第10章動力循環(huán)及制冷循環(huán)

1、第10章動力循環(huán)及制冷循環(huán)10. 1本章基本要求1 熟練掌握水蒸氣朗肯循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)、再熱循環(huán)以及熱電循環(huán)的組成、 熱效率計算及提高熱效率的方法和途徑。2 .熟練空氣和蒸汽壓縮制冷循環(huán)的組成、制冷系數(shù)的計算及提高制冷系數(shù) 的方法和途徑。3 .了解吸收制冷、蒸汽噴射制冷及熱泵的原理。10. 2例題例1:某朗肯循環(huán)的蒸汽參數(shù)取為t1 =5500 C , P1 =30bar, P2=0.05bar。試計算1）水泵所消耗的功量，2）汽輪機作功量,3） 汽輪機出口蒸汽干度,4） 循環(huán)凈功，5）循環(huán)熱效率。解：根據(jù)蒸汽表或圖查得1、2、3、4各狀態(tài)點的焓、熵值：h1=3568.6KJ/kg =7.3752

2、kJ/kgKh2 =2236kJ/kgs2 =7.3752kJ/kgKh3 =137.8kJ /kgs3=0.4762kJ/kgK h4=140.9kJ/kg則1）水泵所消耗的功量為wp 二 h4 -h3=14o.9-137.78=3.1kJ/kg2）汽輪機作功量W 二 g - h2=3568.6-2236=1332.6kJ/kg3）汽輪機出口蒸汽干度IHP2 =0.05bar 時的 s2 =0.4762kJ/kgKs2 =8.3952kJ/kgK.s2 - s2x 70.87s2 _ s2或查h-s圖可得 x=0.87.4）循環(huán)凈功Wo =Wt -Wp=i332.6-3.1=1329.5kJ

3、/kg5) 循環(huán)熱效率qi =hi -入=3568.6-140.9=3427.7KJ/kgWo4 =0.39=39%(i ) p3a=6.867bar , taa=490E水泵的功 Wp 八4 一 0.8=0.001(686.7-9.81)- 0.8=0.846kJ/kgw net=923.57-0.846=922.72kJ/kg(ii)p 3b=58.86 bar , 13b=490E水泵的功叫八S2b -卩1) 8=0.001(5886-9.81)- 0.8=7.34 kJ/kgw net=1057.5-7.34=1050.16 kJ/kg例2:在一理想再熱循環(huán)中，蒸汽在 68.67bar

4、、400E下進入高壓汽輪機， 在膨脹至9.81bar后，將此蒸汽定壓下再熱至400C，然后此蒸汽在低壓汽輪機 中膨脹至0.0981bar，對每公斤蒸汽求下列各值：（1）高壓和低壓汽輪機輸出 的等熵功；（2）給水泵的等熵壓縮功；（3）循環(huán)熱效率；（4）蒸汽消耗率。解：參考圖10.2理想再熱循環(huán)的T-s圖。TlT2b58.86bar3b/3a 362a6.867bar/ 11 a i事2/414s b4s a16rss圖10.2 理想再熱循環(huán)的 T-s圖圖10.1 朗肯循環(huán)的T-s圖在狀態(tài)點3的壓力pa=68.67bar，溫度13=400C。從水蒸汽表查得 ha=3157.26kJ/kg K, S

5、3=6.455kJ/kg - K，va=0.04084m5/kg。 從點 3 等熵膨脹至 43，P4=9.81bar，從 h-s 圖查得 h4s=2713.05kJ/kg 。在點5的壓力ps=9.81bar ,溫度t s=400C,從水蒸汽表查得h5=3263.61kJ/kg, V5=0.3126m3/kg。從點5等熵膨脹至6s，6s點的壓力p6s=0.0981bar，從h-s圖查 得 h6s=2369.76kJ/kg。在狀態(tài)點 1,壓力 pi=0.0981bar，液體的焓 hi=190.29kJ/kg， 液體的比容vi=0.001m3/kg。(1) 高壓汽輪機輸出的等熵功；wt(h)=h3-

6、h 4s=3157.26-2713.05=444.21 kJ/kg低壓汽輪機的輸出功：wt(L)=hs-h 6s=3263.61-2369.76=893.88 kJ/kg(2) 假設(shè)液體的比容保持常數(shù)，給水泵的等熵壓縮功為：wp=v( p2s-p”=0.001(6867-9.81)=6.857kJ/kg(3) 循環(huán)的熱效率：(h3 - h4s) (h5 - h3s) - (h2s - h1 ) th(h3 - h3s) *山5 - h4s)444.21 893.88-6.857-2960.1+550.56=0.379 =37.9%(4) 蒸汽耗率3600 _ 3600Wnet 1331.22=

7、 2.70kg/kW - h4點的狀態(tài)參數(shù)p4=37.278bar，14=400C,從水蒸汽表查得h4=3215.46kJ/kg 顯然，由于汽輪機背壓 P2的提高使背壓式蒸汽發(fā)電廠的循環(huán)熱效率低于凝汽式 蒸汽發(fā)電廠的循環(huán)熱效率。但從能量利用的角度來看，背壓循環(huán)的“能量利用系 數(shù)” K又比凝汽循環(huán)高。已被利用的能量工質(zhì)從熱源得到的能量凝汽循環(huán)= 0.409背壓循環(huán)(理想情況下)q1實際上由于各種熱損失和電、熱負(fù)荷之間的不協(xié)調(diào),K=0.7左右。例3:某蒸汽動力循環(huán)。汽輪機進口蒸汽參數(shù)為p1=13.5bar，11=370C ,汽輪機出口蒸汽參數(shù)為p2=0.08bar的干飽和蒸汽，設(shè)環(huán)境溫度to=2O

8、C,試求：（1） 汽輪機的實際功量、理想功量、相對內(nèi)效率；（2）汽輪機的最大有用功量、熵 效率；（3）汽輪機的相對內(nèi)效率和熵效率的比較。解：先將所研究的循環(huán)表示在 h-s圖（圖10.3 ）上，然后根據(jù)已知參數(shù)在h1P11hrh12h1-hr 一 S1-SrSs,二 S =s2 =8.2295kJ/(kg水蒸氣圖表上查出有關(guān)參數(shù)：hi=3194.7kJ/kgSi=7.2244kJ/（kg K）h2 = h = h2 = 2577.1 kJ/kgx2 -=S2 -生 _ 7.2244-0.5926S2 -生-8.2295-0.5926=0.8684Iv =173.9 kJ/kg s 二。5926

9、kJ/(kg K)h2 = h2 x2 (h2 - h2)= 173.9 +0.8684(25771-173.9) =2259.9kJ/kg 圖 10.3(1) 汽輪機的實際功量W2=hh2=3194.7-2577.1=617.6 kJ/kg汽輪機的理想功量w12 = h1 - h2 = 3194.7 - 2259.9 二 934.8 kJ/kg汽輪機的相對內(nèi)效率riW12617.6934.8二 0.661（2）汽輪機的最大有用功和熵效率 汽輪機的最大有用功Wn max _ ex1 豈3 _ (h1 _T0 S1 _ (_ T0 S2 )= (3194.7 -293 7.2244)-(2577

10、.1 -293 2.2295)= 912.1kJ / kg汽輪機的熵效率3Wl2Wn max617.6912.1= 0.677（3）汽輪機的相對內(nèi)效率和熵效率的比較計算結(jié)果表明，汽輪機的對內(nèi)效率ri小于熵效率exo。因為這兩個效率沒有 直接聯(lián)系，它們表明汽輪機完善性的依據(jù)是不同的。汽輪機的相對內(nèi)效率ri是衡量汽輪機在給定環(huán)境中，工質(zhì)從狀態(tài)可逆絕熱地過渡到狀態(tài)2所完成的最大有用功量（即兩狀態(tài)熵的差值）利用的程度，即實 際作功量與最大有用功量的比值。由圖10.3可見，汽輪機內(nèi)工質(zhì)實現(xiàn)的不可逆過程1-2，可由定熵過程1-2 和可逆的定壓定溫加熱過程2 -2兩個過程來實現(xiàn)。定熵過程1-2 的作功量為W

11、12 = h hb 二 934.8 kJ/kg在可逆的定壓定溫加熱過程 2 -2中，使X2 =0.8684的濕蒸汽經(jīng)加熱變?yōu)?相同壓力下的干飽和蒸汽，其所需熱量為q2=h2-h?。因為加熱過程是可逆的，故 可以想象用一可逆熱泵從環(huán)境（Tq=293K向干飽和蒸汽（T2=314.7K）放熱。熱 泵消耗的功量為q2w 2=q2-TT2=仆2 -h? ） -To（ - S?） = 22.7kJ/kg故1-2過程的最大有用功為Wn 護ax = W12 ： W22 - 934. - 22. = 912.1 kJ/kg與前面計算結(jié)果相同。顯見，ri與ex的差別為_ W12riW12n w12W12exWn

12、maxW12W2 2例4 一理想蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，制冷量為20冷噸，以氟利昂22為制冷劑， 冷凝溫度為30C，蒸發(fā)溫度為-30 C。求：（1） 1公斤工質(zhì)的制冷量q;（2）循環(huán) 制冷量；（3）消耗的功率；（4）循環(huán)制冷系數(shù)；（5）冷凝器的熱負(fù)荷。解參考圖10.4所示：（1）1公斤工質(zhì)的制冷量qo從 1gp-h 圖查得：hi=147kcal/kg,h 5=109kcal/kg,qo=hi-h 5=147-109=38 kcal/kg該裝置產(chǎn)生的制冷量為20冷噸(我國1冷噸等于3300kcal/h )(2) 循環(huán)制冷的劑量m4J*冷凝器lgp電動機蒸發(fā)器(a)(b)圖 10.4Q。二 mq。二 m

13、(0 七)20 3300 二 mq 二 m 3820 3300 m1736.838kg/h(3) 壓縮機所消耗的功及功率w = h2 - h = 158.5 -147 = 11.5 kcal/kgW =mw =1736.8 11.5 = 19973.2 kcal/hNth19973.2860= 23.22kW(4) 循環(huán)制冷系數(shù)Qoq38Ww11.5(5) 冷凝器熱負(fù)荷Q因 h4=hs,Qk=mq=m(hj-h 4)=1736.8 x (158.5-109)=85971.6 kcal/h10. 3思考及練習(xí)題1 各種氣體動力循環(huán)和蒸汽動力循環(huán)，經(jīng)過理想化以后可按可逆循環(huán)進行計算，但所得理論熱效

14、率即使在溫度范圍相同的條件下也并不相等。這和卡諾定理有矛盾嗎。2. 能否在蒸汽動力循環(huán)中將全部蒸汽抽出來用于回?zé)?（這樣就可以取消凝汽 器，從而提高熱效率，能否不讓乏汽凝結(jié)放出熱量，而用壓縮機將乏汽直接壓入 鍋爐，從而減少熱能損失，提高熱效率。3采用加熱和再熱的目的是什么？為什么在相同的溫度范圍內(nèi)，回?zé)嵫h(huán) 的熱效率高于朗肯循環(huán)的熱效率？（用 T-S圖說明）。4分析動力循環(huán)經(jīng)濟性的方法有哪幾種？各有何特點？5蒸汽動力循環(huán)熱效率低的主要原因是什么？如何提高熱能的利用率？采 用熱電循環(huán)熱效率是提高了還是降低了？6由于冷凝器作用，蒸汽排汽溫度已接近自然環(huán)境溫度，即已充分利用了 可能達到的冷源溫度，為

15、什么說大量熱量損失到外界去了？7 能否在蒸汽動力裝置中將全部蒸汽抽出來用于回?zé)帷＃ㄟ@樣就可取消冷 凝器）從而提高熱效率？能否不讓乏汽凝結(jié)放熱， 而用壓縮機直接將乏汽壓入鍋 爐，從而節(jié)約熱能，提高熱效率？8能量利用系數(shù)說明了全部能量利用的程度，為什么又說不能完善地說明 循環(huán)的經(jīng)濟性呢？9. 在蒸汽的朗肯循環(huán)中，如何理解熱力學(xué)第一、二定律的指導(dǎo)作用？10. 既然卡諾循環(huán)在一定溫限中熱效率最高，為什么理論蒸汽動力循環(huán)不采 用卡諾循環(huán)，而采用朗肯循環(huán)？11. 將朗肯循環(huán)表示在p-v、T-S h-s上，并說明采用過熱蒸汽的原因。12. 提高朗肯循環(huán)熱效率有哪些主要途徑？利用 T-S圖和h-s圖說明。13

16、. 空氣壓縮制冷循環(huán)中，循環(huán)增壓比 P2/P1越小，制冷系數(shù)是越大還是越 小？增壓比減小，循環(huán)的制冷量如何變化？（在 T-S圖上分析）。22314. 如圖（10.5 ），設(shè)想蒸汽壓縮制冷 循環(huán)按12341運行，循環(huán)凈功未變，仍等于 h4-h2,而從冷源吸取的熱量從h3-h2,增加到 hh2,，這顯然是有利的。這種考慮對嗎？15. 試述實際采用的各種制冷裝置循環(huán) 與逆卡諾循環(huán)的主要差異是什么？圖 10.516. 為什么有的制冷循環(huán)中采用膨脹機， 有的則代而采用節(jié)流閥？空氣壓縮 制冷能否采用節(jié)流閥？17. 熱泵供熱循環(huán)與制冷循環(huán)有何異同？18. 在蒸汽制冷中對制冷劑有何基本要求？ 一般常用的制冷劑

17、有哪幾種？19在一回?zé)嵫h(huán)中，進入汽輪機的蒸汽為37.278bar、400C，離開汽輪機為0.0981bar、在膨脹至3.924bar后，從汽輪機抽出一些蒸汽對來自凝汽器 的給水加熱，流體離開加熱器時為 3.924bar的飽和水。假設(shè)膨脹和壓縮都是等 熵，求循環(huán)的熱效率。20. 某核動力循環(huán)。鍋爐從11=320C的核反應(yīng)堆吸入熱量Q產(chǎn)生壓力為72bar 的干飽和蒸汽（點1），水蒸氣經(jīng)汽輪機作功后在0.08bar壓力下排出（點2）， 乏汽在冷凝器中向10=20E的環(huán)境定壓放熱后變?yōu)?0C的過冷水（點3）,最后 過冷水經(jīng)泵送回鍋爐（點4）完成循環(huán)。已知該廠的額定功率為 750000kW汽輪機的相對

18、內(nèi)效率ri =0.7，泵效率p =0.8。試求:T3421kg52 1mkg1 /(1-m)kg6s圖 10.6T3I2I2T114IL尸圖 10.7s蒸汽的質(zhì)量流量，并對該循環(huán)進行熱力學(xué)分析。21. 一空氣致冷裝置，如圖10.7所示。空氣進入壓縮機的溫度t1=-18 C、 壓力p1=1bar，絕熱壓縮到p2=5.5bar，經(jīng)由冷卻器放熱后，溫度t3=15C，求循 環(huán)致冷系數(shù)。22. 某空氣致冷裝置。冷藏室的溫度保持 -8 C,大氣環(huán)境溫度為 25 C。已 知致冷量Q=100000kJ/h。求：（1）該致冷裝置循環(huán)致冷系數(shù)可能達到的最大值；（2）該裝置必須消耗的最小功率；（3）每小時傳給大氣環(huán)

19、境的熱量。（1）&ma= c=8.030; （2）N min=3.46kW（3） Q=112456 kJ/h ）23. 某空氣致冷裝置。空氣進入膨脹機的溫度 ta=20C、壓力p3=6bar絕熱 膨脹到pt=1bar，經(jīng)由冷藏室吸熱后，溫度t1=-10C。試求：（1）膨脹機出口溫 度；（2）壓縮機出口溫度；（3） 1kg空氣的吸熱量；（4） 1kg空氣傳給大氣環(huán) 境的熱量；（5）循環(huán)消耗凈功量；（6）循環(huán)致冷系數(shù)；（7）同溫度范圍內(nèi)逆 向卡諾循環(huán)的致冷系數(shù)。（1）14=-97.4 C； （2） 12=165.8 C； （3）q 2=87.7kJ/kg ; （7） c=8.767 ）。24. 某

20、空氣致冷裝置?？諝膺M入壓縮機的壓力pi=1bar,絕熱壓縮到p2=5bar, 經(jīng)由冷卻器放熱后，溫度13=30C。已知冷藏室的溫度為-5 C,求：（1）膨脹機 出口溫度；（2） 1kg空氣的吸熱量；（3） 1kg空氣的放熱量；（4）循環(huán)凈耗功 量；（5）循環(huán)致冷系數(shù)；（6）同溫度范圍內(nèi)逆向卡諾循環(huán)的致冷系數(shù)；（7） 若冷藏室溫度為0C時，循環(huán)凈耗功量。（1） t3=-81.7 C； （2）q 2=77.0kJ/kg ； q 1=122.0kJ/kg ； （4） w =45.0kJ/kg ； （5） =1.711 ； （6） c=7.657 ； （7） W=48.0kJ/kg ）。25. 一空氣

21、制冷裝置的制冷量 Q=836400kJ/h?？諝鈮嚎s機吸入空氣的壓力 P1=0.981bar ,溫度 11=-10 C,經(jīng)壓縮后空氣的壓力 p2=0.981bar ,溫度 11=-10 C , 經(jīng)壓縮后空氣的壓力p2=3.924bar，空氣進入膨脹機的溫度為 20C。求：（1） 電動機、壓氣機、膨脹機的功率；（2）裝置的制冷系數(shù)；（3）空氣的質(zhì)量流量；（4）傳給冷卻水的熱量。26. 空氣制冷裝置的制冷量Q=83736kJ/h ,已知制冷裝置中空氣的最高壓力P2=4.905bar，最低壓力p1=1.076bar。開始壓縮時空氣溫度t1=0C ,由冷卻器出 來時的溫度13=20C。如空氣被壓縮和膨

22、脹時的多變指數(shù)n=1.28，求：（1）裝置的制冷系數(shù)；（2）原動機的理論功率。27. 一空氣制冷系統(tǒng)產(chǎn)生10冷噸的冷量，它由離心式壓縮機、冷卻器和空氣渦輪機所組成，此渦輪與壓縮機直接連接，其壓縮和膨脹過程都遵循不可逆的 絕熱過程pvn=C,壓縮過程n=1.6，膨脹時n=1.3 ,壓縮機進口壓力p1=0.8276bar , 溫度t1=21C ,渦輪進口壓力pa=1.45bar、溫度13=38C，為一穩(wěn)定流動過程，忽 略動能的變化。試畫出流體流動的過程圖和T-S圖，并求：（1）壓縮終了的溫度t2；（2）膨脹終了的溫度t4；（3）空氣的流量；（4）凈功率；（5）制冷系 數(shù)。10. 4自測題一、是非題

23、1 .空氣壓縮式致冷循環(huán)中，循環(huán)壓力比 p2/p1越大，則致冷系數(shù)就越大。（ ）2. 過冷溫度越大，蒸氣壓縮致冷系數(shù)就越小。（）3. 和朗肯循環(huán)相比，抽汽回?zé)嵫h(huán)提高了循環(huán)的熱效率，因而每kg蒸汽作出的功量也增大。()4采用熱電循環(huán)的目的，主要在于提高熱力循環(huán)的熱效率。()5在環(huán)境溫度與冷庫溫度不變的情況下，在空氣壓縮制冷循環(huán)中，循環(huán)壓力比P2/ Pi越小，則每kg工質(zhì)的制冷量越大。()6蒸汽噴射致冷循環(huán)在實用上得不到低于 0C的冷量。()7吸收式致冷循環(huán)中，必須采用高溫高壓的蒸汽作為熱源。()8.熱循環(huán)的主要目的是提高蒸汽輪機尾部排氣干度。()9蒸汽壓縮致冷循環(huán)中，致冷劑液體的比熱越小，那么

24、節(jié)流過程引起的損 失就越小。()10.蒸汽動力裝置中凝汽排出的熱量較多，因此其可用能損失也大。()二、選擇題1如圖，熱泵循環(huán)，供熱量為 ?(A) h1 _h5 ( B) h2 -h4(C) h2 - h3( D) h2 - hi7 2熱泵的供熱系數(shù)等于 5,則該熱泵作為致冷 機用時，其致冷系數(shù)等于 (A) 6 (B) 5 (C) 4(D) 33采用熱電循環(huán)的目的是(A) 提高熱力循環(huán)的熱效率(B)降低單位功率的燃料耗量(C)提高熱能利用率(D) 提高排氣干度4抽汽回?zé)嵫h(huán)改善了朗肯循環(huán)，其根本原因在于 (A)單位質(zhì)量水蒸汽作功能力增加了 (B)乏汽的熱能得到充分利用(C)提高了平均吸熱溫度 D

25、 )提高平均吸熱溫度的同時降低了放熱溫度。5采用蒸汽再熱循環(huán)的目的在于 (A) 降低乏汽干度，提高循環(huán)熱效率(B) 提高平均吸熱溫度，提高循環(huán)熱效率(C) 提高蒸汽溫度，提高循環(huán)熱效率(D) 提高蒸汽溫度，提高功率6.抽汽式熱電循環(huán)的結(jié)果是 (A) 提高循環(huán)熱效率，提高熱能利用率(B) 提高循環(huán)熱效率，降低熱能利用率(C) 降低循環(huán)熱效率，提高熱能利用率(D) 降低循環(huán)熱效率，降低熱能利用率7朗肯循環(huán)熱效率不高的主要原因 (A)新蒸汽的溫度不高(B)排氣溫度高于環(huán)境溫度(C)凝汽器中被冷卻水帶走的熱量較大(D)設(shè)備散熱損失較大8 影響蒸汽壓縮制冷循環(huán)制冷系數(shù)的主要因素是 (A)制冷劑的性質(zhì)(B)冷凝溫度與蒸發(fā)溫度(C)制冷劑的流量(D)制冷過程中的不可逆損失三、填空題1 .理論空氣壓縮制冷循環(huán)有 、 、 ，四個過程組成。2 .理論蒸汽壓縮制冷循環(huán)有 、 、 ，四個過程組成。3 .提高蒸汽壓縮致冷循環(huán)工作系數(shù)，可以采用 和 等措施。4