化工热力学第七章 蒸汽动力循环和制冷循环

1、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 本章目的本章目的 研究循环中热、功转换的效果及其影响研究循环中热、功转换的效果及其影响 因素，探求提高能量转换效率的途径因素，探求提高能量转换效率的途径。 本章内容本章内容 讨论蒸汽动力循环的热效率、循环功以讨论蒸汽动力循环的热效率、循环功以 及循环中各过程工质状态函数的变化；及循环中各过程工质状态函数的变化； 制冷循环与获得低于环境温度的操作过制冷循环与获得低于环境温度的操作过 程的热力学分析。程的热力学分析。 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

2、，又重体系从初态开始，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。新回到初态，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。主要设备是热泵。 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

3、为深冷。以下为深冷。 前言前言 3 300400 22 23NHHN atmC ， 合成氨合成氨 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 卡诺循环的缺点卡诺循环的缺点 T S 锅炉加热锅炉加

4、热 4 1 23 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X2，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 2 T S 2 5 4 1 4 3 5 c d 2 T S 2 5 4 实际蒸汽压实际蒸汽压 缩制冷循环缩制冷循环 1 4 2点的性质用点的性质用 等熵效率计算等熵效率计算 不不 可可 , , S S S W W ）（ ）（ 12

5、 12 HH HH 3 5 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 30 25 5 -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 2 T S 2 5 4 1 4 3 5 实际蒸汽压缩制冷循环计算实际蒸汽压缩制冷循环计算 q0 q2 KgKJHHWs/, 3 12 位位制制冷冷剂剂）

6、压压缩缩机机消消耗耗的的功功（单单 12 410 5 HH HH W q s ）制制冷冷系系数数 hKJQ hKg q Q m /, /,2 0 0 0 制制冷冷装装置置制制冷冷能能力力 ）制制冷冷剂剂循循环环量量 KgKJHHq/, 6 422 ）冷冷凝凝器器放放热热量量 kW mW hKJ Q hKJmWP s sT , 3600 /,/, 4 0 ）压缩机消耗的功率）压缩机消耗的功率 )/( 41510 KgKJHHHHq 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) p.297例例7-5 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

7、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) 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） ) (膨胀阀膨胀阀 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 家用空调工作原理家用空调工作原理 冬天冬天 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

8、器器 过过 热热 器器 2 3 4 1 第六章总结第六章总结 压缩机压缩机 蒸发器蒸发器 1 5 4 2 冷却器冷却器 节节 流流 阀阀 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 1 T S 2 3 4 2 1.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 4 . 03 . 0 1 Q WW PS 热效率热效率 冷冻循环冷冻循环 2 T S 2 5 4 1 4 3 5 2.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 54 0 s W q 制冷系数制冷系数 4 . 03 . 0 6 41 21 1 ）（ ）热

9、效率）热效率 HH HH Q WW PS ）（ ）气耗率：）气耗率： 11 . /36007 hKwKg WSSC sQ2（放热）（放热） Q1吸热吸热 ）在锅炉中吸热量）在锅炉中吸热量 411 1HHQ 12 3HHWS ）在透平机中对外做功）在透平机中对外做功 ）在冷凝器中放热量）在冷凝器中放热量 232 2HHQ 34 4HHWP ）在水泵中消耗功）在水泵中消耗功 21 21 , , 5 HH HH W W S S S 可可 不不 ）等熵效率）等熵效率 实际实际Rankine循环计算循环计算 1 T S 2 3 2 4 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

10、低.(.(冷效应冷效应) ) 0 的气体的气体,如如N2 。 dPTTT P P JH 2 1 12 3 、节流膨胀、节流膨胀 P S H P P SS C H TdPT 2 1 4 、等熵膨胀、等熵膨胀 2 T S 2 5 4 1 4 ）（ ）（ ）压缩机的等熵效率）压缩机的等熵效率 不不 可可 12 12 , , 5 HH HH W W S S S 3 5 1）冷凝温度）冷凝温度：T4 =T3 2）过冷温度）过冷温度：T4 3）过冷度）过冷度=T4-T4 4）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 )/(

11、 41510 KgKJHHHHq 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) q0 q2 KgKJHHWs/ 8 12 ， 位位制制冷冷剂剂）压压缩缩机机消消耗耗的的功功（单单 12 410 10 HH HH W q s ）制制冷冷系系数数 2 T S 2 5 4 1 4 3 5 实际蒸汽压缩制冷循环计算实际蒸汽压缩制冷循环计算 q0 q2 hKJQ hKg q Q m /, /,7 0 0 0 制制冷冷装装置置制制冷冷能能力力 ）制制冷冷剂剂循循环环量量 KgKJHHq/11 422 ，）冷冷凝凝器器放放热热量量 kW mWs hKJ Q hKJmWP sT

12、, 3600 /,/, 9 0 ）压缩机消耗的功率）压缩机消耗的功率 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 制冷循环：制冷循环：热量从热量从低温低温高温高温 夏天制冷夏天制冷冬天供热冬天供热 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！ 7.2 & 7.3 制冷循环及原理制冷循环及原理 7.2 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 制冷原理制冷原理：高压

13、常温气体高压常温气体通过通过绝热膨胀绝热膨胀 变为变为低温液体低温液体，此液体作为工质再去冷，此液体作为工质再去冷 却需要低温的物体。却需要低温的物体。 获得低温的方法有获得低温的方法有两种两种： 7.2.1 节流膨胀（等节流膨胀（等H） 7.2.2 作外功的绝热膨胀（等作外功的绝热膨胀（等S） 7.2.1 7.2.1 节流膨胀节流膨胀 s WQ u ZgH 2 2 小孔小孔 流体通过节流阀门或流体通过节流阀门或 多孔塞，是节流膨胀多孔塞，是节流膨胀 或绝热闪蒸过程。或绝热闪蒸过程。 Q=0 Ws=0， u2=0，g Z=0 ， H=0（节流过程节流过程 是等焓过程）是等焓过程） 利用利用节流

14、过程节流过程，获得，获得 低温低温和和冷量冷量 P2 V1 V1 是体系的强度性质。因为节流过程的是体系的强度性质。因为节流过程的 , 所以当所以当： d0p J-T Joule-Thomson系数系数J-T J-T的 的定义：定义： 0 经节流膨胀后，气体经节流膨胀后，气体温度降低温度降低。（。（冷效应冷效应） T- J J-T ()H T p T-J 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=0 7.2.1 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。

15、果的重要指标。 如何计算节流膨胀温度降如何计算节流膨胀温度降TH？ TH=T2-T1 21 1 H TTT、 dP P P J 2 1 dPV T V T C P PP p 2 1 1 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 P1 P2 T S T1 T2 TH 2 1 H 等焓线等焓线 7.2.1 7.2.1 节流膨胀节流膨胀 2、T-S图上求图上求TH 7.2.2 7.2.2 对外作功的绝热膨胀对外作功的绝热膨胀 S S P T Pp T V C T P T T H P H 0 P T V 绝大多数绝大多数 0 永远永

16、远 S 膨胀，永远能制冷。膨胀，永远能制冷。即等即等S 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 S P1 P2 T S 对外作功绝热膨胀的温度降对外作功绝热膨胀的温度降 dPT P P SS 2 1 dP T V C T P PP p 2 1 2 S T1 T2 T2 TH TS 2 1 H 等焓线等焓线 HS TT 节流膨胀与等熵膨胀的比节流膨胀与等熵膨胀的比 较较 节流膨胀节流膨胀等熵膨胀等熵膨胀 H