蒸汽动力循环与制冷循环.ppt

第七章 动力循环与制冷循环,第七章 蒸汽动力循环和制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,本章目录,第七章 动力循环与制冷循环,7.1 蒸汽动力循环,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,7.1.1 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图表为：,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,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。,卡诺循环产功最大，但实际上很难实现，问题在于：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；绝热可逆过程实际难以实现。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,Rankine循环是蒸汽动力循环，主要设备有：透平机、冷凝器、水泵、锅炉四部分，工作介质一般为水。,7.1.2 Rankine(朗肯)循环,1.Rankine循环的构成,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,p1、T1的高温高压蒸汽进入透平机等熵膨胀到状态2，对外作功，2点状态为乏汽(低压下的湿蒸汽)，从透平机流出进入冷凝器，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。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,1-2：对应于汽轮机(蒸汽膨胀)；2-3：冷凝器中进行，蒸汽等温等压冷凝为液体；3-4：水泵进行（压缩）；4-1：锅炉进行，水在锅炉中恒压加热。,基本过程,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,2.与卡诺循环的比较 工质进汽轮机时状态不同，卡诺循环为湿汽，朗肯循环为干气；,膨胀过程不同，卡诺循环为等熵过程，朗肯循环为不可逆绝热过程；,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,（3）工质出冷凝器状态不同，卡诺循环为汽液共存，朗肯循环为饱和水;,(4)压缩过程不同，卡诺循环为等熵过程，朗肯循环为不可逆绝热过程，若忽略掉工质水的摩擦与散热可简化为可逆过程；,(5)工质吸热过程不同，卡诺循环为等温过程，朗肯循环为不可逆过程，沿着等压线变化。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,3.理想Rankine循环的热效率,忽略工质的流动阻力与温差传热，将朗肯循环理想化。,能量分析(应用稳流过程的能量平衡方程),(1)12:汽轮机中工质等熵膨胀，对外做功,(2)23:湿蒸汽在冷凝器中等温等压冷凝，放热,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,(3)34:饱和水在水泵中绝热压缩，消耗压缩功,(4)41:水在锅炉中等压升温和等压汽化，工质吸热,经济性指标分析(热效率、汽耗率),热效率：,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量,热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功量时所消耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。,汽耗率：作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用 SSC(Specific Steam Consumption)表示。,热效率越高、汽耗率越低，表明循环约完善。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,计算方法,状态点1：根据p1、t1 值可查得 H1、S1值;状态点2:S2=S1,根据p2、S2 值可查得 H2、t2值;状态点3：p3=p2,查p3下的饱和液体可得H3、V3、S3值;状态点4：p4=p1,S4=S3,根据p4、S4可查得 H4值;或 H4=H3+Wp=H3+V(p4-p3),因为水蒸气不是理想气体，气体的性质不能用理想气体方程计算，需要通过热力学图表或实际流体的状态方程求得。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,4.实际Rankine循环的热效率,蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵的，而是向着墒增加的方向偏移，用1-2线表示。水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，可不考虑不可逆的影响。蒸汽通过汽轮机膨胀，实际做出的功应为H1 H2，它小于等熵膨胀的功H1 H2。两者之比称为透平机的等熵效率。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,实际Rankine热效率：,等熵效率：,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,【例7-1】某一理想的Rankine循外，锅炉的压力为4MPa，产生440过热蒸汽,汽轮机出口压力为0.004MPa,蒸汽流量60t/h,求（1）过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量；（2）乏气的湿度以及乏气在冷凝器放出热量；（3）汽轮机作出的理论功率和水泵消耗的理论功率；（4）循环的热效率。,5,【解】该循环在T-S图上的表示如右图。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,（1）确定各点的参数1点(过热蒸汽)：根据p1=4MPa、t1=440,查过热水蒸气表 得 H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kgK);2点(湿蒸汽):p2=4kPa,S2=S1=6.9041kJ/(kgK),查饱和水蒸气表得 Hg=2554.4kJ/kg Hl=121.46kJ/(kgK)Sg=8.4746kJ/kg Sl=0.4226kJ/(kgK)Vl=1.004cm3/g 2点处的干度为x 8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041 x=0.8050 H2=2554.4 0.805+(1-0.805)121.46=2080.0,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,3点（饱和液体）:p3=4kPa H3=Hl=121.46 kJ/kg S3=Sl=0.4226kJ/(kgK)4点（未饱和水）:方法1 H4=H3+Wp=H3+V(p4-p3)=121.46+0.001004(4000-4)=125.5kJ/kg 方法2 已知 p4=4MPa,S4=S3=0.4226kJ/(kgK),查未饱和水性质表,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,H4=127.1kJ/kg,7.1 蒸汽动力循环,如25、4MPa的 H：,第七章 动力循环与制冷循环,（2）计算 过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量 Q1=m(H1-H4)=60 103(3307.1-125.5)=190.9 106kJ/h 乏气在冷凝器放出的热量 Q2=m(H2-H3)=60 103(2080.0-121.5)=117.5 106kJ/h 乏气的湿度为 1-x=1-0.805=0.195 汽轮机作出的理论功率,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,水泵消耗的理论功率,热效率,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,1点(过热蒸汽):根据p1=7MPa、t1=360,查过热 水蒸气表得 H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kgK);2点(湿蒸汽):p2=0.008MPa,查饱和水蒸气表得 Hg=2577.0kJ/kg Hl=173.88kJ/(kgK)Sg=8.2287kJ/kg Sl=0.5926kJ/(kgK)汽轮机作等熵膨胀 S2=S1=6.2801kJ/(kgK),S2=Sgx2+(1-x2)Sl 6.2801=8.2287x2+(1-x2)0.5926 x2=0.7448,【解】根据给定条件，查水蒸汽压表确定有关参数：,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,H2=Hgx2+(1-x2)Hl=2577.0 0.7488+(1-0.7488)173.88=1963.7 汽轮机作等熵膨胀过程1-2所作的理论功 WR WR=H2-H1=1963.7-3045.5=-1081.8kJ/kg 汽轮机作实际膨胀过程1-2所作的功 Ws Ws=sWR=-1081.8 0.75=-811.4kJ/kg Ws=H2-H1 H2=H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg 汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为x2 H2=Hgx2+(1-x2)Hl 2234.1=2577.0 x2+(1-x2)173.9 x2=0.8573,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,乏气的湿度为 1-0.8573=0.1427 3点：0.008MPa饱和液体 H3=173.88kJ/(kgK)S3=0.5926kJ/(kgK)4点：p4=7MPa,S4=S3=0.5926kJ/(kgK)查未饱和水性质表,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,H4=181.33kJ/kg,水泵所消耗的功 WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg热效率,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,讨论：通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率,（1）提高蒸汽的过热温度 在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时,可提高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并且可以降低汽耗率。同时乏气的干度增加，使透平机的相对内部效率也可提高。但是蒸汽的最高温度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸汽的最高温度以不超873K为宜。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,（2）提高蒸汽的压力 当蒸汽压力提高时，热效率提高、而汽耗率下降。但是随着压力的提高，乏汽的干度下降，即湿含量增加，因而会引起透乎机相对内部效率的降低还会使透平中最后几级的叶片受到磨蚀，缩短 寿命。乏汽的干度一般不应低于0.88。另外，蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力，而且设备制造费用也会大幅上升。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,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,提高热效率 H2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，t3不可能小于大气温度，况且，当p2一定，H3也就一定了。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,(2)H1升高，因为水不可压缩耗功很少，可忽略不计，所以,但H1增加，必须使p1、t1增加，p1太大会使设的强度出现问题，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。,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，差别最大的过程是吸热过程。因此如何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。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,再热循环使高压的过热蒸汽先在高压汽轮机中膨胀到某一中间压力，然后全部引入到锅炉中特设的再热器进行加热，蒸汽温度升高后再进入低压汽轮机膨胀到一定的排气压力。这样就可以避免乏汽湿含量过高的缺点。,再热循环的热效率：,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,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。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,在回热加热器中抽出的蒸汽与经过冷凝压缩后的乏汽进行热量交换，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：减少了工质吸热过程的温差，由TH-T4 减少到TH-T6 热效率提高，但设备成本也增加。,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,热电循环 背压式汽轮机联合供电供热循环,特 点：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；排气压力受供热温度影响，较朗肯循环排气压力高.,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,热电循环效率,抽气式汽轮机联合供电供热循环,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,特点：工质部分供热部分作功；供热量与乏汽无关；热电循环效率为：,热效率：,能量利用参数：,7.1 蒸汽动力循环,第七章 动力循环与制冷循环,7.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,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.,7.2.1 节流膨胀,该过程为等焓过程，即H=0，流体进行节流膨胀是由于压力的变化而引起的温度变化，称为节流效应或Joule-thomson效应，并用焦汤系数来表示：,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,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。,节流膨胀制冷的可能性,a).理想气体,说明理想气体在节流过程中温度不发生变化。,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,b）对真实气体 有三种可能的情况,J0 节流后温度降低 J=0 节流后温度不变 J 0 节流后温度升高实际气体 J 值可为正值、负值或零。,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，要找到转化点，即节流效应系数为0时的温度、压力所对应的点。,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,P.185 图7-13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。,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,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.,公式法,T-S图法,经验公式估算,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,等熵膨胀效应系数,7.2.2 作外功的绝热膨胀,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.微分等熵温度效应,等熵膨胀制冷的可能性,恒大于零,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,ms 必为正值。气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体温度总是下降。,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,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,利用微分等熵温度效应计算(公式法),理想气体,T-S图法,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,用等熵、等焓节流效应计算,若Cp为常数,若Q=0，H=WS,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,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.,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,3.等熵膨胀与节流膨胀的比较 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，则等熵膨胀的温度效应大于节流膨胀的温度效应，即,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.,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。,7.2 节流膨胀与绝热膨胀,第七章 动力循环与制冷循环,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,7.3.1 缩制冷循环逆向Carnot循环,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,循环的放热量 q2=TH(S3-S2)=-TH(S1-S4)HqWS,制冷系数,循环的吸热量,完成一个循环H0，净功为：,q0=TL(S1-S4),7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,ec1.逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。在相同温度区间工作的制冷循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最大(理想循环制冷)。制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。,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。,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,（1）,该制冷过程是可逆的,解,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,（3）WS=100kJ QH=700kJ,该制冷过程是不可逆的,该制冷过程是不可能的,（2）QL=1000kJ QH=1500kJ,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,-单级蒸汽压缩制冷,7.3.2 蒸汽压缩制冷循环,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。,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,p-H图,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,1-2 可逆绝热压缩过程 Ws=H2 H1 kJ/kg 2-3-4 等压冷却、冷凝过程 q2=H4-H2kJ/kg 4-5 节流膨胀过程 H5=H4 5-1 等压等温蒸发过程 q0=H1H5 kJ/kg,焓值：查图、表或计算,1.蒸汽压缩制冷循环的构成,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,制冷剂的循环量m,2.蒸汽压缩制冷循环的基本计算,单位制冷量q0：1Kg制冷剂在循环过程中所提供的冷量.,压缩机消耗的功、功率,制冷剂的“制冷能力”为Q0,q0=H1H4 kJ/kg,Ws=H2 H1 kJ/kg,制冷系数,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,过冷措施 提高制冷系数,7.3 制冷循环,未过冷循环：123451；过冷循环：12344551；,单位制冷量的增加：H1H5 H1H5,第七章 动力循环与制冷循环,解：自看,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,1点：-25 饱和蒸汽 查表得 H1231.9kJ/kg S1 0.9367kJ/(kgK),解,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,2点：p2 1MPa，S2 S1 0.9367kJ/(kgK)查表得 H2 278.7 kJ/kg,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,4 点：1MPa饱和液体 查表得 H4 104.2 kJ/kg,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,H1231.9kJ/kg H2 278.7 kJ/kg H4 104.2 kJ/kg H5 H4,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,实际压缩制冷循环就其循环所需要的设备来说，完全与卡诺压缩制冷循环相同。差异在于循环的过程中步骤的不可逆：,(1)制冷剂进压缩机时的状态不同：卡诺压缩制冷循环为湿气，实际压缩制冷循环为干气；,(2)压缩过程不同：卡诺压缩循环为等熵过程，实际压缩制冷循环若忽略掉热损失，可视为不可逆绝热过程；因为压缩机在运动中总是有摩擦的，因而是沿着熵增大的方向进行，这就出现了等熵效率问题；,3.蒸汽压缩制冷循环与逆向卡诺循环的比较,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,(3)冷凝过程不同：卡诺制冷为等温过程，实际制冷为不可逆过程，沿着等压线变化；(4)制冷剂离开冷凝器时状态不同：卡诺制冷为饱和液体，实际制冷为过冷液体；(5)膨胀过程不同：卡诺制冷为等熵过程，实际制冷为等焓过程.,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,3.制冷剂(Refrigerants),制冷剂的选择原则：（1）潜热要大。（2）操作压力要合适。即冷凝压力（高压）不要过高，蒸发压力（低压）不要过低。（3）化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。（4）价格低。（5）冷冻剂对环境应该无公害。,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,1.Conventional refrigerants:NH3CH3ClCO2C3H8 2.Chloro Fluoro Carbons CFCsCFCl3(R-11)CF2Cl2(R-12),7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,大气：O2 2 OO+O2 O3 ozoneCFCs:CFCl3+UV light CCl2F+ClCl+O3 O2+ClOClO+O Cl+O2,7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,3.Hydro Chloro Fluoro Carbons HCFCs:CHCl2F(R-22)CHCl2CF3(R-123)4.(Hydro)Fluoro Carbons HFCs CF4(R-14)CHF3(R-23)CF3F3(R-116)CHF2CHF2(R-134a),7.3 制冷循环,第七章 动力循环与制冷循环,习 题,1.某一理想的Rankine循环，锅炉的压力为4.0MPa，冷凝器的压力为0.005MPa，冷凝温度为32.56.求以下两种条件下，Rankine循环的热效率和乏气冷凝所放出的热量，并加以比较：（1）如果进入汽轮机的蒸汽为饱和蒸汽；（2）如果进入汽轮机的蒸汽为440的过热蒸汽。,2.用氨作制冷剂的蒸汽压缩制冷循环，液体氨在-50下蒸发。由于冷损失使进入压缩机的的氨气温度为-45(即过热5)，冷凝器用25 的水冷却，如果冷凝传热温差为5，假设压缩过程为等熵压缩，制冷剂的流量为85kg/h。(1)画出该制冷循环的T-S图和p-H图；(2)计算压缩机所消耗的功率；(3)单位制冷量与制冷系数。,