化工热力学第六章 蒸汽动力循环和制冷循环

1、化工热力学第六章 蒸汽动力循环和制冷循环第1页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4第七章内容7.1 蒸汽动力循环7.1.1 Rankine(朗肯)循环7.1.2 Rankine循环的改进 7.2 气体绝热膨胀制冷原理7.2.1 节流膨胀7.2.2 对外作功的绝热膨胀7.3 制冷循环7.3.1 蒸汽压缩制冷循环7.3.2 吸收制冷循环工作原理循环中工质状态变化能量转换计算循环过程热力学分析第2页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4前言循环：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。蒸汽

2、动力循环：是以水蒸汽为工质，将热连续地转变成功的过程，其主要设备是各种热机。产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂冷冻循环：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。耗功的过程。-100 以上为普冷， -100 以下为深冷。第3页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4前言如何将1atm 300atm?需要压缩机，消耗动力。中国60年代，15001800度电/吨NH3。中国70年代，仅1030度电/吨NH3。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：电高温热源废热锅炉，产生高压蒸汽压缩机 (氢循环压缩机)透平机第4页，共98页，202

3、2年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4流体通过压缩机、膨胀机7.1 蒸汽动力循环稳定流动体系的热力学第一定理： u20，g Z0，若绝热过程Q=0Ws= H= H2-H1高压高温蒸汽带动透平产生轴功。（流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量，称为轴功Ws。）第5页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4锅炉透平机水泵冷凝器过热器23417.1 蒸汽动力循环3 4水在水泵中被压缩升压。4 1 进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后。1 2 进入透平机膨胀作功。2 3 作功后的低压湿蒸汽进入冷凝器被冷凝成水，再回到水泵中，完成一个循环。蒸汽动力循

4、环原理蒸汽动力循环主要由水泵、锅炉、透平机和冷凝器组成。第6页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4锅炉水泵冷凝器透平机2413原理水压缩水加热至过热蒸汽蒸汽作功蒸汽冷凝成水理想Rankine循环123TS4等S膨胀等S压缩等压吸热相变3 4 饱和水可逆绝热压缩过程。（等S）4 1 高压水等压升温和汽化，等压吸热过程1 2 过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。（等S）2 3 湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。7.1.1 Rankine (朗肯)循环第7页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4卡诺循环的缺点TS锅炉加热4123透平机

5、后的乏气,汽+液汽+液泵冷凝器透平机缺点之二: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。（冷效应） 0 的气体,如N2 。3) H2和 He等气体在常温下J-T0转化曲线J-T=0第52页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/41、T-S图上求TH T1T2TH等焓线127.2.1 节流膨胀节流膨胀的温度降TH是衡量制冷效果的重要指标。如何计算节流膨胀温度降TH？TH=T2-T1第53页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/47.2.1 节流膨胀T1，P1节流膨胀前的温度、压力

6、T2，P2节流膨胀后的温度、压力第54页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4对外作功的绝热膨胀对外作功的绝热膨胀：若过程为可逆，则为等S膨胀。等S膨胀与节流膨胀有异同点。异：等S膨胀通过膨胀机对外作功，而节流膨胀不作功同：均为绝热膨胀。节流膨胀等S膨胀微分等熵膨胀效应系数S第55页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4P1P2TS对外作功绝热膨胀的温度降2ST1T2T2THTS21H等焓线第56页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4节流膨胀与等熵膨胀的比较节流膨胀等熵膨胀H=0S=0TH较

7、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第57页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/47.3 制冷循环7.3.1 蒸汽压缩制冷循环7.3.2 吸收制冷循环7.3.3 热泵的工作原理消耗外功消耗热能第58页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环是由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成。 制冷循环的工质

8、采用低沸点物质作为制冷剂。如：氟里昂R22（CHClF2）的Tb=-40.80 ，N2 的Tb=-195.75 利用制冷剂在冷凝器中的液化和在蒸发器中的汽化，实现在高温下排热，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压缩机蒸发器1542冷却器节流阀第59页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4蒸汽压缩制冷循环理想制冷循环(可逆制冷)即为逆卡诺循环。四个可逆过程构成：1-2：绝热可逆压缩, 从T1升温至T2，等熵过程，消耗外功WS2-3： 等温可逆放热(q2）；3-4： 绝热可逆膨胀，从T2降温至T1，等熵过程，对外作功4-1：等温

9、可逆吸热(q0） ST3214T1T21、逆向卡诺循环压缩机蒸发器节流阀冷凝器WSq0q2第60页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4锅炉透平机水泵冷凝器过热器23417.1蒸汽动力循环蒸汽动力循环原理TS4123第61页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4逆卡诺循环的缺点：（1）12和34的过程会形成液滴，在压缩机和膨胀机的气缸中产生“液击”现象，容易损坏机器；（2）实际过程难以接近四个可逆过程；问题：如何改进？1、逆向卡诺循环ST3214T1T2第62页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/

10、9/42、蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环由四步构成：12 低压蒸汽的压缩24 高压蒸汽的冷凝45 高压液体的节流膨胀，P ，T51低压液体的蒸发蒸汽压缩制冷循环对逆卡诺循环的改进：1）把绝热可逆压缩过程12安排在过热蒸汽区，使湿蒸汽变为干气。即“干法操作”。2）把原等熵膨胀过程改为45的等焓节流膨胀过程，节流阀的设备简单、操作易行。T1=T5=蒸发温度T3=T4=冷凝温度节流膨胀（等H）等S膨胀第63页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/42TS4135q0q23、蒸汽压缩制冷循环几个重要指标1）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量)第64页，共98页，20

11、22年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4q2Ws TS3214循环的H = 0，故q0例6 试求工作于两个恒温热库高温TH和低温TL间的理想制冷循环即逆向卡诺(Carnot)循环的放热量q2，制冷量q0以及制冷系数C。THTL第65页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4结论：逆向卡诺循环的制冷系数C仅是温度(蒸发温度TL和冷凝温度TH的函数，与工质性质无关。在相同温度区间TL, TH 工作的任何制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数C为最大。它可作为一切实际循环的比较标准。第66页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/

12、9/4例7 有一氨冷冻循环装置，其制冷能力（冷冻量）为105 kJh-1，蒸发温度-15，冷凝温度30 。假设压缩机绝热可逆运行，求1）制冷剂的循环量；2）压缩机功耗和处理的蒸气量；3）冷凝器热负荷；4）节流阀后制冷剂中蒸气的含量；5）循环制冷系数；6） C解：关键是要确定1,2,3,4,5点的状态单级蒸汽压缩制冷循环图温熵图压焓图第67页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4由氨的饱和蒸汽表查取有关数据：1点： T1=-15H1=1664kJ/kg；S1=9.021kJ/kgKv1=0.508m3/kg2点：T3=30其相应饱和蒸汽压力P3=1.17MPa；

13、 P2=P3 S2 = S1 = 9.021kJ/kgK=2.158 kcal/kgK；*用S2和P2查H2 =1880 kJ/kg=450kcal/kg；4点： T4=30与饱和液体相交，据此查得H4= 134 kcal/kg=560.53kJ/kg；5点： T5 =T1= -15，由于4-5是等焓过程，H5 = H4 = 560.53kJ/kg；T1T2第68页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/41.制冷剂的循环量m3.压缩机功耗PT2.压缩机每小时处理的制冷剂蒸汽量V:4.冷凝器热负荷Q2第69页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二

14、2022/9/46.制冷系数5.节流阀后制冷剂中蒸汽的含量即求5点的干度X7.逆卡诺循环的制冷系数C第70页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/41、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4（过冷液体）。2、冷冻量增加了55dc5，若耗功量WS仍为H2-H1，则制冷系数增大。3、为了计算方便， 4过冷液体的性质用4点温度对应的饱和液体代替。4、实际制冷循环往往不可能是完全等熵的，22，则耗功量WS为H2-H1。4、蒸汽压缩制冷循环实际制冷循环2TS2541435cd第71页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/

15、42TS254实际蒸汽压缩制冷循环142点的性质用等熵效率计算35冷凝温度蒸发温度过冷温度过冷度：T4 =T3：T4=T4-T4:T5=T5=T1解题关键：确定2, 4 点的状态4点过冷液体的性质用4点温度对应的饱和液体代替。5、几个定义30255-15冰箱四星级T1=-24三星级T1=-18国际标准冷冻条件第72页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/42TS2541435实际蒸汽压缩制冷循环计算q0q21）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量)p.150例6-9第73页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4补充习题1.制冷循

16、环装置以NH3为工质，制冷能力是10000kcal/hr，冷凝温度25 ，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，功耗过大，建议进行改进，冷凝温度仍为25 ，但过冷到 20，蒸发温度改为 -5，问1）在T-S图上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；3）改进后理想功耗可减少多少KW？设压缩过程按可逆绝热过程考虑。有关数据查NH3的T-S图。第74页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4改进前： 1点 -20查氨饱和蒸汽表 得H1=1657.43 kJ / kgS1=9.0962kJ / kg.

17、K P1 =0.1902 MPa2点 查lnP-H图，T4=25对应的P4 =1.003 MPa 与 S2= S1=9.0962kJ / kg.K相交处的点即为2点，P2 =1.003 MPa H2=1880 kJ / kg 3 点 T3=25，P3= P4 =1.003 MPa4 点 T3=25，P4 =1.003 MPa 查氨饱和蒸汽表H4=536.45 kJ / kg 5点 H5=H4=536.45 kJ / kg第75页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4改进后：1点 -5，查氨饱和蒸汽表 得 H1=1676.35 kJ / kg ，S1=8.878

18、9kJ / kg.K 2点查lnP-H图，T4=25 与P4=1.003MPa S2=S1=8.8789kJ / kg.K 相交处的点即为2点 H2=1800 kJ / kg 3点 T3=25，P3= P4 =1.003 MPa 4点 T4=20 ，H4=512.46 kJ / kg / kg 5点 H5= H4=512.46 kJ / kg 第76页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4蒸发温度、冷凝温度的选择3、制冷级数的选择：当蒸发温度 -25 一级压缩当蒸发温度 -30 二级压缩当蒸发温度1(34)第88页，共98页，2022年，5月20日，17点17

19、分，星期二2022/9/4家用空调工作原理夏天冷凝器（在室外）) (膨胀阀蒸发器（在室内）a）压缩机转换阀第89页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4家用空调工作原理冬天第90页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4Compact heat pumpCompact heat pump第91页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4蒸汽动力循环冷冻循环热转变成功消耗功将热从低温传给高温1、制冷2、加热制冷机热泵锅炉透平机水泵冷凝器过热器2341第六章总结压缩机蒸发器1542冷却器节流阀第92页，共98页，2022年，5月20日，17点17分，星期二2022/9/4蒸汽动力循环1TS23421.