化工热力学第六章-蒸汽动力循环与制冷循环

第六章

蒸汽动力循环与制冷循环EnginesandRefrigeration6蒸汽动力循环与制冷循环

目的：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果的途径。

内容：

1.讨论蒸汽动力循环的热效率、功以及循环中各工质状态的变化

2.制冷循环的热力学分析

要求：掌握工作原理、工质状态变化、能量转换计算、能量转换效果热力学分析6蒸汽动力循环与制冷循环

6.1蒸汽动力循环

6.2膨胀过程

6.3制冷循环6.1蒸汽动力循环

1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环

2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图

3）朗肯循环

4）提高朗肯循环热效率的措施

5）应用举例6.1蒸汽动力循环

1）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，正向卡诺循环是由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成的，用T-S图表示为6.1蒸汽动力循环

正向卡诺循环：

工质吸热温度大于工质排热温度

正向卡诺循环是动力循环，是最理想的情况，因为它产功最大。6.1蒸汽动力循环

卡诺循环产功最大，但实际上很难实现，问题在于：

①湿蒸汽对汽轮机和水泵有侵蚀作用，汽轮机带水量不能超过10%，水泵不能带入蒸汽进泵；

②绝热可逆过程实际难以实现。6.1蒸汽动力循环1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环

2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图

3）朗肯循环

4）提高朗肯循环热效率的措施

5）应用举例6.1蒸汽动力循环

2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图

蒸汽动力循环的主要设备有：汽轮机、冷凝器、水泵、锅炉四部分，工作介质一般为水。6.1蒸汽动力循环

P1、T1的高温高压蒸汽进入汽轮机等熵膨胀到状态2，对外作功，2点状态为乏汽，从汽轮机流出进入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潜热QL，而变为该压力下的饱和水，放出的热量QL由冷却水带走，达到状态3，饱和水经水泵压到P1进入锅炉，锅炉吸收热量QH，使工质变化到状态1，完成一个循环。6.1蒸汽动力循环1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图3）朗肯循环4）提高朗肯循环热效率的措施5）应用举例6.1蒸汽动力循环

3）朗肯循环Rankine朗肯循环的原理：也是由四个部分组成6.1蒸汽动力循环朗肯循环的过程为：

1-2′：产功过程，在汽轮机中进行若忽略的工质的摩擦与散热，此过程可简化为可逆绝热膨胀（等熵膨胀）

2′-3：乏气放热过程，等温等压冷凝放热在冷凝器中进行，在冷凝器里，冷却水把工质的热量带走，使其转变为饱和液体

6.1蒸汽动力循环3-4：耗功过程，饱和液体水在水泵中升压，可认为可逆绝热压缩

4-1：工质吸热过程，等压升温、汽化过程。在锅炉中进行水

6.1蒸汽动力循环

朗肯循环过程热力学计算

⑴工质在锅炉中的吸热量

Q1

=ΔH=H1－H4

KJ/Kg⑵工质在冷凝器中排放的热量Q2=

ΔH

=

H3－H2

KJ/Kg6.1蒸汽动力循环⑶汽轮机中工质的单位产功量

WSR=H2－H1

KJ/KgWS=

ΔH

=H2′－H1

KJ/Kg∴∵6.1蒸汽动力循环⑷水泵中工质的单位耗功量

Wp=ΔH=H4－H3

KJ/Kg

由于液态水的不可压缩性，水泵中工质的耗功量可按下式进行计算

kJ/kg6.1蒸汽动力循环⑸热效率

定义：锅炉中所给的热量中转化为净功的量。6.1蒸汽动力循环

⑹气耗率

定义：输出1kwh的净功所消耗的蒸汽量

SSC（specificsteamconsumption）。显然，热效率越高，汽耗率越低，表明循环越完善

6.1蒸汽动力循环计算步骤：a.先将蒸汽动力循环过程在T-S图上表示出来b.确定各点的状态，并查出H,S值c.计算能量变化，热效率，汽耗率6.1蒸汽动力循环一般已知：p1，t1，p2各点H、S具体的确定方法如下：状态点1，根据p1、t1值查表得H1、S1值；状态点2，根据p2,,而S2=S1，根据p2时的饱和水和饱和水蒸汽的熵，计算出干度。可得H2、t2；状态点3，根据p3=p2，等压线与饱和液体线的交点，可确定H3、S3；状态点4，p4=p1，S4=S3；由p4、S4值可确定H4、S4值。

6.1蒸汽动力循环1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图3）朗肯循环4）提高朗肯循环热效率的措施5）应用举例6.1蒸汽动力循环

4）提高朗肯循环热效率的措施

要提高朗肯循环的热效率，首先必须找出影响热效率的主要因素，从热效率的定义来看

对卡诺循环对朗肯循环6.1蒸汽动力循环提高热效率

⑴H2降低，H2一般受压力P2及对应压力下的饱和温度的限制，一般以大气温度为极限，t2不可能小于大气温度，况且，当P2一定，H3也就一定了。6.1蒸汽动力循环

⑵H1升高，因为水不可压缩耗功很少，一般可忽略不计，但H1增加，必须使P1、t1增加，P1太大会使设计的强度出现问题，从而使制造成本增加，提高效率的收益，并不一定能弥补成本提高的花费。6.1蒸汽动力循环

卡诺循环要求等温吸热和等温放热以及等熵膨胀和等熵压缩。在朗肯循环中，等温放热、等熵膨胀和等熵压缩这三各过程基本上能够与卡诺循环相符合，差别最大的过程是吸热过程。现在主要问题是如何能使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率。显然改造不等温吸热是提高热效率的关键，由此提出了蒸汽的再热循环和回热循环。6.1蒸汽动力循环①回热循环：利用蒸汽的热来加热锅炉给水，这样就大大减少了温差传热不可逆因素，从而使热效率提高，使该循环向卡诺循环靠近了一步。6.1蒸汽动力循环高压水6经锅炉加热至过热蒸汽1；过热蒸汽经汽轮机作功，抽出一部分蒸汽2

进回热器（

），其它蒸汽（1－

）在透平中继续作功，至湿蒸汽2，经冷凝器冷凝至饱和水3，经水泵加压至未饱和水4，进入回热器，与2

蒸汽交换至两者温度都达到较高水温5，经水泵加热至6经锅炉，完成一个循环。6.1蒸汽动力循环

为抽气系数，可通过对回热器的能量分析求得，不考虑散热损失。

ΔH＝Q+Ws=0

(H5－H2

)＋(1－

)(H5-H4）＝06.1蒸汽动力循环对于整个循环进行能量衡算：

ΔH＝0＝Q1+Q2+WS+WP

Q1=H1-H6WS=(1-

)(H2-H2

)+(H2

-H1)Q2＝(1－)(H3-H2）6.1蒸汽动力循环在回热加热器中抽出的蒸汽与经过冷凝压缩后的未饱和水进行热量交换，从而提高了吸热温度，使热效率升高。回热循环的热效率为：小结：①减少了工质吸热过程的温差，由T1－T4减少到T1－T6②热效率提高，但设备成本也增加。6.1蒸汽动力循环②热电循环使高压蒸汽膨胀做功到某一压力，再提供乏气或乏气的热量，这种即提供动力又提供热量的循环称为热电循环。化工生产中，不仅需要动力，还需要不同品位的热量，所以既提供能量，又提供动力的热电循环更适用（Rankine循环只提供动力）6.1蒸汽动力循环③热电循环背压式汽轮机联合供电供热循环6.1蒸汽动力循环

背压式汽轮机联合供电供热循环

特点：

⑴冷凝器中冷却工质的介质为热用户的介质，不一定是冷却水，冷凝温度由供热温度决定，QL得以利用；

⑵排气压力受供热温度影响，较朗肯循环排气压力高6.1蒸汽动力循环⑶热电循环效率6.1蒸汽动力循环③热电循环抽气式汽轮机联合供电供热循环6.1蒸汽动力循环抽气式汽轮机联合供电供热循环

特点：⑴工质部分供热,部分作功；

⑵供热量与乏汽无关；

⑶热电循环效率为：WS=(1-

)(H3-H2)+(H2-H1)6.1蒸汽动力循环6蒸汽动力循环与制冷循环

6.1蒸汽动力循环

6.2膨胀过程

6.3制冷循环6.2膨胀过程

膨胀过程在实际当中经常遇到，如：高压流体流经喷嘴、汽轮机、膨胀器及节流阀等设备或装置所经历的过程，都是膨胀过程。下面讨论膨胀过程的热力学现象。着重讨论工业上经常遇到的节流膨胀和绝热膨胀过程及其所产生的温度效应6.2膨胀过程1）节流膨胀过程

将高压流体经一节流阀迅速膨胀到低压的过程称为节流膨胀。

①特点：等焓过程

由热力学第一定律Q=0（来不及传热），Ws=0（不做功）若忽略掉动能、位能的影响∴ΔH=06.2膨胀过程②微分节流效应（焦汤效应）（Joule-Thomson）

定义：流体节流时，由于压力的变化而引起温度的变化称为节流效应。节流时微小压力的变化所引起的温度变化，称为微分节流效应。数学式为6.2膨胀过程

节流过程实际上是由于压力变化而引起温度变化的过程，是一个等焓过程6.2膨胀过程因节流前后的焓值不变，dH=0，上式可写为：

6.2膨胀过程6.2膨胀过程即6.2膨胀过程

③节流膨胀制冷的可能性a）对理想气体

说明理想气体在节流过程中温度不发生变化∵PV=RTV=RT/P6.2膨胀过程b）对真实气体

有三种可能的情况

由定义式μJ>0表示节流后温度下降，压力减小，温度降低致冷6.2膨胀过程μJ=0,节流后温度不变；μJ<0,节流后温度升高；6.2膨胀过程小结⑴节流过程的主要特征是等焓；⑵理想气体节流时温度不变，不能用于制冷或制热；⑶真实气体节流效应取决于气体的状态，在不同的状态下节流，具有不同的微分节流效应值。6.2膨胀过程

③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，必须选择适当的节流前状态，使其节流效应系数大于0。欲达到这一目的，首先要找到转化点。所谓转化点就是节流效应系数为0时的温度、压力所对应的点6.2膨胀过程

P144图6-8

转化曲线：将图上各转化点连接起来所组成的曲线就叫转化曲线。

转化曲线左侧，等焓线上，压力减小，温度降低，为制冷区；

转化曲线右侧，等焓线上，压力减小，温度升高，为制热区；转化曲线上，节流效应系数为零。6.2膨胀过程

④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6.2膨胀过程积分节流效应ΔTH的求法

⑴公式法

若压力变化不大，节流效应系数为常数

ΔTH=μJ(P2－P1)6.2膨胀过程

⑵T-S图法ΔTH=T2－T1

因此有了T-S图，

积分节流效应就

不必用公式计算，可直接算出来，这是最方便最可行的方法。.6.2膨胀过程

⑶经验公式估算

对于空气，当压力变化不大时，不考虑温度的影响，可按下式进行估算6.2膨胀过程2）对外作功的绝热膨胀

工程上，除了节流膨胀外，还有另外一种膨胀作功过程——绝热膨胀

对外作功的绝热膨胀，如果可逆进行，则为等熵过程，因而又称为等熵膨胀6.2膨胀过程2）对外作功的绝热膨胀

①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

微分等熵膨胀效应系数

定义式6.2膨胀过程等熵膨胀制冷的可能性对函数dS=0,S=f(T,P)因为等熵过程，dS=0，上式可写为

6.2膨胀过程6.2膨胀过程

说明了任何气体在任何状态下经绝热膨胀，都可制冷，这与节流膨胀不同

∴μS恒大于06.2膨胀过程比较得

说明在相同条件下，等熵膨胀系数恒大于节流膨胀系数，因此等熵膨胀可获得比节流膨胀更好的制冷效果∴恒大于零.6.2膨胀过程积分等熵温度效应

等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化，称为积分等熵温度效应6.2膨胀过程计算积分等熵温度效应ΔTS的方法有⑴利用微分等熵温度效应计算(公式法)6.2膨胀过程⑵T-S图法

在有T-S图时，

最方便的方法是从图上读出

ΔTS6.2膨胀过程⑶用等熵、等焓节流效应计算若Cp为常数6.2膨胀过程

②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30℃时，等熵效率近似等于0.65，温度高于30℃时，等熵效率近似等于0.7和0.75之间；对透平机，等熵效率在0.8和0.85之间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6.2膨胀过程3)等熵膨胀与节流膨胀的比较

①等熵膨胀与气体属性及状态无关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。节流膨胀对理想气体不产生温度效应，真实气体视气体状态而定，若真实气体产生制冷效应，那么等熵膨胀的温度效应大于节流膨胀的温度效应，即6.2膨胀过程

②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

③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。这两种膨胀过程是化工过程制冷的依据，也是气体液化的依据6.2膨胀过程

实例P146例6-5例6-66蒸汽动力循环与制冷循环

6.1蒸汽动力循环

6.2

膨胀过程

6.3

制冷循环6.3制冷循环

化工生产中常常需要将物系的温度降低到大气环境的温度以下，如：合成氨生产分离合成气中氨需要-30℃，气体分离液化空气需要-100℃以下的低温，在有机化工生产中，轻烃组分的分离都需要低温。在日常生活中，我们也经常遇到冷冻现象，如：空调机调温，电冰箱保存食物等。6.3制冷循环

冷冻温度高于-100℃称普通冷冻低于-100℃称为深度冷冻

要将物质冷却到大气环境温度以下，必须从被冷却物系取走能量，通常是以热的形式取出并排入大气或冷却水。因此，冷冻过程实质上是由低温物系向高温物系传热的过程，要用逆卡诺循环来达到制冷的目的。6.3制冷循环

1）制冷循环--逆向卡诺循环

2）蒸汽压缩制冷循环

3）制冷剂的选择与载冷体的选用

4）多级压缩制冷和复迭式制冷

5）吸收式制冷

6)热泵6.3制冷循环

1）制冷循环--逆向卡诺循环

低温向高温放热这一过程是非自发过程，是耗功过程，必须给它能量才能实现

理想的冷冻机是由两个等温过程和两个绝热过程构成的循环

逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度6.3制冷循环

1）制冷循环--逆向卡诺循环逆向卡诺循环的过程1→2绝热可逆压缩2→3等温冷凝过程3→4绝热可逆膨胀4→1等温蒸发过程6.3制冷循环热力计算

①工质吸热量

Q0=T1(S1－S4)

②放给环境的热量Q2=T2(S3－S2)6.3制冷循环③耗功量由热力学第一定律得

ΔH=∑Q+Ws

ΔH＝0Ws＝－∑Q＝（T2－

T1)(S1－S4)6.3制冷循环④制冷系数（效率）

制冷的技术经济指标6.3制冷循环即：理想制冷系数T2—制冷剂（循环工作介质）在高温放热温度T1—制冷剂在低温吸热温度6.3制冷循环

逆向卡诺循环是制冷循环最理想的情况，因为它耗功最小，但实际过程的耗功量都大于逆向卡诺循环，工业上现在广泛应用的是蒸汽压缩制冷循环。6.3制冷循环1）制冷循环--逆向卡诺循环

2）蒸汽压缩制冷循环

3）制冷剂的选择与载冷体的选用

4）多级压缩制冷和复迭式制冷

5）吸收式制冷

6)热泵6.3制冷循环

2）蒸汽压缩制冷循环

工作原理及T-S图

蒸汽压缩制冷循环的主要设备有：压缩机、冷凝器、膨胀机、蒸发器四部分6.3制冷循环

对于实际压缩制冷循环，过程如下所述：

1-2——对应于压缩机，如冰机、氨压机、制冷机；此为可逆绝热压缩过程应用稳流体系的能量方程，可得到压缩机消耗的功为：

Ws=H2－H1KJ/kg6.3制冷循环2-4——冷凝器进行，在冷凝器里，冷却剂把工质的热量带走，使其由高压气体变为高压液体；此为等压冷却、冷凝过程

Q2=H4－H2KJ/kg6.3制冷循环4-5——在节流阀内进行；节流膨胀过程

H4=H5KJ/kg5-1——蒸发器内进行。等温等压蒸发过程6.3制冷循环压缩制冷过程的热力学计算

⑴单位冷冻量：1Kg制冷剂在循环过程中所提供的冷量对蒸发器：

q0

=H1－H4

kJ/kg6.3制冷循环⑵冷凝器的单位热负荷（制冷剂的放热量）

Q2

=H4－H2

KJ/Kg

⑶压缩机单位耗功量

Ws

=H2－H1

KJ/Kg6.3制冷循环⑷制冷系数

⑸冰机的制冷能力（一般冰机能提供多少冷冻能力，铭牌上都有注释）

Q0=mq0

KJ/hm为制冷剂循环量。6.3制冷循环有时候制冷能力不是以KJ/h给出的，而是用冷冻吨，所谓冷冻吨就是：1冷冻吨=每天将273.16K的1吨水凝结为同温度的冰所需要移走的热量。由于1Kg水凝结为冰要放出334.5KJ的热量，所以

1冷冻吨=1×10

3×334.5/24=1.394×104

KJ/h6.3制冷循环

⑹制冷剂循环量

m=Q0

/q0

Kg/h⑺冷凝器的热负荷

QH

=mqH

KJ/hQH是设计冷凝器的基本依据。6.3制冷循环

⑻压缩机的轴功率

NT=mWs/3600

KW

Kw6.3制冷循环计算举例

P148-151

例6-7、6-8、6-96.3制冷循环

1）制冷循环--逆向卡诺循环

2）蒸汽压缩制冷循环

3）制冷剂的选择与载冷体的选用

4）多级压缩制冷和复迭式制冷

5）吸收式制冷

6)热泵6.3制冷循环3）制冷剂的选择与载冷体的选用

能够作为制冷剂的物质很多，当确定了工艺条件后，就要选择合适的物质作为制冷剂，要求所选的制冷剂要安全、节省、又能满足工艺要求，选择原则详见课本149页。6.3制冷循环①

大气压力下沸点低，不仅可获得较低的制冷温度，而且在一定制冷温度下，蒸汽压力高于大气压，防止空气进入；②

常温下冷凝压力应尽量低，以降低冷凝器的耐压与密封要求；③

汽化潜热大,减少制冷剂的循环量，缩小压缩机尺寸；④

具有较高的临界温度与较低的凝固温度，使大部分放热过程在两相区进行；⑤

具有化学稳定性，不易燃，不分解，无腐蚀。6.3制冷循环常用制冷剂氨、R-11（CCl2F2),R-13（CClF3）、R-22（CHClF2）R-113（C2Cl3F3）、R-124（C2H3ClF2）甲烷R-50、乙烷R-170、乙烯R-1150蒙特利尔会议—氟氯烃中限制生产。

工业上一般选用冷冻盐水

MgCl2

,CaCl26.3制冷循环1、采用氨作致冷剂的蒸气压缩制冷循环，液体氨在－50℃下蒸发，由于冷损失使进入压缩机的氨气温度为－45℃（即过热5℃），冷凝器用冷却水冷却，水温为25℃，如果冷凝传热温差为5℃，假设压缩过程为等熵压缩，制冷剂的质量流量为85kg/h。（1）画出该制冷循环的T－S图（2）计算压缩机所消耗的功率（3）单位制冷量与制冷系数。

6.3制冷循环上边介绍的是一级压缩制冷循环，在工业生产中，有时需要更低的蒸发温度，这样冷凝温度和蒸发温度之差就会比较大，高低温差大就需要较高的压缩比，压缩比过大将会导致出口温度过高，蒸汽温度过高就会引起制冷剂的分解（如氨在120℃以上就会分解），在这种情况下，单级压缩不但不经济，甚至是不可能的，因此就必须采取措施进行改进。最好的办法就是采用多级压缩和级间冷却，这样不但可以降低功率消耗，而且还可以提供不同的制冷温度6.3制冷循环

1）制冷循环--逆向卡诺循环

2）蒸汽压缩制冷循环

3）制冷剂的选择与载冷体的选用

4）多级压缩制冷和复迭式制冷

5）吸收式制冷

6)热泵6.3制冷循环

4）多级压缩制冷和复迭式制冷

在氨制冷机中，一般蒸发温度低于-30℃时，采用两级压缩；低于-45℃采用三级压缩。6.3制冷循环

4）多级压缩制冷和复迭式制冷

两级压缩制冷循环

工作原理及T-S图见课本P151

两级压缩、两级蒸发的优点：

⑴耗功小，节能；

⑵制冷量大；

⑶可同时得到不同温度的低温。6.3制冷循环多级压缩制冷的工作原理与两级相同，大家可以下去后自己思考一下三级压缩三级蒸发的原理图。多级压缩制冷除了可用同一种制冷剂外，还可以用不同的制冷剂构成各自的循环系统，复迭式制冷就属于不同的制冷剂各自完成不同的循环系统6.3制冷循环复迭式制冷

目的：为了获得更低的制冷温度

特点：⑴使用两种或两种以上的制冷剂

⑵