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1、第6章 蒸汽动力循环和制冷循环化工热力学2023/2/24现在学习的是第1页，共90页第六章内容第六章内容6.1 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.1 Rankine(朗肯朗肯)循环循环6.1.2 Rankine循环的改进循环的改进 6.2 6.2 气体绝热膨胀制冷原理气体绝热膨胀制冷原理6.2.1 节流膨胀节流膨胀6.2.2 对外作功的绝热膨胀对外作功的绝热膨胀6.3 6.3 制冷循环制冷循环6.3.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环6.3.2 吸收制冷循环吸收制冷循环2023/2/24现在学习的是第2页，共90页前言前言循环：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
2、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，以上为普冷，-100 以下为深冷。以下为深冷。2023/2/
3、24现在学习的是第3页，共90页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透平机透平机2023/2/24现在学习的是第4页，共90页意义：意义：v中国中国50%的能源需要进口。的能源需要进口。v中国的中国的能源利用率能源利用率仅是世界平均水平的仅
4、是世界平均水平的50%。v化工是耗能大户化工是耗能大户，仅次于冶金。，仅次于冶金。v提高能源利用率是当今的首要任务。提高能源利用率是当今的首要任务。应用：应用：l每吨每吨NH3，耗电，耗电1500度度高压蒸汽高压蒸汽推动推动透平透平1030度度2023/2/24现在学习的是第5页，共90页l流体通过压缩机、膨胀机流体通过压缩机、膨胀机 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能量，的能量，称称为为轴功轴功Ws。）6.1 6.1 蒸
5、汽动力循环蒸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：2023/2/24现在学习的是第6页，共90页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23416.1 6.1 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，直至进入锅炉被加热汽化，直至成为成为过热蒸汽过热蒸汽后。后。1 2 进入透平机膨胀作功。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冷蒸汽进入冷凝器被冷凝成凝器被冷凝成水水，再回到水泵中，再回到水泵中，完成一个循环。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
6、蒸汽动力循环主要由主要由水泵水泵、锅炉锅炉、透平机透平机和和冷凝器冷凝器组成。组成。2023/2/24现在学习的是第7页，共90页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压压缩缩可逆吸热可逆吸热相变相变3 4 饱和水饱和水可逆绝热压缩过程。可逆绝热压缩过程。（等（等S）4 1 高压水高压水等压升温和汽化，可逆吸热过程等压升温和汽化，可逆吸热过程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
7、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）。6.1.1 Rankine(朗肯朗肯)循环循环2023/2/24现在学习的是第8页，共90页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,汽+液汽+液泵泵冷凝器冷凝器透透平平机机缺点之二: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。（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等气体在常温下等气体在常温下J-T0转化曲线J-T=02023/2/24现在学习的是第45页，共90页1、T-S图上求图上求 TH
8、T1T2TH等焓线126.2.1 6.2.1 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是衡量制冷效果的是衡量制冷效果的重要指标。重要指标。如何计算节流膨胀温如何计算节流膨胀温度降度降TH？TH=T2-T12023/2/24现在学习的是第46页，共90页6.2.1 6.2.1 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、压力2023/2/24现在学习的是第47页，共90页6.2.26.2.2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
9、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。节流膨胀等S膨胀微分等熵膨胀效应系数微分等熵膨胀效应系数S S2023/2/24现在学习的是第48页，共90页P1P2TS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2023/2/24现在学习的是第49页，共90页节流膨胀与等熵膨胀的比较节流膨胀与等熵膨胀的比较节流膨胀等熵膨胀H=0S=0TH较小，冷冻量小TS较大，冷冻量大少数气体要预冷，才能使T任何气体均是T不
10、作功作功节流阀，设备简单，操作方便膨胀机，设备复杂汽液两相区、液相区均可用使用时不能有液滴用得最多，普冷，小型深冷大、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2023/2/24现在学习的是第50页，共90页6.3 6.3 制冷循环制冷循环6.3.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环6.3.2 吸收制冷循环吸收制冷循环6.3.3 热泵的工作原理热泵的工作原理2023/2/24现在学习的是第51页，共90页6.3.16.3.1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、冷压缩机、冷凝器、凝器、节流阀节流阀、
11、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物质作为制冷剂。如：氟里昂作为制冷剂。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和液化和在在蒸发器中的蒸发器中的汽化，实现在汽化，实现在高温高温下排热，低温下吸热过程。下排热，低温下吸热过程。q0q2冰箱冷冻室提供q0通过冰箱散热片向大气排出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2023/2/24现在学习的是第52页，共90页6.3.16.3.1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
12、(可逆制冷可逆制冷)即即为逆卡诺循环。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）ST3214T1T21、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 Sq0q22023/2/24现在学习的是第53页，共90页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23416.
13、16.1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TS41232023/2/24现在学习的是第54页，共90页逆卡诺循环的缺点：逆卡诺循环的缺点：（1）12和和34的过程会形成液滴的过程会形成液滴，在压缩机和膨胀机的气缸中产，在压缩机和膨胀机的气缸中产生生“液击液击”现象，容易损坏机器；现象，容易损坏机器；（2）实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ST3214T1T22023/2/24现在学习的是第55页，共90页2、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
14、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，使湿蒸汽区，使湿蒸汽变为干气。变为干气。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，节过程，节流阀的设备简单、操作易行。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2023
15、/2/24现在学习的是第56页，共90页2TS4135q0q23、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)2023/2/24现在学习的是第57页，共90页q2Ws 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间的理想制冷间的理想制冷循环即逆向卡诺循环即逆向卡诺(Carnot)循环的放热量循环的放热量q2，制冷量，制冷量q0以及以及制冷系数制冷系数C。THTL2023/2/24现在学习的是第58页，共90页结论：结论：逆向卡诺循
16、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和冷和冷凝温度凝温度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，以逆工作的任何制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数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。2023/2/24现在学习的是第59页，共90页例例7 有一氨冷冻循环装置，其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 。假设压缩机绝热可逆。假设压缩机绝热可逆
17、运行，求运行，求1）制冷剂的循环量；）制冷剂的循环量；2）压缩机功耗和处理的蒸）压缩机功耗和处理的蒸气量；气量；3）冷凝器热负荷；）冷凝器热负荷；4）节流阀后制冷剂中）节流阀后制冷剂中蒸气的含蒸气的含量量；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制冷单级蒸汽压缩制冷循环图循环图温熵图温熵图压焓图压焓图2023/2/24现在学习的是第60页，共90页由由氨的饱和蒸汽表氨的饱和蒸汽表查取有关数据：查取有关数据：1点点：T1=-15H1=1664kJ/kg；S1=9.021kJ/kgKv1=0.508m3/kg2点：点：T
18、3=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；T1T22023/2/24现在学习的是第61页，共90页1.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
19、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Q22023/2/24现在学习的是第62页，共90页6.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C2023/2/24现在学习的是第63页，共90页1、为了增加冷冻量，制冷剂在冷凝器、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中，被过冷到低于饱和温度的4（过冷液体）过冷液体）。2、冷冻量增加了、冷冻量增加了55dc5，若耗功量若耗功量WS仍为仍为H2-H1，则，则制冷系数制冷系数增大。增大。3、为了计算方便，、为了计算方便，
20、4过冷液体的性过冷液体的性质用质用4点温度对应的饱和液体代点温度对应的饱和液体代替替。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2TS2541435cd2023/2/24现在学习的是第64页，共90页2TS254实际蒸汽压实际蒸汽压缩制冷循环缩制冷循环142点的性质用等点的性质用等熵效率计算熵效率计算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：确定解题关键：确定2,4 点的状态点
21、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2023/2/24现在学习的是第65页，共90页2TS2541435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)2023/2/24现在学习的是第66页，共90页补充习题补充习题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
22、度25 ，蒸发温度蒸发温度 -20，一技术员根据生产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，建议进行改工艺要求，认为这样条件下工作，功耗过大，建议进行改进，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图上标出该制冷循环改进前后各状态点。图上标出该制冷循环改进前后各状态点。（标出各点的（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）改进后理想功耗可减少多少改进后理想功耗可减少多少KW？设压缩过程按可逆绝？设压缩过程按可逆绝热过程考虑。有关数据查热过程考虑。有关数据查NH3的的
23、T-S图。图。2023/2/24现在学习的是第67页，共90页蒸发温度、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)2023/2/24现在学习的是第80页，共90页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2023/2/24现在学习的是第81页，共90页家用空调工作原理家用空调工作原理冬天冬天蒸发器（在室外）蒸发器（在室
24、外）)(膨胀膨胀阀阀冷凝器（在室内）冷凝器（在室内）压缩机压缩机转转换换阀阀b）2023/2/24现在学习的是第82页，共90页Compact heat pumpCompact heat pump2023/2/24现在学习的是第83页，共90页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2023/2/24现在学习的是第84页，共90页蒸汽动力循环蒸汽
25、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2023/2/24现在学习的是第85页，共90页Q2（放热）（放热）Q1吸热吸热实际实际Rankine循环计算循环计算1TS23242023/2/24现在学习的是第86页，共90页制冷原理制冷原理0 节流膨胀后，气体温度降低节流膨胀后，气体温度降低.(.(冷效应冷效应)0 的气体的气体,如如N2。2023/2/24现在学习的是第87页，共90页2TS25
26、414351）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)q0q22023/2/24现在学习的是第88页，共90页2TS2541435实际蒸汽压缩制冷循环计算实际蒸汽压缩制冷循环计算q0q22023/2/24现在学习的是第89页，共90页烧电炉，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。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，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原利用的均是制冷循环原理。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！2023/2/24现在学习的是第90页，共90页