化工熱力學(xué)基本概念：第8章_蒸汽動(dòng)力循環(huán)及制冷循環(huán)

1、PAGE 第8章 蒸汽動(dòng)力循環(huán)及制冷循環(huán)將熱能變?yōu)闄C(jī)械能組成循環(huán)的熱力過(guò)程。根據(jù)所采用工質(zhì)的不同，熱力原動(dòng)機(jī)循環(huán)分為兩類(lèi)：以蒸汽為工質(zhì)的稱(chēng)為蒸汽動(dòng)力循環(huán)，而以氣體為工質(zhì)的則稱(chēng)為氣體循環(huán)。制冷循環(huán)是一種逆向循環(huán)。逆向循環(huán)的目的在于把低溫物體(熱源)的熱量轉(zhuǎn)移到高溫物體(熱源)去。如果循環(huán)的目的是從低溫物體(如冷藏室、冷庫(kù)等)不斷地取走熱量，以維持物體的低溫，稱(chēng)之為制冷循環(huán)；如果循環(huán)的目的是給高溫物體(如供暖的房間)不斷地提供熱量，以保證高溫物體的溫度，稱(chēng)之為熱泵循環(huán)。本章學(xué)習(xí)要求要求學(xué)生了解蒸汽動(dòng)力循環(huán)的基本過(guò)程，掌握Rankine循環(huán)的熱力學(xué)分析方法，熱效率、氣耗率的概念與計(jì)算，以及Ranki

2、ne的改進(jìn)方法。在制冷循環(huán)中，要求掌握逆Carnot循環(huán)與蒸汽壓縮制冷循環(huán)的基本組成，制冷系數(shù)和單位工質(zhì)循環(huán)量的計(jì)算；了解熱泵的基本概念和在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。最后了解與掌握空氣液化及其計(jì)算方法。重點(diǎn)與難點(diǎn)8.1 Rankine循環(huán)QHQLWsTS1234圖6-1 Rankine循環(huán)示意圖 圖6-2 Rankine循環(huán)的T-S圖Rankine循環(huán)中工質(zhì)歷經(jīng)的各個(gè)單元過(guò)程是完全理想化的(忽略工質(zhì)的流動(dòng)阻力與溫差傳熱)，以單位質(zhì)量的工質(zhì)為基準(zhǔn)，運(yùn)用穩(wěn)流過(guò)程熱力學(xué)第I定律進(jìn)行分析：過(guò)程：透平機(jī)中工質(zhì)作可逆絕熱膨脹過(guò)程(等熵膨脹)，對(duì)外輸出軸功：(6-1)過(guò)程：濕蒸汽在冷凝器中的等壓等溫冷凝過(guò)程(相平衡

3、)，工質(zhì)冷凝放熱量：(6-2)過(guò)程：飽和水在水泵中作可逆絕熱壓縮過(guò)程(等熵壓縮)，水泵消耗軸功：(6-3)由于水的不可壓縮性，在壓縮過(guò)程中水的體積變化微小，可按下式計(jì)算：(6-4)過(guò)程，實(shí)際上含(給水預(yù)熱)、(等壓等溫汽化或兩相平衡)及(飽和蒸汽過(guò)熱)三個(gè)階段，工質(zhì)在鍋爐與過(guò)熱器中吸收的熱量：(6-5)熱效率(即熱機(jī)效率或第I定律效率)和汽耗率是評(píng)價(jià)蒸汽動(dòng)力循環(huán)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。(6-6)在蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，水泵消耗的功率遠(yuǎn)小于所產(chǎn)生的軸功，因此：(6-7)汽耗率(SSC)是指蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，輸出的凈功所消耗的蒸汽量。(6-8)圖6-2及式(6-1)(6-7)中各狀態(tài)點(diǎn)的焓值由水蒸汽表通過(guò)線性?xún)?nèi)插

4、求取，或由水蒸汽的焓熵圖查得。即：狀態(tài)1：根據(jù)、值可由附錄中的過(guò)熱蒸汽表通過(guò)線性?xún)?nèi)插的方法得到、。狀態(tài)2與狀態(tài)3：根據(jù)，由飽和水蒸汽表確定兩相共存時(shí)汽相(圖6-2中標(biāo)示的點(diǎn)5)、液相(圖6-2中標(biāo)示的點(diǎn)3)飽和熱力學(xué)性質(zhì)，如相平衡溫度，、和。根據(jù)條件，按計(jì)算透平機(jī)出口乏氣的干度，進(jìn)而計(jì)算： 或 (6-9)(6-10)狀態(tài)4：根據(jù)式(6-3)與(6-4)，求得：(6-11)實(shí)際的Rankine循環(huán)，因工質(zhì)在流動(dòng)中存在摩擦、湍流、散熱等因素，透平機(jī)和水泵不可能作等熵膨脹或壓縮，工業(yè)上常使用等熵效率因子(或第II定律效率)來(lái)衡量過(guò)程的不可逆性。圖6-2中的直線12代表透平機(jī)的等熵膨脹過(guò)程，而直線12

5、代表透平機(jī)的不可逆膨脹過(guò)程，即：(6-12)實(shí)際Rankine循環(huán)的工質(zhì)輸出功量和熱效率分別為：(6-13)(6-14)82 制冷循環(huán)理想的制冷循環(huán)是逆向Carnot循環(huán)，如圖6-3所示，圖6-4為其T-S圖。圖6-3 逆向Carnot循環(huán)示意圖圖6-4 逆向Carnot循環(huán)T-S逆向Carnot循環(huán)由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和膨脹機(jī)四個(gè)部分組成(圖6-3)，其中：過(guò)程：壓縮機(jī)中工質(zhì)作可逆絕熱壓縮過(guò)程(等熵膨脹)，消耗外功(6-15)過(guò)程：壓縮工質(zhì)在冷凝器中的等壓等溫冷凝過(guò)程(相平衡)，工質(zhì)冷凝放熱量：(6-16)過(guò)程：壓縮工質(zhì)在膨脹機(jī)中作可逆絕熱膨脹過(guò)程(等熵壓縮)，可回收軸功(6-17)過(guò)程

6、，工質(zhì)在蒸發(fā)器中從低溫環(huán)境中吸收的熱量(6-18)循環(huán)過(guò)程的，取整個(gè)逆向Carnot裝置為系統(tǒng)，根據(jù)熱力學(xué)第I與第II定律：(6-19)(6-20)制冷系數(shù)是指消耗單位量的凈功可從低溫系統(tǒng)中移走的熱量，是衡量制冷效率的重要參數(shù)，對(duì)逆向Carnot循環(huán)則有：(6-21)式(6-21)表明：逆向Carnot循環(huán)的制冷系數(shù)僅是工質(zhì)的溫度函數(shù)，與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)，在、已知的兩個(gè)溫度之間操作的任何制冷循環(huán)，以逆向Carnot循環(huán)的制冷系數(shù)為最大。蒸汽壓縮制冷循環(huán)圖6-5 單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)示意圖圖6-6 單級(jí)壓縮制冷循環(huán)T-S圖蒸汽壓縮制冷循環(huán)是由低壓蒸汽的壓縮、高壓蒸汽的冷卻冷凝、高壓液體的節(jié)流膨脹和濕蒸汽的定壓蒸發(fā)四個(gè)過(guò)程組成。單位質(zhì)量工質(zhì)自低溫系統(tǒng)中移熱：(6-22)若制冷機(jī)的制冷能力為，則工質(zhì)的循環(huán)量為：(6-23)單級(jí)壓縮制冷循環(huán)的壓縮過(guò)程功耗：(6-24)單級(jí)壓縮制冷循環(huán)的制冷系數(shù)：(6-25)制冷循環(huán)所消耗的理論功率為(6-26)83 熱泵循環(huán)熱泵也是一種制冷循環(huán)，熱泵循環(huán)的工作目的是供熱，即從自然環(huán)境或低溫余熱中吸取熱量并將它傳送到需要高溫的空間中去。熱泵是一種比較經(jīng)濟(jì)合理的供熱裝置，工業(yè)熱泵主要