蒸汽动力循环与制冷循环.ppt

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1、 第七章第七章 蒸汽动力循环蒸汽动力循环和制冷循环和制冷循环第七章 动力循环与制冷循环 本章目的：本章目的：研研究究循循环环中中热热、功功转转换换的的效效果果及及其其影影响响因因素素，探探求求提提高高能能量转换效果的途径。量转换效果的途径。主要内容：主要内容：1.蒸蒸汽汽动动力力循循环环的的热热效效率率、循循环环功功以以及及循循环环中中各各过过程程工工质质状态函数的变化；状态函数的变化；2.制冷循环与获得低温的操作过程热力学分析；制冷循环与获得低温的操作过程热力学分析；3.深冷原理与过程的热力学分析。深冷原理与过程的热力学分析。学习要求：学习要求：掌掌握握工工作作原原理理、工工质质状状态态变变

2、化化、能能量量转转换换计计算算、能能量量转转换换效果热力学分析。效果热力学分析。第七章 动力循环与制冷循环本章目录本章目录7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环7.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀节流膨胀与作外功的绝热膨胀7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环 7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环7.1.1 蒸汽动力循环与正向卡诺循环蒸汽动力循环与正向卡诺循环 高温向低温传热是自发过程，是产功过程，正向卡诺循高温向低温传热是自发过程，是产功过程，正向卡诺循环是由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成的，用环是由两个可逆等温过程和两个可逆

3、绝热过程组成的，用T-S图表为：图表为：7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环正向卡诺循环正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质排热温度；工质吸热温度大于工质排热温度；正正向向卡卡诺诺循循环环是是动动力力循循环环，是是最最理理想想的的情情况况，因因为为它产功最大。它产功最大。卡诺循环产功最大，但实际上很难实现，问题在于：卡诺循环产功最大，但实际上很难实现，问题在于：湿湿蒸蒸汽汽对对汽汽轮轮机机和和水水泵泵有有侵侵蚀蚀作作用用，汽汽轮轮机机带带水水量量不能超过不能超过10%10%，水泵不能带入蒸汽进泵；，水泵不能带入蒸汽进泵；绝热可逆过程实际难以实现。绝热可逆过程实际难以实现。7

4、.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 Rankine循循环环是是蒸蒸汽汽动动力力循循环环，主主要要设设备备有有：透透平平机机、冷凝器、水泵、锅炉四部分，工作介质一般为水。冷凝器、水泵、锅炉四部分，工作介质一般为水。7.1.2 Rankine(朗肯朗肯)循环循环1.Rankine循环的构成循环的构成7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 p1、T1的的高高温温高高压压蒸蒸汽汽进进入入透透平平机机等等熵熵膨膨胀胀到到状状态态2，对对外外作作功功，2点点状状态态为为乏乏汽汽(低低压压下下的的湿湿蒸蒸汽汽)，从从透透平平机机流流出出进进入入冷冷凝凝器器，乏乏汽汽

5、在在冷冷凝凝器器中中放放出出汽汽化化潜潜热热QL，而而变变为为该该压压力力下下的的饱饱和和水水，放放出出的的热热量量QL由由冷冷却却水水带带走走，达达到到状状态态3，饱饱和和水水经经水水泵泵压压到到p1进进入入锅锅炉炉，锅锅炉炉吸吸收收热热量量QH，使工质变化到状态使工质变化到状态1，完成一个循环。，完成一个循环。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环1-2：对应于汽轮机：对应于汽轮机(蒸汽膨胀蒸汽膨胀)；2-3：冷冷凝凝器器中中进进行行，蒸蒸汽汽等等温温等等压压冷冷凝为液体；凝为液体；3-4：水泵进行（压缩）；：水泵进行（压缩）；4-1：锅炉进行，水在锅炉中恒压加热。：锅

6、炉进行，水在锅炉中恒压加热。基本过程基本过程过热蒸汽过热蒸汽定压升温定压升温水水定压升温定压升温沸点沸点定温定压汽化定温定压汽化饱和蒸汽饱和蒸汽湿蒸汽湿蒸汽水水等熵膨胀等熵膨胀绝热压缩绝热压缩等温冷凝等温冷凝7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环2.与卡诺循环的比较与卡诺循环的比较 工工质质进进汽汽轮轮机机时时状状态态不不同同，卡卡诺诺循循环环为为湿湿汽汽，朗朗肯肯循循环为干气；环为干气；膨膨胀胀过过程程不不同同，卡卡诺诺循循环环为为等等熵熵过过程程，朗朗肯肯循循环环为为不不可逆绝热过程；可逆绝热过程；7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 （3）工质出

7、冷凝器状态不同，卡诺循环为汽液共存，朗）工质出冷凝器状态不同，卡诺循环为汽液共存，朗肯循环为饱和水肯循环为饱和水;(4)压压缩缩过过程程不不同同，卡卡诺诺循循环环为为等等熵熵过过程程，朗朗肯肯循循环环为为不不可可逆逆绝绝热热过过程程，若若忽忽略略掉掉工工质质水水的的摩摩擦擦与与散散热热可可简简化化为为可可逆逆过程；过程；(5)工工质质吸吸热热过过程程不不同同，卡卡诺诺循循环环为为等等温温过过程程，朗朗肯肯循循环环为不可逆过程，沿着等压线变化。为不可逆过程，沿着等压线变化。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环3.理想理想Rankine循环的热效率循环的热效率 忽略工质的流动

8、阻力与温差传热，将忽略工质的流动阻力与温差传热，将朗肯循环理想化。朗肯循环理想化。能量分析能量分析(应用稳流过程的能量平衡方程应用稳流过程的能量平衡方程)(1)12:汽轮机中工质等熵膨胀，对汽轮机中工质等熵膨胀，对外做功外做功(2)23:湿蒸汽在冷凝器中等温等湿蒸汽在冷凝器中等温等压冷凝，放热压冷凝，放热7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环(3)34:饱饱和和水水在在水水泵泵中中绝绝热热压压缩缩，消耗压缩功消耗压缩功(4)41:水水在在锅锅炉炉中中等等压压升升温温和和等等压压汽化，工质吸热汽化，工质吸热 经济性指标分析经济性指标分析(热效率、汽耗率热效率、汽耗率)热效率：

9、热效率：7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量 热热效效率率的的高高低低可可以以反反映映出出不不同同装装置置输输出出相相同同功功量量时时所所消消耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。汽汽耗耗率率：作作出出单单位位量量净净功功所所消消耗耗的的蒸蒸汽汽量量称称为为汽汽耗耗率率，用用 SSC(Specific Steam Consumption)表示。表示。热效率越高、汽耗率越低，表明循环约完善。热效率越高、汽耗率越低，

10、表明循环约完善。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 计算方法计算方法状态点状态点1：根据根据p1、t1 值可查得值可查得 H1、S1值值;状态点状态点2:S2=S1,根据根据p2、S2 值可查得值可查得 H2、t2值值;状态点状态点3：p3=p2,查查p3下的饱和液体可得下的饱和液体可得H3、V3、S3值值;状态点状态点4：p4=p1,S4=S3,根据根据p4、S4可查得可查得 H4值值;或或 H4=H3+Wp=H3+V(p4-p3)因因为为水水蒸蒸气气不不是是理理想想气气体体，气气体体的的性性质质不不能能用用理理想想气气体体方程计算，需要通过热力学图表或实际流体的状态

11、方程求得。方程计算，需要通过热力学图表或实际流体的状态方程求得。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环4.实际实际Rankine循环的热效率循环的热效率 蒸蒸汽汽通通过过汽汽轮轮机机的的绝绝热热膨膨胀胀实实际际上上不不是是等等熵熵的的，而而是是向向着着墒墒增增加加的的方向偏移，用方向偏移，用1-2线表示。线表示。水水泵泵的的耗耗功功量量远远小小于于汽汽轮轮机机的的做功量，可不考虑不可逆的影响。做功量，可不考虑不可逆的影响。蒸蒸汽汽通通过过汽汽轮轮机机膨膨胀胀，实实际际做做出出的的功功应应为为H1 H2，它它小小于于等等熵熵膨膨胀胀的的功功H1 H2。两两者者之之比比称称为为

12、透透平平机机的等熵效率。的等熵效率。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环实际实际Rankine热效率：热效率：等熵效率：等熵效率：实际过程产功实际过程产功等熵过程产功等熵过程产功h hS=17.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环【例例7-1】某某一一理理想想的的Rankine循循外外，锅锅炉炉的的压压力力为为4MPa，产产生生440过过热热蒸蒸汽汽,汽汽轮轮机机出出口口压压力力为为0.004MPa,蒸蒸汽汽流流量量60t/h,求求 （1）过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量；过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量；（2）乏气的湿度以及乏气在冷凝器放出热量；）乏气的湿

13、度以及乏气在冷凝器放出热量；（3）汽轮机作出的理论功率和水泵消耗的理论功率；）汽轮机作出的理论功率和水泵消耗的理论功率；（4）循环的热效率。）循环的热效率。5【解解】该该循循环环在在T-S图图上上的的表表示示如如右图。右图。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环（1）确定各点的参数）确定各点的参数1点点(过热蒸汽过热蒸汽)：根据根据p1=4MPa、t1=440,查过热水蒸查过热水蒸气表气表 得得 H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kgK);2点点(湿蒸汽湿蒸汽):p2=4kPa,S2=S1=6.9041kJ/(kgK),查饱和水查饱和水蒸气表得蒸气表得

14、 Hg=2554.4kJ/kg Hl=121.46kJ/(kgK)Sg=8.4746kJ/kg Sl=0.4226kJ/(kgK)Vl=1.004cm3/g 2点处的干度为点处的干度为x 8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041 x=0.8050 H2=2554.4 0.805+(1-0.805)121.46=2080.07.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环3点（饱和液体）点（饱和液体）:p3=4kPa H3=Hl=121.46 kJ/kg S3=Sl=0.4226kJ/(kgK)4点（未饱和水）点（未饱和水）:方法方法1 H4=H3+Wp=H3+V(p4-p

15、3)=121.46+0.001004(4000-4)=125.5kJ/kg 方法方法2 已知已知 p4=4MPa,S4=S3=0.4226kJ/(kgK),查未饱和查未饱和水性质表水性质表 7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环H4=127.1kJ/kg87.71 0.2958171.09 0.57097.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环如如25、4MPa的的 H：第七章 动力循环与制冷循环（2）计算）计算 过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量 Q1=m(H1-H4)=60 103(3307.1-125.5)=190.9 106kJ/h 乏气在冷凝器放出

16、的热量乏气在冷凝器放出的热量 Q2=m(H2-H3)=60 103(2080.0-121.5)=117.5 106kJ/h 乏气的湿度为乏气的湿度为 1-x=1-0.805=0.195 汽轮机作出的理论功率汽轮机作出的理论功率 7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 水泵消耗的理论功率水泵消耗的理论功率热效率热效率7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 例例7-2 在在某某核核动动力力循循环环装装置置，锅锅炉炉温温度度为为 320 的的核核反反应应堆堆吸吸入入热热量量Q1，产产生生压压力力为为7MPa、温温度度为为 360 的的过过热热蒸蒸汽汽(点点1)

17、，过过热热蒸蒸汽汽经经汽汽轮轮机机膨膨胀胀作作功功后后于于0.008MPa压压力力下下排排出出(点点2)，乏乏气气在在冷冷凝凝器器中中向向环环境境温温度度 t020 进进行行定定压压放放热热变变为为饱饱和和水水(点点3)，然然后后经经泵泵返返回回锅锅炉炉(点点4)完完成成循循环环。已已知知汽汽轮轮机机的的额额定定功功率率为为5104kW，汽汽轮轮机机作作不不可可逆逆的的绝绝热热膨膨胀胀，其其等等熵熵效效率率为为0.75，水水泵泵作作等等熵熵压压缩缩。试求：试求：(1)蒸气的质量流量；蒸气的质量流量；(2)乏气的湿度；乏气的湿度；(3)循环的热效率。循环的热效率。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环

18、第七章 动力循环与制冷循环1点点(过热蒸汽过热蒸汽):根据根据p1=7MPa、t1=360,查过热查过热 水蒸气表得水蒸气表得 H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kgK);2点点(湿蒸汽湿蒸汽):p2=0.008MPa,查饱和水蒸气表得查饱和水蒸气表得 Hg=2577.0kJ/kg Hl=173.88kJ/(kgK)Sg=8.2287kJ/kg Sl=0.5926kJ/(kgK)汽轮机作等熵膨胀汽轮机作等熵膨胀 S2=S1=6.2801kJ/(kgK),S2=Sgx2+(1-x2)Sl 6.2801=8.2287x2+(1-x2)0.5926 x2=0.7448【解】【解

19、】根据给定条件，查水蒸汽压表确定有关参数：根据给定条件，查水蒸汽压表确定有关参数：7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 H2=Hgx2+(1-x2)Hl =2577.0 0.7488+(1-0.7488)173.88=1963.7 汽轮机作等熵膨胀过程汽轮机作等熵膨胀过程1-2所作的理论功所作的理论功 WR WR=H2-H1=1963.7-3045.5=-1081.8kJ/kg 汽轮机作实际膨胀过程汽轮机作实际膨胀过程1-2所作的功所作的功 Ws Ws=sWR=-1081.8 0.75=-811.4kJ/kg Ws=H2-H1 H2=H1+Ws=3045.5+811.4=

20、2234.1kJ/kg 汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为x2 H2=Hgx2+(1-x2)Hl 2234.1=2577.0 x2+(1-x2)173.9 x2=0.85737.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 乏气的湿度为乏气的湿度为 1-0.8573=0.1427 3点：点：0.008MPa饱和液体饱和液体 H3=173.88kJ/(kgK)S3=0.5926kJ/(kgK)4点点：p4=7MPa,S4=S3=0.5926kJ/(kgK)查未饱和水性质表查未饱和水性质表 173.74 0.5698340.44 1.07077.1 蒸汽动力循环

21、蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环H4=181.33kJ/kg水泵所消耗的功水泵所消耗的功 WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg热效率热效率7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环讨论：讨论：通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率 （1）提高蒸汽的过热温度）提高蒸汽的过热温度 在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时,可提可提高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并且可以降低汽耗率。同时乏气的干度增加，使透平机的且可

22、以降低汽耗率。同时乏气的干度增加，使透平机的相对内部效率也可提高。但是蒸汽的最高温度受到金属相对内部效率也可提高。但是蒸汽的最高温度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸汽的最材料性能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸汽的最高温度以不超高温度以不超873K为宜。为宜。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 （2）提高蒸汽的压力提高蒸汽的压力 当当蒸蒸汽汽压压力力提提高高时时，热热效效率率提提高高、而而汽汽耗耗率率下下降降。但但是是随随着着压压力力的的提提高高，乏乏汽汽的的干干度度下下降降，即即湿湿含含量量增增加加，因因而而会会引引起起透透乎乎机机相相对对内内部部

23、效效率率的的降降低低还还会会使使透透平平中中最最后后几几级级的的叶叶片片受受到到磨磨蚀蚀，缩缩短短 寿寿命命。乏乏汽汽的的干干度度一一般般不不应应低低于于0.88。另另外外，蒸蒸汽汽压压力力的的提提高高，不不能能超过水的临界压力，而且设备制造费用也会大幅上升。超过水的临界压力，而且设备制造费用也会大幅上升。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 要要提提高高朗朗肯肯循循环环的的热热效效率率，首首先先必必须须找找出出影影响响热热效效率率的的主要因素，从热效率的定义来看：主要因素，从热效率的定义来看：对卡诺循环对卡诺循环对朗肯循环对朗肯循环提高热效率提高热效率 H2降降低低，H

24、2一一般般受受压压力力p2及及对对应应压压力力下下的的饱饱和和温温度度的的限限制制，一一般般以以大大气气温温度度为为极极限限，t3不不可可能能小小于于大大气气温温度度，况况且，当且，当p2一定，一定，H3也就一定了。也就一定了。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环(2)H1升高，因为水不可压缩耗功很少，可忽略不计，所以升高，因为水不可压缩耗功很少，可忽略不计，所以 但但H1增增加加，必必须须使使p1、t1增增加加，p1太太大大会会使使设设的的强强度度出出现现问问题题，从从而而使使制制造造成成本本增增加加，提提高高效效率率的的收收益益，并并不不一定能弥补成本提高的花费。一定

25、能弥补成本提高的花费。在在朗朗肯肯循循环环中中，等等温温放放热热、等等熵熵膨膨胀胀和和等等熵熵压压缩缩这这三三各各过过程程基基本本上上能能够够与与卡卡诺诺循循环环相相符符，差差别别最最大大的的过过程程是是吸吸热热过过程程。因因此此如如何何使使吸吸热热过过程程向向卡卡诺诺循循环环靠靠近近，以以提提高高热热效效率率。显显然然改改造造不不等等温温吸吸热热是是提提高高热热效效率率的的关关键键，由由此此提提出出了了蒸蒸汽汽的再热循环和回热循环。的再热循环和回热循环。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环再热循环再热循环 使高压的过热蒸汽先在高压汽轮机中膨胀到某一中间压力，然后全部引入

26、到锅炉中特设的再热器进行加热，蒸汽温度升高后再进入低压汽轮机膨胀到一定的排气压力。这样就可以避免乏汽湿含量过高的缺点。使高压的过热蒸汽先在高压汽轮机中膨胀到某一中间压力，然后全部引入到锅炉中特设的再热器进行加热，蒸汽温度升高后再进入低压汽轮机膨胀到一定的排气压力。这样就可以避免乏汽湿含量过高的缺点。然然后后全全部部引引入入到到锅锅炉炉中中特特设设的的再再热热器器进进行行加加热热，蒸蒸汽汽温温度度升升高高后后再再进进入入低低压压汽汽轮轮机机膨膨胀胀到到一一定定的的排排气气压压力力。这这样样就就可可以以避免乏汽湿含量过高的缺点避免乏汽湿含量过高的缺点。再热循环的热效率：再热循环的热效率：7.1 蒸

27、汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 回热循环：回热循环：利利用用蒸蒸汽汽的的热热来来加加热热锅锅炉炉给给水水，这这样样就就大大大大减减少少了了温温差差传传热热不不可可逆逆因因素素，从从而而使使热热效效率率提提高高，使使该该循循环环向向卡卡诺诺循循环靠近了一步。环靠近了一步。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环 在在回回热热加加热热器器中中抽抽出出的的蒸蒸汽汽与与经经过过冷冷凝凝压压缩缩后后的的乏乏汽汽进进行行热热量量交交换换，从从而而提提高高了了吸吸热热温温度度，使使热热效效率率升升高高。回回热循环的热效率为：热循环的热效率为：小结：小结：减少了工质吸热过程

28、的温差，由减少了工质吸热过程的温差，由TH-T4 减少到减少到TH-T6 热效率提高，但设备成本也增加。热效率提高，但设备成本也增加。7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环热电循环热电循环 背压式汽轮机联合供电供热循环背压式汽轮机联合供电供热循环特特 点点：冷冷凝凝器器中中冷冷却却工工质质的的介介质质为为热热用用户户的的介介质质，不不一一定定是是冷却水，冷凝温度由供热温度决定，冷却水，冷凝温度由供热温度决定，QL得以利用；得以利用；排气压力受供热温度影响，较朗肯循环排气压力高排气压力受供热温度影响，较朗肯循环排气压力高.7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷

29、循环 热电循环效率热电循环效率 抽气式汽轮机联合供电供热循环抽气式汽轮机联合供电供热循环7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环特点特点：工质部分供热部分作功；工质部分供热部分作功；供热量与乏汽无关；供热量与乏汽无关；热电循环效率为：热电循环效率为：热效率：热效率：能量利用参数：能量利用参数：7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第七章 动力循环与制冷循环7.2 节流膨胀与作节流膨胀与作外功的绝热膨胀外功的绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环 膨膨胀胀过过程程在在实实际际当当中中，经经常常遇遇到到，如如：高高压压流流体体流流经经喷喷嘴嘴、汽汽轮轮机机、膨膨胀胀器器及及节节流流阀阀等等

30、设设备备或或装装置置所所经经历历的的过过程程，都都是是膨膨胀胀过过程程。下下面面讨讨论论膨膨胀胀过过程程的的热热力力学学现现象象。着着重重讨讨论论工工业业上上经经常常遇遇到到的的节节流流膨膨胀胀和和绝绝热热膨膨胀胀过过程及其所产生的温度效应程及其所产生的温度效应.7.2.1 节流膨胀节流膨胀 该该过过程程为为等等焓焓过过程程，即即H=0，流流体体进进行行节节流流膨膨胀胀是是由由于于压压力力的的变变化化而而引引起起的的温温度度变变化化，称称为为节节流流效效应应或或Joule-thomson效应，并用焦汤系数来表示：效应，并用焦汤系数来表示：7.2 节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀第七章 动力

31、循环与制冷循环 节节流流过过程程实实际际上上是是由由于于压压力力变变化化而而引引起起温温度度变变化化的的过过程，是一个等焓过程。程，是一个等焓过程。节流膨胀制冷的可能性节流膨胀制冷的可能性 a).理想气体理想气体说明理想气体在节流过程中温度不发生变化。说明理想气体在节流过程中温度不发生变化。7.2 节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环b）对真实气体）对真实气体 有三种可能的情况有三种可能的情况J 0 节节流后流后温温度降低度降低 J=0 节节流后流后温温度不度不变变 J 0 节节流后流后温温度升高度升高实际气实际气体体 J 值值可可为为正正值值、负值负值或零。或零。转

32、化点，转化曲线转化点，转化曲线 由于真实气体的节流效应值随着状态的不同而发生变化，所以在实际当中，要产生制冷效应，要找到转化点，即节流效应系数为所所以以在在实实际际当当中中，要要产产生生制制冷冷效效应应，要要找找到到转转化化点点，即即节节流效应系数为流效应系数为0时的温度、压力所对应的点。时的温度、压力所对应的点。7.2 节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环P.185 图图7-13 转化曲线转化曲线：将图上各转化点连接起来所组成的曲线就叫：将图上各转化点连接起来所组成的曲线就叫转化曲线。转化曲线。转化曲线左侧，等焓线上，压力减小，温度降低，为制转化曲线左侧，等焓线上，

33、压力减小，温度降低，为制冷区；冷区；转化曲线右侧，等焓线上，压力减小，温度升高，为制转化曲线右侧，等焓线上，压力减小，温度升高，为制热区；热区；转化曲线上，节流效应系数为零。转化曲线上，节流效应系数为零。7.2 节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环 积积 分分 节节 流流 效效 应应 实际节流时，压力变化为一有限值，由此所引起的温度变化称为积分节流效应实际节流时，压力变化为一有限值，由此所引起的温度变化称为积分节流效应由此所引起的温度变化称为积分节流效应由此所引起的温度变化称为积分节流效应.公式法公式法T-S图法图法经验公式估算经验公式估算7.2 节流膨胀与绝热膨胀节

34、流膨胀与绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环等熵膨胀效应系数等熵膨胀效应系数7.2.2 作外功的绝热膨胀作外功的绝热膨胀1.可逆绝热膨胀可逆绝热膨胀 特点：等熵过程，要注意绝热过程是可逆的才能称为等熵过程熵过程熵过程.微分等熵温度效应微分等熵温度效应等熵膨胀制冷的可能性等熵膨胀制冷的可能性恒大于零恒大于零7.2 节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环 m ms 必必为为正正值值。气气体体进进行行等等熵熵膨膨胀胀时时，对对外外做做功功，膨膨胀胀后气体温度总是下降。后气体温度总是下降。积分等熵温度效应积分等熵温度效应 等等熵熵膨膨胀胀时时，压压力力变变化化为为有有限限值值所所

35、引引起起的的温温度度变变化化，称为积分等熵温度效应称为积分等熵温度效应7.2 节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环 利用微分等熵温度效应计算利用微分等熵温度效应计算(公式法公式法)理想气体理想气体 T-S图法图法7.2 节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环 用等熵、等焓节流效应计算用等熵、等焓节流效应计算若若Cp为常数为常数若若Q=0，H=WS7.2 节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环2.不可逆对外作功的绝热膨胀不可逆对外作功的绝热膨胀 实际上对外作轴功的膨胀过程并不是可逆的，因此不是等熵过程，而是向熵增大的方向进

36、行，其终态位置可由等熵效率计算确定。对活塞式膨胀机，温度小于等于实际上对外作轴功的膨胀过程并不是可逆的，因此不是等熵过程，而是向熵增大的方向进行，其终态位置可由等熵效率计算确定。对活塞式膨胀机，温度小于等于等等熵熵过过程程，而而是是向向熵熵增增大大的的方方向向进进行行，其其终终态态位位置置可可由由等等熵熵效效率率计计算算确确定定。对对活活塞塞式式膨膨胀胀机机，温温度度小小于于等等于于30时时，等等熵熵效效率率近近似似等等于于0.65，温温度度高高于于30时时，等等熵熵效效率率近近似似等于等于0.7和和0.75之间；对透平机，等熵效率在之间；对透平机，等熵效率在0.8和和0.85之间之间.不可逆

37、对外作功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀不可逆对外作功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀效应和节流膨胀效应之间效应和节流膨胀效应之间.7.2 节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环3.等熵膨胀与节流膨胀的比较等熵膨胀与节流膨胀的比较 等等熵熵膨膨胀胀与与气气体体属属性性及及状状态态无无关关，对对任任何何气气体体任任何何状状态态都都产产生生制制冷冷效效应应。节节流流膨膨胀胀对对理理想想气气体体不不产产生生温温度度效效应应，真真实实气气体体视视气气体体状状态态而而定定，若若真真实实气气体体产产生生制制冷冷效效应应，则则等熵膨胀的温度效应大于节流膨胀的温度效应，即等熵膨胀的温度

38、效应大于节流膨胀的温度效应，即设备与操作设备与操作节流膨胀简单，针形阀；等熵膨胀复杂，需要低温润滑油节流膨胀简单，针形阀；等熵膨胀复杂，需要低温润滑油.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。7.2 节流膨胀与绝热膨胀节流膨胀与绝热膨胀第七章 动力循环与制冷循环7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环第七章 动力循环与制冷循环高温高温 环境环境低温低温 环境环境7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环蒸发器冷凝器膨胀机q0q2压缩机1234T1T2TS12347.3.1 缩制冷循环缩制冷

39、循环逆向逆向Carnot循环循环7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环循循环环的放的放热热量量 q2=TH(S3-S2)=-TH(S1-S4)HqWS 制冷系数制冷系数 循环的吸热量循环的吸热量完成一个循环完成一个循环H0，净功为：，净功为：q0=TL(S1-S4)TLTHTS123412 绝热可逆压缩绝热可逆压缩23 等温冷凝过程等温冷凝过程34 绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀41 等温蒸发过程等温蒸发过程7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环 e ec1.1.逆逆卡卡诺诺循循环环的的制制冷冷系系数数仅仅是是工工质质温温度度的的函函数数，与与工工质质无无关关。在在相相同同温

40、温度度区区间间工工作作的的制制冷冷循循环环，以以逆逆卡卡诺诺循循环环的的制冷系数为最大制冷系数为最大(理想循环制冷理想循环制冷)。制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。逆逆向向卡卡诺诺循循环环是是制制冷冷循循环环最最理理想想的的情情况况，因因为为它它耗耗功功最最小小，但但实实际际过过程程的的耗耗功功量量都都大大于于逆逆向向卡卡诺诺循循环环，工工业业上上现在广泛应用的是蒸汽压缩制冷循环。现在广泛应用的是蒸汽压缩制冷循环。7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环 【例题例题-补补1】某蒸汽压缩制冷过程某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在制冷剂在250

41、K吸收热吸收热量量QL,在在300K放出热量放出热量-QH,压缩和膨胀过程是绝热的，向压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的净功为制冷机输入的净功为WS，判断下列情况是，判断下列情况是 A可逆的可逆的 B 不可逆的不可逆的 C 不可能的不可能的 （1）QL=2000kJ WS=400kJ （2）QL=1000kJ QH=1500kJ （3）WS=100kJ QH=700kJ（1）该制冷过程是可逆的该制冷过程是可逆的 解解 7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环（3）WS=100kJ QH=700kJ 该制冷过程是不可逆的该制冷过程是不可逆的 该制冷过程是不可能的该制冷过程是不可能的

42、 （2）QL=1000kJ QH=1500kJ 7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环-单级蒸汽压缩制冷单级蒸汽压缩制冷蒸发盘管蒸发盘管冷冻室冷冻室冷凝盘管冷凝盘管压缩机压缩机毛细管毛细管7.3.2 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环 蒸蒸汽汽压压缩缩制制冷冷循循环环的的主主要要设设备备有有：压压缩缩机机、冷冷凝凝器器、膨膨胀胀机、蒸发器四部分。机、蒸发器四部分。7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环高温高温 环境环境低温低温 冷室冷室蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器T-S图图7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环高温高温 环境环境低温低温 冷室冷室蒸发器蒸发器冷凝器

43、冷凝器p-H图图7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环 1-2 可逆绝热压缩过程可逆绝热压缩过程 Ws=H2 H1 kJ/kg 2-3-4 等压冷却、冷凝过程等压冷却、冷凝过程 q2=H4-H2kJ/kg 4-5 节流膨胀过程节流膨胀过程 H5=H4 5-1 等压等温蒸发过程等压等温蒸发过程 q0=H1H5 kJ/kgT0TTS12345焓值：查图、表或计算焓值：查图、表或计算1.蒸汽压缩制冷循环的构成蒸汽压缩制冷循环的构成7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环制冷剂的循环量制冷剂的循环量m2.蒸汽压缩制冷循环的基本计算蒸汽压缩制冷循环的基本计算单位制冷量单位制冷量q0

44、：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.压缩机消耗的功、功率压缩机消耗的功、功率制冷剂的制冷剂的“制冷能力制冷能力”为为Q0q0=H1H4 kJ/kgWs=H2 H1 kJ/kg 制冷系数制冷系数7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环1 12 23 3554 45 544ST 过冷措施过冷措施 提高制冷系数提高制冷系数1 12 23 3554 45 544Hlnp7.3 制冷循环制冷循环未过冷循环：未过冷循环：123451；过冷循环：过冷循环：12344551；单位制冷量的增加：单位制冷量的增加：H1H5 H1H5 第七章 动力循环与制冷循环 【例例7

45、-8】以以 R22为为制制冷冷剂剂的的制制冷冷装装置置，循循环环工工作作条条件件如如下下：冷冷凝凝温温度度为为20，过过冷冷t=5,蒸蒸发发温温度度20，进进入入压压缩缩机机时时为为饱饱和和蒸蒸汽汽。试试求求循循环环的的单单位位制制冷冷量量、每每1kg制制冷冷剂剂的的耗耗功功量量及及制制冷冷系系数数，并并与与无无过过冷冷(其其它它条条件件相同相同)进行比较。进行比较。解：解：自看自看7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环 【例例题题补补2】某某压压缩缩制制冷冷装装置置，用用R134a作作为为制制冷冷剂剂，蒸蒸发发器器中中的的温温度度为为-25，冷冷却却器器中中的的压压力力为为1.0

46、MPa，假假定定R134a进进入入压压缩缩机机时时为为饱饱和和蒸蒸汽汽，而而离离开开冷冷凝凝器器时时为为饱饱和和液液体体，压压缩缩过过程程按按绝绝热热可可逆逆计计算算，每每小小时时制制冷冷量量Q0为为1.67105 kJh-1。求：（求：（1）所需的制冷剂流率；）所需的制冷剂流率；（2）制冷系数。）制冷系数。1点：点：-25 饱和蒸汽饱和蒸汽 查表得查表得 H1231.9kJ/kg S1 0.9367kJ/(kgK)T0TTS12345 解解 7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环第七章 动力循环与制冷循环T0TTS12345 2点：点：p2 1MPa，S2 S1 0.9367kJ

47、/(kgK)查表得查表得 H2 278.7 kJ/kg7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环4 点：点：1MPa饱和液体饱和液体 查表得查表得 H4 104.2 kJ/kgT0TTS123457.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环 H1231.9kJ/kg H2 278.7 kJ/kg H4 104.2 kJ/kg H5 H47.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环 实实际际压压缩缩制制冷冷循循环环就就其其循循环环所所需需要要的的设设备备来来说说，完完全全与与卡卡诺诺压压缩缩制制冷冷循循环环相相同同。差差异异在在于于循循环环的的过过程程中中步步骤骤的的不可逆：

48、不可逆：(1)制制冷冷剂剂进进压压缩缩机机时时的的状状态态不不同同：卡卡诺诺压压缩缩制制冷冷循循环环为湿气，实际压缩制冷循环为干气；为湿气，实际压缩制冷循环为干气；(2)压压缩缩过过程程不不同同：卡卡诺诺压压缩缩循循环环为为等等熵熵过过程程，实实际际压压缩缩制制冷冷循循环环若若忽忽略略掉掉热热损损失失，可可视视为为不不可可逆逆绝绝热热过过程程；因因为为压压缩缩机机在在运运动动中中总总是是有有摩摩擦擦的的，因因而而是是沿沿着着熵熵增增大大的的方方向进行，这就出现了等熵效率问题；向进行，这就出现了等熵效率问题；3.蒸汽压缩制冷循环与逆向卡诺循环的比较蒸汽压缩制冷循环与逆向卡诺循环的比较7.3 制冷

49、循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环 (3)冷冷凝凝过过程程不不同同：卡卡诺诺制制冷冷为为等等温温过过程程，实实际际制制冷冷为为不不可逆过程，沿着等压线变化；可逆过程，沿着等压线变化；(4)制制冷冷剂剂离离开开冷冷凝凝器器时时状状态态不不同同：卡卡诺诺制制冷冷为为饱饱和和液液体体，实际制冷为过冷液体；实际制冷为过冷液体；(5)膨膨胀胀过过程程不不同同：卡卡诺诺制制冷冷为为等等熵熵过过程程，实实际际制制冷冷为为等等焓过程焓过程.7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环3.制冷剂制冷剂(Refrigerants)制冷剂的选择原则：制冷剂的选择原则：（1）潜热要大。）潜热要大。（2）操操

50、作作压压力力要要合合适适。即即冷冷凝凝压压力力（高高压压）不不要要过过高高，蒸发压力（低压）不要过低。蒸发压力（低压）不要过低。（3）化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。）化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。（4）价格低。）价格低。（5）冷冻剂对环境应该无公害。）冷冻剂对环境应该无公害。7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环1.Conventional refrigerants:NH3CH3ClCO2C3H8 2.Chloro Fluoro Carbons CFCsCFCl3(R-11)CF2Cl2(R-12)7.3 制冷循环制冷循环第七章 动力循环与制冷循环大气：大气：O2