化工熱力學第七章 蒸汽動力循環(huán)和制冷循環(huán)

1、工作原理工作原理循環(huán)中工質(zhì)狀態(tài)變化循環(huán)中工質(zhì)狀態(tài)變化能量轉(zhuǎn)換計算能量轉(zhuǎn)換計算循環(huán)過程熱力學分析循環(huán)過程熱力學分析本章目的本章目的研究循環(huán)中熱、功轉(zhuǎn)換的效果及其影響研究循環(huán)中熱、功轉(zhuǎn)換的效果及其影響因素，探求提高能量轉(zhuǎn)換效率的途徑因素，探求提高能量轉(zhuǎn)換效率的途徑。 本章內(nèi)容本章內(nèi)容討論蒸汽動力循環(huán)的熱效率、循環(huán)功以討論蒸汽動力循環(huán)的熱效率、循環(huán)功以及循環(huán)中各過程工質(zhì)狀態(tài)函數(shù)的變化；及循環(huán)中各過程工質(zhì)狀態(tài)函數(shù)的變化； 制冷循環(huán)與獲得低于環(huán)境溫度的操作過制冷循環(huán)與獲得低于環(huán)境溫度的操作過程的熱力學分析。程的熱力學分析。 前言前言循環(huán)：循環(huán)：l體系從初態(tài)開始，經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)，又重體系從初態(tài)開始，

2、經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)，又重新回到初態(tài)，此封閉的熱力學過程稱為循環(huán)。新回到初態(tài)，此封閉的熱力學過程稱為循環(huán)。蒸汽動力循環(huán)：蒸汽動力循環(huán)：l是以水蒸汽為工質(zhì)，將是以水蒸汽為工質(zhì)，將熱連續(xù)地轉(zhuǎn)變成功熱連續(xù)地轉(zhuǎn)變成功的過程，的過程，其主要設(shè)備是各種熱機。其主要設(shè)備是各種熱機。l產(chǎn)功的過程。如火力發(fā)電廠，大型化工廠產(chǎn)功的過程。如火力發(fā)電廠，大型化工廠冷凍循環(huán)：冷凍循環(huán)：l是將熱連續(xù)地由低溫處輸送到高溫處的過程，其是將熱連續(xù)地由低溫處輸送到高溫處的過程，其主要設(shè)備是熱泵。主要設(shè)備是熱泵。l耗功的過程。耗功的過程。l-100 以上為普冷，以上為普冷， -100 以下為深冷。以下為深冷。前言前言3300400

3、2223NHHNatmC ，合合成成氨氨如何將如何將1atm 300atm?需要壓縮機，消耗動力。需要壓縮機，消耗動力。中國中國60年代，年代，15001800度度電電/噸噸NH3。中國中國70年代，僅年代，僅1030度電度電/噸噸NH3。這是由于透平機直接帶動壓縮機的緣故。這是由于透平機直接帶動壓縮機的緣故。蒸汽動力循環(huán)的作用：蒸汽動力循環(huán)的作用：電電高溫熱源高溫熱源廢熱鍋爐，產(chǎn)生廢熱鍋爐，產(chǎn)生高壓蒸汽高壓蒸汽壓縮機壓縮機 (氫循環(huán)壓縮機氫循環(huán)壓縮機)透平機透平機卡諾循環(huán)的缺點卡諾循環(huán)的缺點TS鍋爐加熱鍋爐加熱4123透平機后的乏氣透平機后的乏氣,汽汽+液液汽汽+液液泵泵冷凝器冷凝器透透平平

4、機機缺點之二缺點之二:對于泵易對于泵易產(chǎn)生氣縛產(chǎn)生氣縛現(xiàn)象現(xiàn)象缺點之一缺點之一:透平機要求干度透平機要求干度X0. 9但但2點的點的X2，則，則耗功量耗功量WS為為H2-H1。4、蒸汽壓縮制冷循環(huán)、蒸汽壓縮制冷循環(huán)實際制冷循環(huán)實際制冷循環(huán)2TS2541435c d2TS254實際蒸汽壓實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)縮制冷循環(huán)142點的性質(zhì)用點的性質(zhì)用等熵效率計算等熵效率計算不不可可,SSSWW ）（）（1212 HHHH 35冷凝溫度冷凝溫度蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度過冷溫度過冷溫度過冷度過冷度：T4 =T3：T4=T4-T4:T5=T5=T1解題關(guān)鍵：確定解題關(guān)鍵：確定2, 4 點的狀態(tài)點的狀態(tài)4點過冷液體的性

5、質(zhì)用點過冷液體的性質(zhì)用4點溫度對應(yīng)的飽和液體代替。點溫度對應(yīng)的飽和液體代替。5、幾個定義、幾個定義30255-15冰箱四星級冰箱四星級T1=-24 三星級三星級T1=-18國際標準國際標準冷凍條件冷凍條件2TS2541435實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)計算實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)計算q0q2KgKJHHWs/,312 位位制制冷冷劑劑）壓壓縮縮機機消消耗耗的的功功（單單124105HHHHWqs ）制制冷冷系系數(shù)數(shù)hKJQhKgqQm/,/,2000制制冷冷裝裝置置制制冷冷能能力力）制制冷冷劑劑循循環(huán)環(huán)量量 KgKJHHq/, 6422 ）冷冷凝凝器器放放熱熱量量kWmWhKJQhKJmWPssT,360

6、0/,/,40 ）壓縮機消耗的功率）壓縮機消耗的功率)/( 41510KgKJHHHHq 1）單位制冷量）單位制冷量q0(在蒸發(fā)器中吸收的熱量在蒸發(fā)器中吸收的熱量)p.297例例7-5蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的選擇蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的選擇3 3、制冷級數(shù)的選擇：、制冷級數(shù)的選擇：當蒸發(fā)溫度當蒸發(fā)溫度 -25-25 一級壓縮一級壓縮當蒸發(fā)溫度當蒸發(fā)溫度 -30-30 二級壓縮二級壓縮當蒸發(fā)溫度當蒸發(fā)溫度 1(34)家用空調(diào)工作原理家用空調(diào)工作原理夏天夏天冷凝器（在室外）冷凝器（在室外）) (膨脹閥膨脹閥蒸發(fā)器（在室內(nèi)）蒸發(fā)器（在室內(nèi)）a）壓縮機壓縮機轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換閥閥家用空調(diào)工作原理家用空調(diào)工作原理冬天冬天

7、蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)冷凍循環(huán)冷凍循環(huán)熱轉(zhuǎn)變成功熱轉(zhuǎn)變成功消耗功將熱從低溫傳給高溫消耗功將熱從低溫傳給高溫1、制冷、制冷2、加熱、加熱制制冷機冷機熱泵熱泵鍋爐鍋爐透透平平機機水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器2341第六章總結(jié)第六章總結(jié)壓縮機壓縮機蒸發(fā)器蒸發(fā)器1542冷卻器冷卻器節(jié)節(jié)流流閥閥蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)1TS23421.朗肯循環(huán)朗肯循環(huán)等等S膨脹膨脹3.再熱循環(huán)再熱循環(huán)2.回熱循環(huán)回熱循環(huán)4 . 03 . 01 QWWPS 熱效率熱效率冷凍循環(huán)冷凍循環(huán)2TS25414352.吸收制冷循環(huán)吸收制冷循環(huán)2.等等S膨脹膨脹1.等等H膨脹膨脹原理：原理：1.蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)

8、540 sWq 制制冷冷系系數(shù)數(shù)4 . 03 . 0641211 ）（）熱效率）熱效率HHHHQWWPS ）（）氣氣耗耗率率：11./36007 hKwKgWSSCsQ2（放熱）（放熱）Q1吸熱吸熱）在在鍋鍋爐爐中中吸吸熱熱量量4111HHQ 123HHWS ）在透平機中對外做功）在透平機中對外做功）在冷凝器中放熱量）在冷凝器中放熱量2322HHQ 344HHWP ）在在水水泵泵中中消消耗耗功功21 21,5HHHHWWSSS 可可不不）等等熵熵效效率率 實際實際Rankine循環(huán)計算循環(huán)計算1TS2324制冷原理制冷原理0 節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低.(.(冷效應(yīng)冷效應(yīng)

9、) )0 的氣體的氣體,如如N2 。dPTTTPPJH 21123 、節(jié)流膨脹、節(jié)流膨脹PSHPPSSCHTdPT 214 、等熵膨脹、等熵膨脹2TS25414）（）（）壓縮機的等熵效率）壓縮機的等熵效率不不可可1212,5HHHHWWSSS 351）冷凝溫度）冷凝溫度：T4 =T32）過冷溫度）過冷溫度：T43）過冷度）過冷度=T4-T44）蒸發(fā)溫度）蒸發(fā)溫度:T5=T5=T1幾個易混淆的概念：幾個易混淆的概念：實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)計算實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)計算)/( 41510KgKJHHHHq 6）單位制冷量）單位制冷量q0(在蒸發(fā)器中吸收的熱量在蒸發(fā)器中吸收的熱量)q0q2KgKJHHW

10、s/812，位位制制冷冷劑劑）壓壓縮縮機機消消耗耗的的功功（單單 1241010HHHHWqs ）制制冷冷系系數(shù)數(shù)2TS2541435實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)計算實際蒸汽壓縮制冷循環(huán)計算q0q2hKJQhKgqQm/,/,7000制制冷冷裝裝置置制制冷冷能能力力）制制冷冷劑劑循循環(huán)環(huán)量量 KgKJHHq/11422，）冷冷凝凝器器放放熱熱量量 kWmWshKJQhKJmWPsT,3600/,/,90 ）壓縮機消耗的功率）壓縮機消耗的功率燒電爐，消耗燒電爐，消耗1J的機械功，僅獲得的機械功，僅獲得1J的熱量的熱量利用熱泵比直接燒電爐獲得的熱量更多！利用熱泵比直接燒電爐獲得的熱量更多！制冷循環(huán)制冷循環(huán)

11、制冷循環(huán)：制冷循環(huán)：熱量從熱量從低溫低溫高溫高溫夏天制冷夏天制冷冬天供熱冬天供熱夏天制冷夏天制冷: 制冷機制冷機冬天供熱：冬天供熱：熱泵熱泵合理利用能源，是對社會最大的貢獻！合理利用能源，是對社會最大的貢獻！ 7.2 & 7.3制冷循環(huán)及原理制冷循環(huán)及原理7.2 7.2 節(jié)流膨脹與作外功的絕熱膨脹節(jié)流膨脹與作外功的絕熱膨脹制冷原理制冷原理：高壓常溫氣體高壓常溫氣體通過通過絕熱膨脹絕熱膨脹變?yōu)樽優(yōu)榈蜏匾后w低溫液體，此液體作為工質(zhì)再去冷，此液體作為工質(zhì)再去冷卻需要低溫的物體。卻需要低溫的物體。獲得低溫的方法有獲得低溫的方法有兩種兩種：7.2.1 節(jié)流膨脹（等節(jié)流膨脹（等H）7.2.2 作外

12、功的絕熱膨脹（等作外功的絕熱膨脹（等S）7.2.1 7.2.1 節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹sWQuZgH 22小孔小孔流體通過節(jié)流閥門或流體通過節(jié)流閥門或多孔塞，是節(jié)流膨脹多孔塞，是節(jié)流膨脹或絕熱閃蒸過程?；蚪^熱閃蒸過程。 Q=0 Ws=0， u2=0，g Z=0 ， H=0（節(jié)流過程節(jié)流過程是等焓過程）是等焓過程）利用利用節(jié)流過程節(jié)流過程，獲得，獲得低溫低溫和和冷量冷量P2V1V1 是體系的強度性質(zhì)。因為節(jié)流過程的是體系的強度性質(zhì)。因為節(jié)流過程的 ,所以當所以當：d0p J-TJoule-Thomson系數(shù)系數(shù)J-TJ-T的的定義：定義： 0 經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體經(jīng)節(jié)流膨脹后，氣體溫度降低溫度降低。（。

13、（冷效應(yīng)冷效應(yīng)） T- JJ-T()HTpT-J0 的氣體的氣體,如如N2 。3) H2和和 He等氣體在常溫等氣體在常溫下下J-T0轉(zhuǎn)化曲線轉(zhuǎn)化曲線J-T=07.2.1 7.2.1 節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹的溫度降節(jié)流膨脹的溫度降TH是衡量制冷效是衡量制冷效果的重要指標。果的重要指標。如何計算節(jié)流膨脹溫度降如何計算節(jié)流膨脹溫度降TH？TH=T2-T1211HTTT、dPPPJ21dPVTVTCPPPp 211T1，P1節(jié)流膨脹前的溫度、壓力節(jié)流膨脹前的溫度、壓力T2，P2節(jié)流膨脹后的溫度、壓力節(jié)流膨脹后的溫度、壓力P1P2TST1T2TH21H等焓線等焓線7.2.1 7.2.1 節(jié)流膨脹節(jié)流

14、膨脹2、T-S圖上求圖上求TH 7.2.2 7.2.2 對外作功的絕熱膨脹對外作功的絕熱膨脹SSPT PpTVCT PTTHPH 0 PTV絕絕大大多多數(shù)數(shù)0 永永遠遠S 膨脹，永遠能制冷。膨脹，永遠能制冷。即等即等S對外作功的絕熱膨脹對外作功的絕熱膨脹：若過程為可逆，則為：若過程為可逆，則為等等S膨脹膨脹。等等S膨脹與節(jié)流膨脹有異同點。膨脹與節(jié)流膨脹有異同點。異：等異：等S膨脹通過膨脹通過膨脹機膨脹機對外作功，而對外作功，而節(jié)流膨脹不作功節(jié)流膨脹不作功同：均為同：均為絕熱膨脹。絕熱膨脹。節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹等等S膨脹膨脹微分等熵膨脹效應(yīng)系數(shù)微分等熵膨脹效應(yīng)系數(shù)S SP1P2TS對外作功絕熱膨脹的溫度降對外作功絕熱膨脹的溫度降dPTPPSS 21 dPTVCTPPPp 212ST1T2T2THTS21H等焓線等焓線HSTT 節(jié)流膨脹與等熵膨脹的比節(jié)流膨脹與等熵膨脹的比較較節(jié)流膨脹節(jié)流膨脹等熵膨脹等熵膨脹H=0S=0TH較小，冷凍量小較小，冷凍量小