第10章動(dòng)力循環(huán)及制冷循環(huán)

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案第 10 章動(dòng)力循環(huán)及制冷循環(huán)101 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(jì)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(jì)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。102 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(jì)算 1) 水泵所消耗的功量， 2) 汽輪機(jī)作功量 , 3) 汽輪機(jī)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(diǎn)的焓、熵值：h1 =3568.

2、6KJ/kgs1 =7.3752kJ/kgKh2 =2236kJ/kgs2 =7.3752kJ/kgKh3 =137.8kJ /kgs3 =0.4762kJ/kgKh4 =140.9kJ/kg則 1)水泵所消耗的功量為wph4h3 =140.9-137.78=3.1kJ/kg2) 汽輪機(jī)作功量wth1 h2 =3568.6-2236=1332.6kJ/kg3) 汽輪機(jī)出口蒸汽干度p2 =0.05bar 時(shí)的 s2'=0.4762kJ/kgK s2"=8.3952kJ/kgK.s2s2'xs2'則s2"0.87或查 h-s 圖可得x =0.87.4)

3、循環(huán)凈功w0wTw p =1332.6-3.1=1329.5kJ/kg精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案5) 循環(huán)熱效率q1h1 h4 =3568.6-140.9=3427.7KJ/kgw0故Tq1 =0.39=39%（i ）p3a=6.867bar， t 3a水泵的功 wpv( p2a p1 ) 0.8=490=0.001(686.7-9.81)÷0.8=0.846kJ/kgwnet =923.57-0.846=922.72kJ/kg(ii) p 3b=58.86 bar ，t 3b =490水泵的功 wpv( p2b p1 )0.8=0.001(5886-9.81)÷0.8=7.34

4、 kJ/kgwnet =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 、 400下進(jìn)入高壓汽輪機(jī)，在膨脹至 9.81bar 后，將此蒸汽定壓下再熱至 400，然后此蒸汽在低壓汽輪機(jī)中膨脹至 0.0981bar ，對(duì)每公斤蒸汽求下列各值：（ 1）高壓和低壓汽輪機(jī)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。TT3b3a3658.86bar2b2a6.867bar2'4'14s b 4s a16'ss圖 10.2理想再熱循環(huán)的T-s

5、 圖圖 10.1朗肯循環(huán)的 T-s 圖在狀態(tài)點(diǎn) 3 的壓力 p3 =68.67bar ，溫度 t 3=400。· ，v3從水蒸汽表查得h3=3157.26kJ/kg· ，s33。K=6.455kJ/kgK =0.04084m/kg從點(diǎn) 3 等熵膨脹至3p4，從h-s圖查得4s=2713.05kJ/kg。4 ，=9.81barhv5在點(diǎn) 5 的壓力 p5=9.81bar ，溫度 t s =400，從水蒸汽表查得 h5 =3263.61kJ/kg,3。從點(diǎn)5等熵膨脹至s， s 點(diǎn)的壓力6s，從 h-s圖查=0.3126m /kg66p =0.0981bar得 h6s=2369.

6、76kJ/kg 。在狀態(tài)點(diǎn) 1，壓力 p1=0.0981bar ，液體的焓 h1=190.29kJ/kg ，液體的比容 v1=0.001m3/kg 。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案（1）高壓汽輪機(jī)輸出的等熵功；wt(h) =h3-h 4s=3157.26-2713.05=444.21 kJ/kg低壓汽輪機(jī)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 1 )=0.001(6867-9.81)=6.857kJ/kg(3) 循環(huán)的熱效率：(h3 h4 s ) (h5h6 s ) (h

7、2 s h1 )th(h3 h3 s ) (h5 h4 s )444.21893.886.8572960.1550.560.37937.9%360036002.70wnet1331.22（4）蒸汽耗率kg/kW· h4 點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù) p4=37.278bar ，t 4=400，從水蒸汽表查得 h4 =3215.46kJ/kg 。顯然，由于汽輪機(jī)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K工質(zhì)從熱源得到的能量凝汽循環(huán)w0.409Kq1背壓循環(huán)（理想情況下）w

8、q21Kq1實(shí)際上由于各種熱損失和電、熱負(fù)荷之間的不協(xié)調(diào)，一般K=0.7 左右。例 3：某蒸汽動(dòng)力循環(huán)。汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽參數(shù)為p1=13.5bar ，t 1=370, 汽輪機(jī)出口蒸汽參數(shù)為p2=0.08bar 的干飽和蒸汽，設(shè)環(huán)境溫度t 0=20, 試求：（ 1）汽輪機(jī)的實(shí)際功量、理想功量、相對(duì)內(nèi)效率；（2）汽輪機(jī)的最大有用功量、熵效率；（ 3）汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率和熵效率的比較。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案解：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h水蒸氣圖表上查出有關(guān)參數(shù)：h1 =3194.7kJ/kgP1s1=7.2244kJ/(kg · K)1hrhr1

9、-1- 1hh2'2h - hr1s1-s rsh2173.9 kJ/kgs20.5926 kJ/(kg·K)h2h2h22577.1 kJ/kgs2s2s28.2295 kJ/(kg ·K)x2s2s27.22440.59260.8684s2s28.22950.5926h2h2x2 (h2h2 )173.90.8684(25771 173.9)2259.9 kJ / kg(1) 汽輪機(jī)的實(shí)際功量圖 10.3w12=h1- h2=3194.7-2577.1=617.6 kJ/kg汽輪機(jī)的理想功量w12h1 h23194.72259.9934.8 kJ/kg汽輪機(jī)的相

10、對(duì)內(nèi)效率riw12617.60.661w1 2934.8（2）汽輪機(jī)的最大有用功和熵效率汽輪機(jī)的最大有用功wn maxex1 ex 3(h1T0 s1 )( h2T0 s2 )(3194.72937.2244)(2577.12932.2295)912.1kJ / kg汽輪機(jī)的熵效率w12617.63 xwn max0.677912.1（3）汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率和熵效率的比較計(jì)算結(jié)果表明， 汽輪機(jī)的對(duì)內(nèi)效率 ri 小于熵效率 exo 。因?yàn)檫@兩個(gè)效率沒有直接聯(lián)系，它們表明汽輪機(jī)完善性的依據(jù)是不同的。精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率ri 是衡量汽輪機(jī)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)

11、 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(shí)際作功量與最大有用功量的比值。由圖 10.3 可見，汽輪機(jī)內(nèi)工質(zhì)實(shí)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(gè)過程來實(shí)現(xiàn)。定熵過程 1-2 的作功量為w12h1 h2 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)橄嗤瑝毫ο碌母娠柡驼羝?其所需熱量為 q2=h2 -h 2 。因?yàn)榧訜徇^程是可逆的， 故可以想象用一可逆熱泵從環(huán)境（ T0 =293K）向干飽和蒸汽（ T2=314.7K）放熱。熱泵消耗的功量為q2( h2 h2)T

12、0( s2 s2) 22.7w=q -TT20kJ/kg 。222故 1-2過程的最大有用功為wn maxw12w2 2934.8 22.7 912.1kJ/kg與前面計(jì)算結(jié)果相同。顯見，ri與ex 的差別為w12riw12exw12w12而wn 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 30，蒸發(fā)溫度為 -30 。求：（ 1）1 公斤工質(zhì)的制冷量 q0;(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 q0從 1gp-h 圖查得：

13、 h1=147kcal/kg,h 5=109kcal/kg,q0=h1-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 m4lgp冷凝器2432精彩文檔s=0電動(dòng)機(jī)1515 蒸發(fā)器實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案(a)(b)圖 10.4Q0mq0m(h1h5 )203300mq0m 382033001736.8m38kg/h(3) 壓縮機(jī)所消耗的功及功率wh2h1 158.514711.5 kcal/kgWmw1736.811.519973.2 kcal/h19973 .2N th23.22860kW(4) 循環(huán)制冷系

14、數(shù)Q0q038Ww3.311.5（5）冷凝器熱負(fù)荷 QK因 h4 =hs,Qk =mqk=m(h2-h 4)=1736.8 ×(158.5-109)=85971.6 kcal/h103 思考及練習(xí)題1各種氣體動(dòng)力循環(huán)和蒸汽動(dòng)力循環(huán)，經(jīng)過理想化以后可按可逆循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，但所得理論熱效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(dòng)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(jī)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)?/p>

15、循環(huán)精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案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(dòng)力循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的方法有哪幾種？各有何特點(diǎn)？5蒸汽動(dòng)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(dá)到的冷源溫度，為什么說大量熱量損失到外界去了？7能否在蒸汽動(dòng)力裝置中將全部蒸汽抽出來用于回?zé)?。（這樣就可取消冷凝器）從而提高熱效率？能否不讓乏汽凝結(jié)放熱，而用壓縮機(jī)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(jì)性呢？9在蒸汽的朗肯

16、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(dòng)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??？增壓比減小，循環(huán)的制冷量如何變化？（在 T-S 圖上分析）。14如圖（ 10.5 ），設(shè)想蒸汽壓縮制冷T4循環(huán)按 12341 運(yùn)行，循環(huán)凈功未變，仍等于1h4- h2，而從冷源吸取的熱量從 h3- h2，增加到h2 h2

17、 ，這顯然是有利的。這種考慮對(duì)嗎？-2'2315試述實(shí)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 10.5s16為什么有的制冷循環(huán)中采用膨脹機(jī)，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(duì)制冷劑有何基本要求？一般常用的制冷劑有哪幾種？19在一回?zé)嵫h(huán)中，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽為 37.278bar 、 400，離開汽輪機(jī)為 0.0981bar 、在膨脹至 3.924bar 后，從汽輪機(jī)抽出一些蒸汽對(duì)來自凝汽器精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案的給水加熱，流體離開加熱器時(shí)為 3.924bar 的飽和水。假設(shè)膨脹和壓縮都是等熵，求循環(huán)的

18、熱效率。20某核動(dòng)力循環(huán)。鍋爐從 t 1=320的核反應(yīng)堆吸入熱量 Q1 產(chǎn)生壓力為 72bar 的干飽和蒸汽（點(diǎn) 1），水蒸氣經(jīng)汽輪機(jī)作功后在 0.08bar 壓力下排出（點(diǎn) 2），乏汽在冷凝器中向 t 0=20的環(huán)境定壓放熱后變?yōu)?40的過冷水（點(diǎn) 3），最后過冷水經(jīng)泵送回鍋爐（點(diǎn) 4）完成循環(huán)。已知該廠的額定功率為 750000kW,汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率ri =0.7 ，泵效率p =0.8 。試求 :T34T22'1kg2 1'mkg5T231T1(1-m)kg614ss圖圖蒸汽的質(zhì)量流量，并對(duì)該循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)分析。21一空氣致冷裝置，如圖 10.7 所示?？諝膺M(jìn)入壓縮機(jī)的

19、溫度 t 1=-18 、壓力 p1=1bar ，絕熱壓縮到 p2=5.5bar ，經(jīng)由冷卻器放熱后，溫度 t 3=15，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 ，大氣環(huán)境溫度為25。已知致冷量 Q0=100000kJ/h 。求：（1）該致冷裝置循環(huán)致冷系數(shù)可能達(dá)到的最大值；（ 2）該裝置必須消耗的最小功率；（3）每小時(shí)傳給大氣環(huán)境的熱量。（1） max= c=8.030; (2)N min=3.46kW； （ 3） Q1 =112456 kJ/h ）23某空氣致冷裝置?？諝膺M(jìn)入膨脹機(jī)的溫度 t 3 =20、壓力 p3=6bar 絕熱膨脹到 pt =1bar，經(jīng)由冷藏室吸熱后，

20、溫度 t 1=-10。試求： （1）膨脹機(jī)出口溫度；（ 2）壓縮機(jī)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）t 4=-97.4 ；（ 2）t 2=165.8 ；(3)q 2=87.7kJ/kg ；(7) c=8.767 ）。24某空氣致冷裝置。 空氣進(jìn)入壓縮機(jī)的壓力p1=1bar，絕熱壓縮到 p2 =5bar,經(jīng)由冷卻器放熱后，溫度t 3=30。已知冷藏室的溫度為 -5 ，求： （1）膨脹機(jī)出口溫度；（ 2）1kg 空氣的吸熱量；（ 3） 1kg 空氣的放熱量

21、；（ 4）循環(huán)凈耗功精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案量；（ 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 0時(shí)，循環(huán)凈耗功量。（ 1）t 3=-81.7 ；(2)q 2=77.0kJ/kg ；(3)q 1=122.0kJ/kg ；（4）=45.0kJ/kg ；（5）=1.711 ；（ 6）c=7.657 ；（7）W=48.0kJ/kg ）。25一空氣制冷裝置的制冷量Q0=836400kJ/h 。空氣壓縮機(jī)吸入空氣的壓力p1=0.981bar ，溫度 t 1=-10 ，經(jīng)壓縮后空氣的壓力 p2=0.981bar ，溫度 t 1=-10 , 經(jīng)壓縮后空氣的壓力 p2 =

22、3.924bar ，空氣進(jìn)入膨脹機(jī)的溫度為 20。求：（ 1）電動(dòng)機(jī)、壓氣機(jī)、膨脹機(jī)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Q0=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?jí)嚎s時(shí)空氣溫度t 1 =0, 由冷卻器出來時(shí)的溫度t 3=20。如空氣被壓縮和膨脹時(shí)的多變指數(shù)n=1.28 ，求：（ 1）裝置的制冷系數(shù)；（ 2）原動(dòng)機(jī)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(jī)、冷卻器和空氣渦輪機(jī)所組成， 此渦輪與壓縮機(jī)直接連接， 其壓縮和膨脹

23、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(shí) n=1.3 ，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力 p1=0.8276bar ，溫度 t 1=21 , 渦輪進(jìn)口壓力 p3=1.45bar 、溫度 t 3=38，為一穩(wěn)定流動(dòng)過程，忽略動(dòng)能的變化。試畫出流體流動(dòng)的過程圖和 T-S 圖，并求：（ 1）壓縮終了的溫度 t 2；（2）膨脹終了的溫度 t 4；（3）空氣的流量；（ 4）凈功率；（ 5）制冷系數(shù)。104 自測題一、是非題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

24、，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 /p1 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(shí)用上得不到低于0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。（）精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案8. 熱循環(huán)的主要目的是提高蒸汽輪機(jī)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，那么節(jié)流過程引起的損失就越小。（ ）10蒸汽動(dòng)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） h1h

25、5 （B） h2 h4（C） h2h3 （D） h2 h12熱泵的供熱系數(shù)等于5，則該熱泵作為致冷機(jī)用時(shí)，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 ）提高平均吸熱溫度的同時(shí)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

26、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精彩文檔實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案三、填空題1 理 論 空 氣 壓 縮 制 冷 循 環(huán) 有 -、 -、-、-，四個(gè)過程組成。2 理 論 蒸 汽 壓 縮 制 冷 循 環(huán) 有 -、 -、-、-，四個(gè)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 朗 肯 循 環(huán) 由 -、 -、 -、-，四個(gè)理想熱力過程