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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2022/12/29第七章内容第七章内容7.1 7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环7.1.1Rankine(朗肯朗肯)循环循环7.1.2Rankine循环的改进循环的改进7.2 7.2 气体绝热膨胀制冷原理气体绝热膨胀制冷原理7.2.1节流膨胀节流膨胀7.2.2对外作功的绝热膨胀对外作功的绝热膨胀7.3 7.3 制冷循环制冷循环7.3.1蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环7.3.2吸收制冷循环吸收制冷循环工作原理工作原理循环中工质状态变化循环中工质状态变化能量转换计算能量转换计算循环过程热力学分析循环过程热力学分析2022/12/29前言前言
2、循环：循环：l体系从初态开始，经历一系列的中间状态，又重新体系从初态开始，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。回到初态，此封闭的热力学过程称为循环。蒸汽动力循环：蒸汽动力循环：l是以水蒸汽为工质，将是以水蒸汽为工质，将热连续地转变成功热连续地转变成功的过程，的过程，其主要设备是各种热机。其主要设备是各种热机。l产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂冷冻循环：冷冻循环：l是将热连续地由低温处输送到高温处的过程，其主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。要设备是热泵。l耗功的过程。耗功的过程。l-100 以上为普冷
3、，以上为普冷，-100 以下为深冷。以下为深冷。2022/12/29前言前言如何将如何将1atm 300atm?需要压缩机，消耗动力。需要压缩机，消耗动力。中国中国60年代，年代，15001800度度电电/吨吨NH3。中国中国70年代，仅年代，仅1030度电度电/吨吨NH3。这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。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：蒸汽动力循环的作用：电电高温热源高温热源废热锅炉，产生废热锅炉，产生高压蒸汽高压蒸汽压缩机压缩机(氢循环压缩机氢循环压缩机)透平机透平机2022/12/29l流体通过压缩机、膨胀机流体通过压缩机、膨胀机7.1 7.1 蒸汽动力循环蒸
4、汽动力循环稳定流动体系的热力学第一定理：稳定流动体系的热力学第一定理：u20，g Z0，若绝热过程若绝热过程Q=0lWs=H=H2-H1l高高压压高温高温蒸汽蒸汽带动带动透平透平产产生生轴轴功功。l（流体通（流体通过过机械机械设备设备的旋的旋转轴转轴与与环环境所交境所交换换的的能量，称能量，称为为轴功轴功Ws。）2022/12/29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23417.1 7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环3 4水在水泵中被压缩升压。水在水泵中被压缩升压。4 1 进入锅炉被加热汽化，直进入锅炉被加热汽化，直至成为至成为过热蒸汽过热蒸汽后。后。1 2 进入透平机膨胀作功。
5、进入透平机膨胀作功。2 3 作功后的低压作功后的低压湿湿蒸汽进入蒸汽进入冷凝器被冷凝成冷凝器被冷凝成水水，再回到水，再回到水泵中，完成一个循环。泵中，完成一个循环。蒸汽动力循环原理蒸汽动力循环原理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。2022/12/29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Rankine循环循环123TS4等等S膨膨胀胀等等S压压缩缩等压吸热等压吸热相变相变3 4 饱和水饱和水可逆绝热压缩过程。可逆绝热压缩过程
6、。（等（等S）4 1 高压水高压水等压升温和汽化，等压吸热过程等压升温和汽化，等压吸热过程1 2 过热蒸汽过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。可逆绝热膨胀过程。（等（等S）2 3 湿蒸汽湿蒸汽等压等温可逆冷却为等压等温可逆冷却为饱和水饱和水（相变）。（相变）。7.1.1 Rankine(朗肯朗肯)循环循环2022/12/29卡诺循环的缺点卡诺循环的缺点TS锅炉加热锅炉加热4123透平机后的乏气透平机后的乏气,汽汽+液液汽汽+液液泵泵冷凝器冷凝器透透平平机机缺点之二缺点之二:对于泵易对于泵易产生气缚产生气缚现象现象缺点之一缺点之一:透平机要求干度透平机要求干度X0.9但但2点的点的X0 经节流膨胀后，气体
7、温度降低。（经节流膨胀后，气体温度降低。（冷效应冷效应）0 的气体的气体,如如N2。3)H2和和 He等气体在常温等气体在常温下下J-T0转化曲线转化曲线J-T=02022/12/291、T-S图上求图上求 TH T1T2TH等焓线等焓线127.2.1 7.2.1 节流膨胀节流膨胀节流膨胀的温度降节流膨胀的温度降 TH是衡量制冷效是衡量制冷效果的重要指标。果的重要指标。如何计算节流膨胀如何计算节流膨胀温度降温度降TH？TH=T2-T12022/12/297.2.1 7.2.1 节流膨胀节流膨胀T1，P1节流膨胀前的温度、压力节流膨胀前的温度、压力T2，P2节流膨胀后的温度、压力节流膨胀后的温度
8、、压力2022/12/297.2.27.2.2对外作功的绝热膨胀对外作功的绝热膨胀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：若过程为可逆，则为等等S膨胀膨胀。等等S膨胀与节流膨胀有异同点。膨胀与节流膨胀有异同点。异：等异：等S膨胀通过膨胀通过膨胀机膨胀机对外作功，而对外作功，而节流膨胀不作功节流膨胀不作功同：均为同：均为绝热膨胀。绝热膨胀。节流膨胀节流膨胀等等S膨胀膨胀微分等熵膨胀效应系数微分等熵膨胀效应系数S S2022/12/29P1P2TS对外作功绝热膨胀的温度降对外作功绝热膨胀的温度降2ST1T2T2THTS21H等焓线等焓线2022/12/29节流膨胀与等熵膨胀的比较
9、节流膨胀与等熵膨胀的比较节流膨胀节流膨胀等熵膨胀等熵膨胀H=0S=0TH较小，冷冻量小较小，冷冻量小TS较大，冷冻量大较大，冷冻量大少数气体要预冷，才能使少数气体要预冷，才能使T任何气体均是任何气体均是T不作功不作功作功作功节流阀，节流阀，设备简单，设备简单，操作方便操作方便 膨胀机，膨胀机，设备复杂设备复杂汽液两相区、液相区均可用汽液两相区、液相区均可用使用时不能有液滴使用时不能有液滴用用得最多，普冷，小型深冷得最多，普冷，小型深冷大、中型气体液化大、中型气体液化节流膨胀与等熵膨胀均是获取低温即制冷的方法节流膨胀与等熵膨胀均是获取低温即制冷的方法2022/12/297.3 7.3 制冷循环制
10、冷循环7.3.1蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环7.3.2吸收制冷循环吸收制冷循环7.3.3热泵的工作原理热泵的工作原理消耗外功消耗外功消耗热能消耗热能2022/12/297.3.17.3.1蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环是由蒸汽压缩制冷循环是由压缩机、压缩机、冷凝器、冷凝器、节流阀节流阀、蒸发器、蒸发器组成。组成。制冷循环的工质采用制冷循环的工质采用低沸点低沸点物质作为制冷剂。如：氟里昂物质作为制冷剂。如：氟里昂R22（CHClF2）的）的Tb=-40.80，N2 的的Tb=-195.75 利用制冷剂在利用制冷剂在冷凝器中的冷凝器中的液化液化和在和在蒸发器中的蒸发器中的汽化
11、，实现在汽化，实现在高温下排热，低温下吸热过程。高温下排热，低温下吸热过程。q0q2冰箱冷冻室冰箱冷冻室提供提供q0通过冰箱散热片通过冰箱散热片向大气向大气排排出出q2压缩机压缩机蒸发器蒸发器1542冷却器冷却器节节流流阀阀2022/12/297.3.17.3.1蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环理想制冷循环理想制冷循环(可逆制可逆制冷冷)即为逆卡诺循环。即为逆卡诺循环。四个可逆过程构成四个可逆过程构成：1-2：绝热可逆压缩绝热可逆压缩,从从T1升温至升温至T2，等熵过程，消耗外功，等熵过程，消耗外功WS2-3：等温可逆放热等温可逆放热(q2）；）；3-4：绝热可逆膨胀，从绝热可逆膨胀，从T2降
12、温至降温至T1，等熵过程，对外作功，等熵过程，对外作功4-1：等温可逆吸热：等温可逆吸热(q0）ST3214 T1T21、逆向卡诺循环、逆向卡诺循环压压缩缩机机蒸发器蒸发器节节流流阀阀冷凝器冷凝器WWS Sq0q22022/12/29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23417.17.1蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环原理蒸汽动力循环原理TS41232022/12/29逆卡诺循环的缺点：逆卡诺循环的缺点：（1）12和和34的过程会形成的过程会形成液滴，在压缩机和膨胀机的液滴，在压缩机和膨胀机的气缸中产生气缸中产生“液击液击”现象，现象，容易损坏机器；容易损坏机器；（2）实
13、际过程难以接近四个可）实际过程难以接近四个可逆过程；逆过程；问题：如何改进？问题：如何改进？1、逆向卡诺循环、逆向卡诺循环ST3214 T1T22022/12/292、蒸汽压缩制冷循环、蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环由蒸汽压缩制冷循环由四步四步构成：构成：12 低压蒸汽的压缩低压蒸汽的压缩24 高压蒸汽的冷凝高压蒸汽的冷凝45 高压液体的节流膨胀，高压液体的节流膨胀，P，T51低压液体的蒸发低压液体的蒸发蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环对对逆卡诺循环逆卡诺循环的改进：的改进：1）把绝热可逆压缩过程）把绝热可逆压缩过程12安排在安排在过热蒸汽过热蒸汽区，使区，使湿蒸汽变为干气。湿蒸汽变为干气。
14、即即“干法操作干法操作”。2）把原）把原等熵膨胀等熵膨胀过程改为过程改为45的的等焓节流膨胀等焓节流膨胀过程，过程，节流阀的设备简单、操作易行。节流阀的设备简单、操作易行。T1=T5=蒸发温度蒸发温度T3=T4=冷凝温度冷凝温度节流膨胀节流膨胀（等（等H）等等S膨胀膨胀2022/12/292TS4135q0q23、蒸汽压缩制冷循环、蒸汽压缩制冷循环几个重要指标几个重要指标1）单位制冷量）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量在蒸发器中吸收的热量)2022/12/29q2Ws TS3214循环的循环的H=0，故，故q0例例6 试求工作于两个恒温热库高温试求工作于两个恒温热库高温TH和低温和低温TL
15、间的理间的理想制冷循环即逆向卡诺想制冷循环即逆向卡诺(Carnot)循环的放热量循环的放热量q2，制，制冷量冷量q0以及制冷系数以及制冷系数C。THTL2022/12/29结论：结论：逆向卡诺循环的制冷系数逆向卡诺循环的制冷系数C仅是温度仅是温度(蒸发温度蒸发温度TL和冷凝温度和冷凝温度TH的函数，与工质性质无关。的函数，与工质性质无关。在相同温度区间在相同温度区间TL,TH 工作的任何制冷循环，以工作的任何制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数逆向卡诺循环的制冷系数C为最大。为最大。它可作为一切实际循环的比较标准。它可作为一切实际循环的比较标准。2022/12/29例例7 有一氨冷冻循环装置，其
16、有一氨冷冻循环装置，其制冷能力制冷能力（冷冻量）为冷冻量）为105 kJh-1，蒸发温度蒸发温度-15，冷凝温度冷凝温度30 。假设压缩。假设压缩机绝热可逆运行，求机绝热可逆运行，求1）制冷剂的循环量；）制冷剂的循环量；2）压缩机功）压缩机功耗和处理的蒸气量；耗和处理的蒸气量；3）冷凝器热负荷；）冷凝器热负荷；4）节流阀后制）节流阀后制冷剂中冷剂中蒸气的含量蒸气的含量；5）循环制冷系数；）循环制冷系数；6）C解：解：关键是要确定关键是要确定1,2,3,4,5点的状态点的状态单级蒸汽压缩单级蒸汽压缩制冷循环图制冷循环图温熵图温熵图压焓图压焓图2022/12/29由由氨的饱和蒸汽表氨的饱和蒸汽表查
17、取有关数据：查取有关数据：1点点：T1=-15H1=1664kJ/kg；S1=9.021kJ/kgKv1=0.508m3/kg2点：点：T3=30其相应饱和蒸汽压力其相应饱和蒸汽压力P3=1.17MPa；P2=P3 S2=S1=9.021kJ/kgK=2.158 kcal/kgK；*用用S2和和P2查查H2=1880 kJ/kg=450kcal/kg；4点点：T4=30与饱和液体相交与饱和液体相交，据此查得，据此查得lH4=134 kcal/kg=560.53kJ/kg；5点点：T5=T1=-15，由于，由于4-5是等焓过程是等焓过程，lH5=H4=560.53kJ/kg；T1T22022/1
18、2/291.制冷剂的循环量制冷剂的循环量m3.压缩机功耗压缩机功耗PT2.压缩机每小时处理的制冷剂蒸汽量压缩机每小时处理的制冷剂蒸汽量V:4.冷凝器热负荷冷凝器热负荷Q22022/12/296.制冷系数制冷系数5.节流阀后制冷剂中蒸汽的含量节流阀后制冷剂中蒸汽的含量即求即求5点的干度点的干度X7.逆卡诺循环的制冷系数逆卡诺循环的制冷系数C2022/12/291、为了增加冷冻量，制冷剂在冷、为了增加冷冻量，制冷剂在冷凝器中，被过冷到低于饱和温凝器中，被过冷到低于饱和温度的度的4（过冷液体）过冷液体）。2、冷冻量增加了、冷冻量增加了55dc5，若若耗耗功量功量WS仍为仍为H2-H1，则，则制冷系制
19、冷系数数增大。增大。3、为了计算方便，、为了计算方便，4过冷液体过冷液体的性质用的性质用4点温度对应的饱和点温度对应的饱和液体代替液体代替。4、实际制冷循环往往不可能是完实际制冷循环往往不可能是完全等熵的，全等熵的，22，则，则耗功量耗功量WS为为H2-H1。4、蒸汽压缩制冷循环、蒸汽压缩制冷循环实际制冷循环实际制冷循环2TS2541435c d2022/12/292TS254实际蒸汽压实际蒸汽压缩制冷循环缩制冷循环142点的性质用点的性质用等熵效率计算等熵效率计算35冷凝温度冷凝温度蒸发温度蒸发温度过冷温度过冷温度过冷度过冷度：T4=T3：T4=T4-T4:T5=T5=T1解题关键：确定解题
20、关键：确定2,4 点的状态点的状态4点过冷液体的性质用点过冷液体的性质用4点温度对应的饱和液体代替。点温度对应的饱和液体代替。5、几个定义、几个定义30255-15冰箱四星级冰箱四星级T1=-24 三星级三星级T1=-18国际标准国际标准冷冻条件冷冻条件2022/12/292TS2541435实际蒸汽压缩制冷循环计算实际蒸汽压缩制冷循环计算q0q21）单位制冷量）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量在蒸发器中吸收的热量)p.150例例6-92022/12/29补充习题补充习题1.制冷循环装置以制冷循环装置以NH3为工质，制冷能力是为工质，制冷能力是10000kcal/hr，冷凝温度冷凝温度25
21、 ，蒸发温度蒸发温度 -20，一技术员根据生产工艺要求，认为这样条件下工作，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，功耗过大，建议进行改进，冷凝温度仍为冷凝温度仍为25，但但过冷到过冷到 20，蒸发温度改为，蒸发温度改为 -5，问问1）在）在T-S图上图上标出该制冷循环改进前后各状态点。（标出各点的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）计算改进前后的制冷系数；3 3）改进后改进后理想功耗可减少多少理想功耗可减少多少KW？设压缩过程按可逆绝热过？设压缩过程按可逆绝热过程考虑。有关数据查程考虑。有关数据查NH3的的T-S
22、图。图。2022/12/29改进前：改进前：1点点 -20查氨饱和蒸汽表查氨饱和蒸汽表 得得H1=1657.43 kJ/kgS1=9.0962kJ/kg.K P1=0.1902 MPa2点点 查查lnP-H图，图，T4=25对应的对应的P4=1.003 MPa 与与 S2=S1=9.0962kJ/kg.K相交处的相交处的点即为点即为2点，点，P2=1.003 MPa H2=1880 kJ/kg 3 点点 T3=25，P3=P4=1.003 MPa4 点点 T3=25，P4=1.003 MPa 查氨饱和蒸汽表查氨饱和蒸汽表H4=536.45 kJ/kg 5点点 H5=H4=536.45 kJ/k
23、g2022/12/29改进后：改进后：1点点-5，查氨饱和蒸汽表查氨饱和蒸汽表 得得 H1=1676.35 kJ/kg，S1=8.8789kJ/kg.K 2点点查查lnP-H图，图，T4=25 与与P4=1.003MPa S2=S1=8.8789kJ/kg.K 相交处的点即为相交处的点即为2点点 H2=1800 kJ/kg 3点点 T3=25，P3=P4=1.003 MPa 4点点 T4=20，H4=512.46 kJ/kg/kg 5点点 H5=H4=512.46 kJ/kg 2022/12/29蒸发温度、冷凝温度的选择蒸发温度、冷凝温度的选择3 3、制冷级数的选择：、制冷级数的选择：当蒸发温
24、度当蒸发温度 -25-25 一级压缩一级压缩当蒸发温度当蒸发温度 -30-30 二级压缩二级压缩当蒸发温度当蒸发温度 1(34)2022/12/29家用空调工作原理家用空调工作原理夏天夏天冷凝器（在室外）冷凝器（在室外）)(膨胀膨胀阀阀蒸发器（在室内）蒸发器（在室内）a）压缩机压缩机转转换换阀阀2022/12/29家用空调工作原理家用空调工作原理冬天冬天2022/12/29Compact heat pumpCompactheatpump2022/12/29蒸汽动力循环蒸汽动力循环冷冻循环冷冻循环热转变成功热转变成功消耗功将热从低温传给高温消耗功将热从低温传给高温1、制冷、制冷2、加热、加热制制
25、冷机冷机热泵热泵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2341第六章总结第六章总结压缩机压缩机蒸发器蒸发器1542冷却器冷却器节节流流阀阀2022/12/29蒸汽动力循环蒸汽动力循环1TS23421.朗肯循环朗肯循环等等S膨胀膨胀3.再热循环再热循环2.回热循环回热循环冷冻循环冷冻循环2TS25414352.吸收制冷循环吸收制冷循环2.等等S膨胀膨胀1.等等H膨胀膨胀原理：原理：1.蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环2022/12/29Q2（放热）（放热）Q1吸热吸热实际实际Rankine循环计算循环计算1TS23242022/12/29制冷原理制冷原理0 节流膨胀后，气体温度降低
26、节流膨胀后，气体温度降低.(.(冷效应冷效应)0 的气体的气体,如如N2。2022/12/292TS25414351）冷凝温度）冷凝温度：T4=T32）过冷温度）过冷温度：T43）过冷度）过冷度=T4-T44）蒸发温度）蒸发温度:T5=T5=T1几个易混淆的概念：几个易混淆的概念：实际蒸汽压缩制冷循环计算实际蒸汽压缩制冷循环计算6）单位制冷量）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量在蒸发器中吸收的热量)q0q22022/12/292TS2541435实际蒸汽压缩制冷循环计算实际蒸汽压缩制冷循环计算q0q22022/12/29烧电炉，消耗烧电炉，消耗1J的机械功，仅获得的机械功，仅获得1J的热量的
27、热量利用热泵比直接烧电炉获得的热量更多！利用热泵比直接烧电炉获得的热量更多！制冷循环制冷循环是蒸汽动力循环的逆过程。是蒸汽动力循环的逆过程。是蒸汽动力循环的逆过程。是蒸汽动力循环的逆过程。制冷循环：制冷循环：利用机械功使利用机械功使利用机械功使利用机械功使热量从低温热量从低温高温高温的过程。的过程。的过程。的过程。家用空调，家用空调，家用空调，家用空调，夏天制冷夏天制冷和和和和冬天供热冬天供热利用的均是制冷循环利用的均是制冷循环利用的均是制冷循环利用的均是制冷循环原理。原理。原理。原理。夏天制冷夏天制冷:制冷机制冷机冬天供热：冬天供热：热泵热泵合理利用能源，是对社会最大的贡献！合理利用能源，是对社会最大的贡献！2022/12/29