热循环定压加热循环混合加热循环混合加热循环Jetta柴油车柴油车第17页，共33页
12、，编辑于2022年，星期二8.2.1 定容加热循环定容加热循环Otto循环循环 内燃机是一个敞开系统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于外界 与蒸汽动力循环不与蒸汽动力循环不同同适合使用汽油适合使用汽油第18页，共33页，编辑于2022年，星期二8.2.2 定压加热循环定压加热循环Diesel循环循环 依靠压缩后的高温空气使燃料着火燃烧，使用柴依靠压缩后的高温空气使燃料着火燃烧，使用柴油油柴油机柴油机压燃式内燃压燃式内燃机机现代高速柴油机既有定压加热又有定容加热混合现代高速柴油机既有定压加热又有定容加热混
13、合加热循环加热循环第19页，共33页，编辑于2022年，星期二8.3 8.3 燃气轮机过程分析燃气轮机过程分析 以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机 油泵油泵叶轮式压气机叶轮式压气机空气空气燃气轮机燃气轮机发电机发电机废气废气燃烧室燃烧室1234pV1234TS1234(a)实际工作原理图实际工作原理图(c)T-S图图(b)p-V图图图图8-10燃气轮机装置循环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燃气轮机装置循环的热效率仅与增压比有关有关/愈大，热效率愈高愈大，热效率愈高 优点优点体积小，功率大，结构紧凑，运行平稳体积小，功率大，结构紧凑，运行
14、平稳材料要求高材料要求高压气机消耗功率大压气机消耗功率大缺点缺点第20页，共33页，编辑于2022年，星期二8.4 制冷循环原理与蒸汽压缩制冷过程分析制冷循环原理与蒸汽压缩制冷过程分析8.4.1 逆向逆向Carnot循环循环 S图图8-11 逆逆Carnot循环制冷过程循环制冷过程冷凝器冷凝器蒸发器蒸发器压缩机压缩机膨胀机膨胀机QHQL1234TTHTLp2p11234S1S4(a)逆逆Carnot循环制冷示意图循环制冷示意图(b)T-S图图特点特点Carnot循环的制冷系数循环的制冷系数e eC取决于高温和低温热源的温度取决于高温和低温热源的温度 第21页，共33页，编辑于2022年，星期二
15、8.4.2 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环实际的制冷循环是对上述的逆实际的制冷循环是对上述的逆Carnot压缩制冷循环的改进压缩制冷循环的改进 TSTHTL12334QL8-12 实际的冷冻循环原理图实际的冷冻循环原理图改进措施改进措施 压缩过程操作于过热蒸汽区，等熵膨胀改为节流膨压缩过程操作于过热蒸汽区，等熵膨胀改为节流膨胀胀制冷工质制冷工质 被过冷到温度低于饱和液态温度被过冷到温度低于饱和液态温度 第22页，共33页，编辑于2022年，星期二热力学计算热力学计算制冷机的冷冻量制冷机的冷冻量QL 功耗功耗Ws 制冷机的制冷能力为制冷机的制冷能力为Qt，则工质的循环量为，则工质的循环量为 制
16、冷机的制冷系数制冷机的制冷系数 常见制冷工质：常见制冷工质：NH3，Freons制冷剂要求制冷剂要求合适温度，压力，化学稳定性，汽化潜热等合适温度，压力，化学稳定性，汽化潜热等第23页，共33页，编辑于2022年，星期二例例8.2 某一空气调节装置的制冷能力为某一空气调节装置的制冷能力为4.18104kJh-1，采用氨蒸汽压缩制冷循环。，采用氨蒸汽压缩制冷循环。氨蒸发室温度为氨蒸发室温度为283K，冷凝室温度，冷凝室温度313K。假定氨进入压缩机时为饱和蒸汽而离开冷假定氨进入压缩机时为饱和蒸汽而离开冷凝器时是饱和液体，且压缩过程为可逆过凝器时是饱和液体，且压缩过程为可逆过程。求：程。求：(1)
17、循环氨的流量；循环氨的流量；(2)在冷凝器中在冷凝器中制冷剂放出的热量；制冷剂放出的热量；(3)压缩机的理论功率；压缩机的理论功率；(4)理论制冷系数。理论制冷系数。解：查氨的lnp-H图，见附录5知：第24页，共33页，编辑于2022年，星期二8.6 其它制冷循环其它制冷循环8.6.1 蒸汽喷射制冷蒸汽喷射制冷水泵水泵节流阀节流阀冷凝器冷凝器蒸发器蒸发器扩压管扩压管喷射器喷射器混合室混合室喷管喷管1223455锅炉锅炉TS12345151(a)工作原理图(b)TS图图8-14蒸汽喷射制冷循环热能系数热能系数 优点优点 不消耗机械功，直接消耗热能实现致冷不消耗机械功，直接消耗热能实现致冷 缺点
18、缺点 混合过程的不可逆损失大，热能利用系数较低混合过程的不可逆损失大，热能利用系数较低 第25页，共33页，编辑于2022年，星期二8.6.2 吸收制冷吸收制冷冷凝器冷凝器冷却水冷却水QC发生器发生器热量热量QH溶液泵溶液泵吸收器吸收器蒸发器蒸发器减压阀减压阀膨胀阀膨胀阀QL空调用冷却水空调用冷却水图图8-15 吸收式制冷原理图吸收式制冷原理图冷却水冷却水QC热能利用系数热能利用系数 优点优点 设备简单造设备简单造价低廉价低廉缺点缺点热能利用系热能利用系数较小数较小 第26页，共33页，编辑于2022年，星期二8.6 热泵及其应用热泵及其应用热泵：热泵：一种能源采掘装置，一种能源采掘装置，它以
19、消耗一部分高它以消耗一部分高品质的能源品质的能源(机械机械能、电能或高温热能、电能或高温热能等能等)为代价，通为代价，通过逆过逆Carnot循环，循环，把自然环境把自然环境(水、水、空气等空气等)或其它低或其它低温热源中储存的温热源中储存的能量加以利用转能量加以利用转变成为高温的热变成为高温的热量量 高温环境高温环境低温环境低温环境图图8-16 制冷机与热泵制冷机与热泵第27页，共33页，编辑于2022年，星期二冷凝器冷凝器蒸发器蒸发器压缩机压缩机节流阀节流阀1245QLQHTS123456780THTL(a)工作原理图工作原理图(b)TS图图供热系统供热系统图图8-17 热泵工作原理示意图热
20、泵工作原理示意图制冷系数制冷系数 制热系数并不是简单制热系数并不是简单的制冷系数加的制冷系数加1 1 第28页，共33页，编辑于2022年，星期二8.7 深冷循环与气体液化深冷循环与气体液化超低温环境液态氢，液态氮，液态氦，液化石油气，天然气等超低温环境液态氢，液态氮，液态氦，液化石油气，天然气等任何气体只要使其经历适当的热力过程，将其温度降低任何气体只要使其经历适当的热力过程，将其温度降低至临界温度以下，并保持其压力大于对应温度下的饱和至临界温度以下，并保持其压力大于对应温度下的饱和压力，便可以从气体转化为液体。压力，便可以从气体转化为液体。燃料燃料低温反应低温反应医疗医疗运输运输基本的气体
21、液化循环基本的气体液化循环Linde-Hampson循环循环 第29页，共33页，编辑于2022年，星期二8.7.1 Linde-Hampson系统工作原理系统工作原理(a)工作原理图工作原理图(b)TS图图TS128345671补充新鲜气补充新鲜气me23456液化气体液化气体mem换热器换热器节流阀节流阀分离器分离器78m-me图图8-18 Joule-Thompson液化系统液化系统第30页，共33页，编辑于2022年，星期二8.7.2 系统的液化率及压缩功耗系统的液化率及压缩功耗 液化率液化率L依能量衡算方程依能量衡算方程进入压缩机气体进入压缩机气体产生的液体产生的液体表示了深冷装置可
22、产生的液体量表示了深冷装置可产生的液体量对被压缩气体量的比值对被压缩气体量的比值 压缩功耗压缩功耗对压缩机进行能量衡算对压缩机进行能量衡算对等温压缩对等温压缩压缩单位质量气体所需功压缩单位质量气体所需功 深冷装置的冷冻量深冷装置的冷冻量 QL第31页，共33页，编辑于2022年，星期二例例8.3 用用Linde-Hampson循环使空气液化。空循环使空气液化。空气初温为气初温为17，节流膨胀前压力，节流膨胀前压力p2为为10MPa，节流后压力节流后压力p1为为0.1MPa，空气流量为，空气流量为0.9 。求：。求：(1)理想操作条件下空气液化率和每理想操作条件下空气液化率和每小时液化量；小时液
23、化量；(2)若换热器热端温差为若换热器热端温差为10，由外界传入的热量为由外界传入的热量为3.3 ，对液化量，对液化量的影响如何？空气的恒压比热的影响如何？空气的恒压比热 。解：解：H/状状态态点点状状态态特征特征T/KpMPa1过热过热蒸汽蒸汽2900.14602过热过热蒸汽蒸汽290104350饱饱和液体和液体0.142第32页，共33页，编辑于2022年，星期二(1)(1)理论液化分率理论液化分率 空气流量空气流量 液化量：液化量：(2)外界热量传入造成冷量损失外界热量传入造成冷量损失Q冷损=3.3换热器热端温差造成热交换损失换热器热端温差造成热交换损失Q温损=1.010=10 实际液化分率实际液化分率 实际液化量：实际液化量：第33页，共33页，编辑于2022年，星期二