蒸汽動力循環(huán)與制冷循環(huán)

第七章蒸汽動力循環(huán)最重要的動力來源是水電、火電和核電水電涉及到將機械能從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式的問題，理論上可以達到100％的效率?；痣姾秃穗娛菍⒒瘜W(xué)能和核能以熱能的形式釋放出來，然后再將其部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。目前超臨界機組的最高效率可達45%左右。大型化工廠的熱電聯(lián)用供給動力供熱供應(yīng)工藝用蒸汽7.1蒸汽動力循環(huán)加熱器冷凝器膨脹機水泵1342圖7-1Carnot循環(huán)的工藝流程7.1.1正向卡諾循環(huán)514236S圖7-2T—S圖上的卡諾循環(huán)Ws首先以水蒸氣為工質(zhì)的卡諾循環(huán)示意圖：514236S圖7-2T—S圖上的卡諾循環(huán)效率最高的是卡諾循環(huán)，由兩個可逆等溫過程和兩個可逆絕熱過程組成的卡諾循環(huán)產(chǎn)功最大，但實際上很難實現(xiàn)，問題在于：

①濕蒸汽對汽輪機和水泵有侵蝕作用，汽輪機帶水量不能超過10%，水泵不能帶入蒸汽進泵；

②絕熱可逆過程實際難以實現(xiàn)。

514236S圖7-2T—S圖上的卡諾循環(huán)因此卡諾熱機是一個理想的、不能實現(xiàn)的熱機。它的意義在于：提供了一個實際熱機與之比較的最高標(biāo)準(zhǔn)。7.1.2Rankine循環(huán)汽輪機水泵冷凝器鍋爐+過熱器朗肯蒸汽動力循環(huán)的主要設(shè)備有：汽輪機、冷凝器、水泵、鍋爐和過熱器，工作介質(zhì)一般為水。圖7-3理想的Rankine循環(huán)及其在T-S圖上的表示朗肯循環(huán)的過程1-2：產(chǎn)功過程，在汽輪機中進行，若忽略的工質(zhì)的摩擦與散熱，此過程可簡化為可逆絕熱膨脹（等熵膨脹）朗肯循環(huán)的過程2-3：乏氣放熱過程，等溫等壓冷凝放熱在冷凝器中進行，在冷凝器里，冷卻水把工質(zhì)的熱量帶走，使其轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡鸵后w朗肯循環(huán)的過程3-4：耗功過程，飽和液體水在水泵中升壓，可認為可逆絕熱壓縮水

朗肯循環(huán)的過程

4-1：在鍋爐中工質(zhì)吸熱過程，等壓升溫、汽化成為過熱蒸汽理想朗肯循環(huán)過程熱力學(xué)計算⑴工質(zhì)在鍋爐中的吸熱量

Q1

=ΔH=H1－H4

KJ/Kg⑵工質(zhì)在冷凝器中排放的熱量Q2=

ΔH

=

H3－H2

KJ/Kg⑶汽輪機中工質(zhì)的單位產(chǎn)功量WSR=H2－H1

KJ/Kg⑷水泵中工質(zhì)的單位耗功量

Wp=ΔH=H4－H3KJ/Kg由于液態(tài)水的不可壓縮性，水泵中工質(zhì)的耗功量可按下式進行計算:⑸熱效率

定義：鍋爐中所給的熱量中轉(zhuǎn)化為凈功的量。

⑹氣耗率

定義：輸出1kwh的凈功所消耗的蒸汽量

SSC（specificsteamconsumption）。

當(dāng)對外作出的凈功相同時，汽耗率大的裝置其尺寸相應(yīng)增大。所以汽耗率的高低可用來比較裝置的相對尺寸大小和過程的經(jīng)濟性。各個狀態(tài)點的焓值查閱水蒸氣表或水蒸氣焓熵圖求得。狀態(tài)點1,

根據(jù)P1、t1

值可查得H1、S1值;狀態(tài)點2,S2=S1,根據(jù)P2、S2

值可查得H2、t2值;狀態(tài)點3,P3=P2,查P3下的飽和液體可得H3、V3

、S3值;狀態(tài)點4,P4=P1,S4=S3,根據(jù)P4、S4可查得H4值;或H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)實際Rankine循環(huán)蒸汽通過汽輪機的絕熱膨脹實際上不是等熵的，而是向著墑增加的方向偏移，用1-2′線表示。水泵的耗功量遠小于汽輪機的做功量，可不考慮不可逆的影響。蒸汽通過汽輪機膨脹，實際做出的功應(yīng)為H1–H2′，它小于等熵膨脹的功H1–H2。兩者之比稱為透平機的等熵效率。朗肯循環(huán)的計算步驟：a.先將蒸汽動力循環(huán)過程在T-S圖上表示出來b.確定各點的狀態(tài)，并查出H,S值c.計算能量變化，熱效率，汽耗率例7-1：某一理想的Rankine循外，鍋爐的壓力為4MPa，產(chǎn)生440℃過熱蒸汽，汽輪機出口壓力為0.004MPa，蒸汽流量60t/h，求（1）過熱蒸汽每小時從鍋爐吸收的熱量；（2）乏氣的濕度以及乏氣在冷凝器放出熱量；（3）汽輪機作出的理論功率和水泵消耗的理論功率；（4）循環(huán)的熱效率。（5）若汽輪機進行不可逆的絕熱膨脹，其等熵效率為0.75，則實際Rankine循環(huán)的熱效率。（6）Carnot循環(huán)的效率（1）確定各點的參數(shù)1點（過熱蒸汽）,

根據(jù)P1=4MPa、t1=440℃,查過熱水蒸氣表得H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kg·K);2點（濕蒸汽）,

P2=4kPa，S2=S1=6.9041kJ/(kg·K)

,查飽和水蒸氣表得

Hg=2554.4kJ/kgHl=121.46kJ/(kg·K)

Sg=8.4746kJ/kgSl=0.4226kJ/(kg·K)

Vl=1.004cm3/g

2點處的干度為x8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041x=0.8050H2=2554.4×0.805+(1-0.805)×121.46=2080.03點（飽和液體）

P3=4kPaH3=Hl=121.46kJ/kgS3=Sl=0.4226kJ/(kg·K)4點（未飽和水）方法1H4=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/(kg·K),查未飽和水性質(zhì)表H4=126.1kJ/kg171.970.5709169.770.571540℃

88.650.2958

86.300.296120℃4MPaHS5MPaHS2.5MPaHS87.710.2958171.090.5709（2）計算過熱蒸汽每小時從鍋爐吸收的熱量

Q1=m(H1-H4)=60×103×(3307.1-125.5)=190.9×106kJ/h

乏氣在冷凝器放出的熱量

Q2=m(H2-H3)=60×103×(2080.0-121.5)=117.5×106kJ/h

乏氣的濕度為1-x=1-0.805=0.195

汽輪機作出的理論功率

水泵消耗的理論功率理想Rankine循環(huán)的熱效率

實際Rankine循環(huán)的熱效率

通過改變蒸汽參數(shù)提高朗肯循環(huán)的熱效率

1.提高蒸汽的過熱溫度

提高平均吸熱溫度，增大作功量，提高循環(huán)的熱效率，并且可以降低汽耗率。

增加乏氣的干度，使透平機的相對內(nèi)部效率也可提高。

但是蒸汽的最高溫度受到金屬材料性能的限制，不能無限地提高，一般過熱蒸汽的最高溫度以不超873K為宜。2.提高蒸汽的壓力

當(dāng)蒸汽壓力提高時，熱效率提高、而汽耗率下降。

但是隨著壓力的提高，乏汽的干度下降，即濕含量增加，因而會引起透乎機相對內(nèi)部效率的降低．還會使透平中最后幾級的葉片受到磨蝕，縮短壽命。乏汽的干度一般不應(yīng)低于0.88。

汽輪機的進氣溫度和壓力一般是同時提高。超超臨界煤電機組參數(shù)：25MPa，600oC,熱效率45%3.降低汽輪機出口蒸汽的壓力

降低出口蒸汽的壓力，平均放熱溫度下降，而平均吸熱溫度降低很少，可回收損失于冷凝器中的一部分熱量，提高循環(huán)熱效率；

出口壓力受天然冷源溫度限制，不能任意降低，一般汽輪機出口壓力不低于0.004MPa；

降低出口壓力，也會增大出口蒸汽的濕度。1.再熱循環(huán)乏氣干度增加忽略泵功：Rankine循環(huán)的改進2.熱電循環(huán)化工廠熱電循環(huán)包括兩種形式：被壓式汽輪機熱電聯(lián)用和抽氣式汽輪機熱電聯(lián)用。P182：例7-47.2

制冷循環(huán)人們常說的“制冷”，是一個廣義的說法。是人工制造低溫（低于環(huán)境溫度）技術(shù)的統(tǒng)稱。在工程熱力學(xué)中，我們把使系統(tǒng)的溫度降到低于周圍環(huán)境物質(zhì)（大氣或天然水源）溫度的過程稱為制冷或冷凍過程。如果循環(huán)的目的是從低溫物體(如冷藏室、冷庫等)不斷地取走熱量，以維持物體的低溫，稱之為制冷循環(huán)；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，稱之為熱泵循環(huán)。熱泵冰箱習(xí)慣上，制冷溫度在-100℃以上者，稱為普冷，低于-100℃者稱為深冷。制冷廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中的低溫反應(yīng)、結(jié)晶分離、氣體液化以及生活中的冰箱、空調(diào)、冷庫等各方面。目前生產(chǎn)實際中廣泛應(yīng)用的制冷方法是：利用液體的氣化實現(xiàn)制冷，這種制冷常稱為蒸氣制冷。它的類型有：蒸汽壓縮式制冷（消耗機械能）、吸收式制冷（消耗熱能）和蒸汽噴射式制冷（消耗熱能）三種。其中蒸汽壓縮制冷和吸收制冷是目前廣泛應(yīng)用的主要制冷方法。青藏高原鐵路路基的“熱棒”技術(shù)7.2.1氣體絕熱膨脹制冷原理

節(jié)流膨脹和絕熱做功膨脹7.2.2制冷循環(huán)

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)量的計算7.2.3熱泵及其應(yīng)用

基本概念和在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用重點內(nèi)容7.2.1氣體絕熱膨脹制冷原理

1.節(jié)流膨脹流體在管道流動時，有時流經(jīng)閥門、孔板等設(shè)備，由于局部阻力，使流體壓力顯著降低，這種現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。熱力學(xué)特征：利用節(jié)流過程獲得低溫和冷量。節(jié)流時的溫度變化稱為節(jié)流效應(yīng)，或Joule-Thomson效應(yīng)。節(jié)流中溫度隨壓力的變化率稱為微分節(jié)流效應(yīng)系數(shù)或Joule-Thomson系數(shù)，μJ﹥0節(jié)流后溫度降低，冷效應(yīng)μJ=0節(jié)流后溫度不變，零效應(yīng)μJ﹤0節(jié)流后溫度升高，熱效應(yīng)例7-1：在25℃時，某氣體的PVT可表達為PV=RT+6.4×104P，在25℃，30MPa時將該氣體進行節(jié)流膨脹，問膨脹后氣體的溫度上升還是下降？能否作為制冷介質(zhì)？例7-2：請證明理想氣體節(jié)流后溫度不發(fā)生變化，它既不能作為制冷介質(zhì)，也不能作為制熱介質(zhì)。積分節(jié)流效應(yīng)：2.對外做功的絕熱膨脹氣體從高壓向低壓做絕熱膨脹時，若通過膨脹機來實現(xiàn)，則可對外做功。如果過程是可逆的，稱為等熵膨脹。對外做功后氣體溫度必降低，產(chǎn)生冷效應(yīng)。微分等熵膨脹系數(shù)：積分等熵膨脹系數(shù)：節(jié)流膨脹與做外功的絕熱膨脹比較比較內(nèi)容節(jié)流膨脹做外功的絕熱膨脹降溫程度小大，可回收功降溫條件有條件，uJ>0，冷效應(yīng)無條件，適合任何氣體設(shè)備與操作節(jié)流閥，設(shè)備簡單，易于操作，汽、液兩相和液體均可用結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資大，運行中不能產(chǎn)生液體適用場合適合任何制冷循環(huán)，普冷循環(huán)和小型深冷設(shè)備深冷循環(huán)，大、中型氣體液化7.2.2制冷循環(huán)1.理想制冷循環(huán)冷凝器蒸發(fā)器壓縮機膨脹機QHQL1234TTHTLp2p11234S1S4(a)逆Carnot循環(huán)制冷示意圖(b)T-S圖特點：逆向Carnot循環(huán)的制冷系數(shù)εC取決于高溫和低溫?zé)嵩吹臏囟?，與工質(zhì)無關(guān)。理想的逆向Carnot循環(huán)是效率最高的制冷循環(huán)。制冷循環(huán)中，高溫下放熱量大于低溫下吸熱量。循環(huán)的吸熱量：q0=TL(S1-S4)TLTHTS1234循環(huán)的放熱量：q2=TH(S3-S2)=-TH(S1-S4)⊿H＝q＋WS制冷劑完成一個循環(huán)⊿H＝0，凈功為制冷系數(shù)例7-2：某蒸汽壓縮制冷過程，制冷劑在250K吸收熱量QL，在300K放出熱量-QH，壓縮和膨脹過程是絕熱的，向制冷機輸入的凈功為WN，判斷下列情況是

A可逆的B不可逆的C不可能的（1）QL=2000kJWN=400kJ

（2）QL=1000kJQH=－1500kJ

（3）WN=100kJQH=－700kJ解：（1）該制冷過程是可逆的

（2）QL=1000kJQH=－1500kJ

（3）WN=100kJQH=－700kJ該制冷過程是不可逆的該制冷過程是不可能的實際的制冷循環(huán)是對上述的逆Carnot壓縮制冷循環(huán)的改進TSTHTL1233’4QL(b)實際的冷凍循環(huán)原理圖改進措施1）壓縮過程操作于過熱蒸汽區(qū)，等熵膨脹改為節(jié)流膨脹；2)制冷工質(zhì)被過冷到溫度低于飽和溫度。2.蒸汽壓縮制冷循環(huán)(a)單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)熱力學(xué)計算1）單位制冷量q02）制冷劑每小時的循環(huán)量m

TSTHTL1233’4q0(b)實際的冷凍循環(huán)原理圖3）冷凝器的單位放熱量Q24）壓縮機消耗的功與功率5）制冷系數(shù)

例7-3：某壓縮制冷裝置，用R134a作為制冷劑，蒸發(fā)器中的溫度為-25℃，冷卻器中的壓力為1.0MPa，假定R134a進入壓縮機時為飽和蒸汽，而離開冷凝器時為飽和液體，壓縮過程按絕熱可逆計算，每小時制冷量Q0為1.67×105

kJ·h-1。求：（1）所需的制冷劑流率；（2）制冷系數(shù)。

1點-25℃飽和蒸汽查表得H1＝231.9kJ/kgS1＝0.9367kJ/(kg·K)T0TTS12345

2點P2

＝1MPa，S2

＝S1

＝0.9367kJ/(kg·K)

查表得H2

＝278.7kJ/kg

T0TTS12345

4點1MPa飽和液體查表得H4

＝104.2kJ/kg

T0TTS12345

H1＝231.9kJ/kgH2

＝278.7kJ/kgH4

＝104.2kJ/kgH5

＝H4T0TTS12345

T0TTS123452′5′4′3.制冷劑Refrigerants制冷劑的選擇原則：（1）汽化潛熱要大，減小制冷劑的循環(huán)量，縮小壓縮機的尺寸；（2）大氣壓力下沸點低，能獲得較低的制冷溫度；（3）操作壓力要合適。即冷凝壓力（高壓）不要過高，蒸發(fā)壓力（低壓）不要過低。（4）化學(xué)穩(wěn)定性、不易燃、不分解、無腐蝕性。（5）價格低。（6）冷凍劑對環(huán)境應(yīng)該無公害。1Conventionalrefrigerants:NH3CH3ClCO2C3H8C2H62ChloroFluoroCarbonsCFC’s CFCl3(R-11) CF2Cl2(R-12)

常用制冷劑：CFC’s:CFCl3+UVlightCCl2F?+Cl?Cl?+O3

O2+ClO?ClO?+O?

Cl?+O21987《關(guān)于消耗臭氧層的蒙特利爾協(xié)議書》，對氟里昂在的R11、R12、R113、R114、R115、R502及R22等CFC類的生產(chǎn)進行限制。1990年增加了對全部CFC、四氯化碳（CCL4）和甲基氯仿（C2H3CL3）生產(chǎn)的限制，另外對過渡性物質(zhì)HCFC提出了2020年后的控制日程表。3HydroChloroFluoroCarbonsHCFC’s:CHCl2F(R-22)CHCl2CF3(R-123)

4(Hydro)FluoroCarbonsHFC’sCF4(R-14)CHF3

(R-23)CF3F3

(R-116)CHF2CHF2

(R-134a)對臭氧層無損害的工質(zhì)，亦稱對環(huán)境友好的工質(zhì)有

：HFC-134a(CF3CH2F)和HFC-125(CHF2CF3)等正在推廣使用。6.3熱泵及其應(yīng)用熱泵：一種能源采掘裝置，它以消耗一部分高品質(zhì)的能源(機械能、電能或高溫