压缩蒸汽动力循环与制冷幻灯片.ppt

压缩蒸汽动力循环与制冷第1页，共76页，编辑于2022年，星期五8.1气体的压缩气体的压缩第2页，共76页，编辑于2022年，星期五为什么要对气体进行压缩为什么要对气体进行压缩？u对气液反应、气固反应为了增加反应速率，必须在较高对气液反应、气固反应为了增加反应速率，必须在较高压下进行，而有些反应必须在高压才能进行。压下进行，而有些反应必须在高压才能进行。u气体的输送，如天然气西气东输。气体的输送，如天然气西气东输。u气体的液化气体的液化u利用气体带着液体进行输送，流化床利用气体带着液体进行输送，流化床u自控仪表自控仪表u制冷循环过程制冷循环过程气体的压缩应用气体的压缩应用第3页，共76页，编辑于2022年，星期五压缩机的分类压缩机的分类广义上讲，凡是能升高气体压力的设备均可称为压缩机广义上讲，凡是能升高气体压力的设备均可称为压缩机（1）根据压缩比）根据压缩比r=p2/p1分为三类：分为三类：r1.01.1通风机通风机r1.14.0鼓风机鼓风机r4.0压缩机（狭机（狭义）（2）按体按体积的的变化情况：容化情况：容积式和速度型式和速度型容积式压缩机容积式压缩机是将一定量的连续气流限制于是将一定量的连续气流限制于一个封闭的空间一个封闭的空间里，使压力升高。里，使压力升高。包括：包括：往复式压缩机，回转式压缩机往复式压缩机，回转式压缩机，滑片式压缩机，滑片式压缩机，罗茨双转子式压缩机，螺杆压缩机罗茨双转子式压缩机，螺杆压缩机速度型压缩机速度型压缩机是回转式连续气流压缩机，在其中高速旋转的叶片使通过它的气体加速，是回转式连续气流压缩机，在其中高速旋转的叶片使通过它的气体加速，从而将速度能转为压力从而将速度能转为压力。包括：离心式压缩机包括：离心式压缩机，轴流式压缩机，轴流式压缩机（3）按运动方式：往复式按运动方式：往复式和回转式和回转式第4页，共76页，编辑于2022年，星期五压缩机的热力学问题压缩机的热力学问题u特点：外界供给动力（电动机、汽轮机、内特点：外界供给动力（电动机、汽轮机、内燃机）（即消耗外功）使气体压力升高。燃机）（即消耗外功）使气体压力升高。u热力学关心的问题：热力学关心的问题：（1）气体在压缩过程中的变化规律；）气体在压缩过程中的变化规律；（2）不同压缩过程中消耗的功怎样；）不同压缩过程中消耗的功怎样；（3）为减小功耗采取的措施）为减小功耗采取的措施第5页，共76页，编辑于2022年，星期五单级往复式压缩机压缩过程（1）吸气（2)压缩（3）排气（4）再吸气第6页，共76页，编辑于2022年，星期五气体压缩分类：一般有等温、绝热、多变等温、绝热、多变三种过程，没有余隙（理想压缩）从压缩级数分类：单级 有余隙的压缩 多级压缩第7页，共76页，编辑于2022年，星期五三种压缩过程的p-V图及T-S图 从图中得到第8页，共76页，编辑于2022年，星期五有余隙的压缩过程有余隙的压缩过程第9页，共76页，编辑于2022年，星期五压缩功计算压缩功计算可逆轴功可逆轴功(1)理想气体等温压缩功理想气体等温压缩功：(2)绝热压缩绝热压缩：(3)多变压缩多变压缩：绝热指数绝热指数多变指数多变指数第10页，共76页，编辑于2022年，星期五非理想气体非理想气体压缩功压缩功等温压缩等温压缩绝热压缩绝热压缩多变压缩多变压缩第11页，共76页，编辑于2022年，星期五多级压缩中间冷却三级压缩机流程示意图1.气缸；2.中间冷却器；3.油水分离器pV绝热等温第一级第二级第12页，共76页，编辑于2022年，星期五8.2膨胀过程膨胀过程第13页，共76页，编辑于2022年，星期五8.2.1节流膨胀节流膨胀H=0流体进行节流膨胀是，由于压力变化而引起的温流体进行节流膨胀是，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或度变化称为节流效应或Joule-thomson效应效应第14页，共76页，编辑于2022年，星期五节流过程：节流过程：H=f（T，p）第15页，共76页，编辑于2022年，星期五时，时，故故第16页，共76页，编辑于2022年，星期五节流膨胀致冷的可能性节流膨胀致冷的可能性 对理想气体对理想气体=0=0pV=RT V=RT/p这说明了理想气体在这说明了理想气体在节流过程中温度不发节流过程中温度不发生变化生变化 第17页，共76页，编辑于2022年，星期五 真实气体真实气体有三种可能的情况，由定义式知有三种可能的情况，由定义式知当当J J00时，表示节流后压力下降，温度也下降时，表示节流后压力下降，温度也下降致冷致冷当当J J=0=0时，表示节流后压力下降，温度不变化时，表示节流后压力下降，温度不变化当当J J000J J 00，致冷区，致冷区在在转转化化曲曲线线右右侧侧，等等焓焓线线上上，随随p，T，J0 C0 Cp00恒大于零恒大于零.第26页，共76页，编辑于2022年，星期五 利用积分等熵温度效应利用积分等熵温度效应 (3)(3)积分等熵温度效应积分等熵温度效应等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化，称之。等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化，称之。计算积分等熵温度效应的方法有计算积分等熵温度效应的方法有4 4种：种：理想气体的积分等熵温度效应理想气体的积分等熵温度效应TTS S第27页，共76页，编辑于2022年，星期五 在在有有T-S图图时时，最最方方便便的的方方法法是是由由T-S图图读读取取TS对于理想气体对于理想气体绝热可逆过程绝热可逆过程 T T-S S图法图法p1p2T1T2TS第28页，共76页，编辑于2022年，星期五 用等焓节流效应计算用等焓节流效应计算若若Cp=const第29页，共76页，编辑于2022年，星期五2.2.不可逆对外做功的绝热膨胀不可逆对外做功的绝热膨胀对活塞式膨胀机对活塞式膨胀机当当t30s=0.70.75对透平机对透平机s=0.80.85不可逆对外做功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀效应不可逆对外做功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀效应和节流膨胀效应之间。和节流膨胀效应之间。ST122绝热绝热 Q=0=0第30页，共76页，编辑于2022年，星期五三三.等熵膨胀与节流膨胀的比较等熵膨胀与节流膨胀的比较1220TSp1p21.1.等熵膨胀与气体的属性及状态无等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对任何气体任何状态都产生制关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。冷效应。QOS=Ho-H2=(Ho-H1)+(H1-H2)=QOH+WR制冷量：制冷量：QOSQOHQOH=Ho-H2=Ho-H12.2.第31页，共76页，编辑于2022年，星期五3.3.设备与操作设备与操作节流膨胀：简单，针形阀节流膨胀：简单，针形阀等熵膨胀：复杂，需要低温润滑油。等熵膨胀：复杂，需要低温润滑油。4.4.操作条件与运行情况操作条件与运行情况一般大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀一般大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。第32页，共76页，编辑于2022年，星期五气体通过喷管的膨胀气体通过喷管的膨胀喷管：气体压力降低，气流加速；喷管：气体压力降低，气流加速；扩压管：气体压力增加，动能减小；扩压管：气体压力增加，动能减小；喷射器：可以获得真空度；喷射器：可以获得真空度；喷气式飞机的引擎和液体燃料火箭引擎：喷气式飞机的引擎和液体燃料火箭引擎：第33页，共76页，编辑于2022年，星期五8.3蒸汽动力循环蒸汽动力循环第34页，共76页，编辑于2022年，星期五蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环是以水蒸汽为工质，将热连续蒸汽动力循环是以水蒸汽为工质，将热连续地转变为功的过程。地转变为功的过程。其主要设备是各种热机。其主要设备是各种热机。用途：产功的过程，如火力发电站，大型化用途：产功的过程，如火力发电站，大型化工厂。工厂。第35页，共76页，编辑于2022年，星期五应用实例应用实例反应条件：反应条件：400，300atm如何将气体从如何将气体从1atm300atm？这是由于采用蒸汽动力循环，利用透平机直接带动压缩机这是由于采用蒸汽动力循环，利用透平机直接带动压缩机的缘故。的缘故。可以使用压缩机，消耗电能。可以使用压缩机，消耗电能。中国中国60年代年代15001800度电度电/吨吨NH3中国中国70年代年代1030度电度电/吨吨NH3第36页，共76页，编辑于2022年，星期五Carnot循环循环锅炉锅炉W冷凝、冷却器冷凝、冷却器泵泵透平机透平机4312Q3Q214THTLWTS第37页，共76页，编辑于2022年，星期五理想的理想的Rankine循环循环34251TS6锅炉锅炉冷凝、冷却器冷凝、冷却器水泵水泵透平机透平机4312Q过热器过热器56WsWpQ1Q1:面积面积1BA4561ABQ2:面积面积2BA32净功净功WS+WP=Q1-Q2=面积面积1234561第38页，共76页，编辑于2022年，星期五理想理想Rankine循环的热效率循环的热效率热效率热效率 定义：工质吸收的定义：工质吸收的热量中转化为净功的分率热量中转化为净功的分率。水泵的耗功常可以忽略。水泵的耗功常可以忽略。34251TS6WsWpQ1第39页，共76页，编辑于2022年，星期五理想理想Rankine循环的汽耗率循环的汽耗率汽耗率：是指蒸汽动力循环中，输出汽耗率：是指蒸汽动力循环中，输出1KWh的的净功所消耗的蒸汽量。净功所消耗的蒸汽量。用用SSC（SpecificSteamConsumption)表示。表示。第40页，共76页，编辑于2022年，星期五过冷过冷水水过热水过热水蒸气蒸气气液两气液两相共存相共存区区饱和水饱和水蒸气蒸气气液两相共存区的热气液两相共存区的热力学性质采用饱和水力学性质采用饱和水蒸气表和干度进行计蒸气表和干度进行计算算使用饱和使用饱和水蒸气表水蒸气表使用过使用过冷水表冷水表使用过热水使用过热水蒸气表蒸气表TS第41页，共76页，编辑于2022年，星期五过程分析过程分析34251TS6T1,p1等压线等压线p21点：过热水蒸汽表得到点：过热水蒸汽表得到H1和和S13点：饱和水蒸汽表得到点：饱和水蒸汽表得到H3和和S377点：饱和水蒸汽表得到点：饱和水蒸汽表得到H7和和S7x2H4=H3+WP第42页，共76页，编辑于2022年，星期五实际的实际的Rankine循环循环34251TS642等熵效率等熵效率：指膨胀做功过程中，不可逆指膨胀做功过程中，不可逆绝热过程的做功量与可逆过绝热过程的做功量与可逆过程的做功量之比。程的做功量之比。2点的焓值，进点的焓值，进一步计算一步计算2点的点的湿度。湿度。第43页，共76页，编辑于2022年，星期五例题例题某某核核动动力力循循环环如如图图所所示示，锅锅炉炉从从核核反反应应堆堆吸吸收收热热量量产产生生压压力力为为6MPa、温温度度为为350的的过过热热蒸蒸汽汽（点点1），过过热热蒸蒸汽汽经经透透平平机机膨膨胀胀做做功功后后于于0.008MPa压压力力下下排排出出（点点2），乏乏气气在在冷冷凝凝器器中中进进行行定定压压放放热热变变为为饱饱和和水水（点点3），然然后后经经泵泵返返回回锅锅炉炉（点点4）完完成成循循环环，已已知知透透平平机机的的额额定定功功率率为为15104kW，透透平平机机等等熵熵效效率率为为0.75，水水泵泵可可以以认认为为是是绝绝热热压压缩缩过程过程锅炉锅炉冷凝器冷凝器水泵水泵透平机透平机4312Q过热器过热器核核反反应应堆堆第44页，共76页，编辑于2022年，星期五例题例题试求：试求：（1）此循环过程中蒸汽的）此循环过程中蒸汽的质量流量；质量流量；（2）透平机出口乏气的湿）透平机出口乏气的湿度；度；（3）循环的热效率；）循环的热效率；350，6MPa3421TS20.008MPa第45页，共76页，编辑于2022年，星期五提高热效率的措施提高热效率的措施1.过过热热蒸蒸汽汽温温度度T升升高高，Q增增大大，但但相相对对来来说说净净功功的的增增加加比比例例更更大大，即即提提高了整个循环的热效率。高了整个循环的热效率。2.T增增大大后后，乏乏气气的的湿湿度度降降低低，有有利利于于透透平平的的安安全运行。全运行。pHpL提高平均吸热温度。可以提高循提高平均吸热温度。可以提高循环的热效率环的热效率WS:面积面积1234561Q1:面积面积12349a1变化后：面积变化后：面积1234756变化后：面积变化后：面积123489aa增加面积增加面积44894第46页，共76页，编辑于2022年，星期五思考题思考题分析其他因素如：过热蒸汽压力、乏气压力分析其他因素如：过热蒸汽压力、乏气压力等对热效率的影响。等对热效率的影响。习题习题4-17计算循环净功、加热量、热效率、计算循环净功、加热量、热效率、汽耗率等。汽耗率等。第47页，共76页，编辑于2022年，星期五8.4制制冷冷循循环环第48页，共76页，编辑于2022年，星期五制制冷冷Tlow100普普通通制制冷冷深深冷冷定义：制冷过程是使物系的温度降到低定义：制冷过程是使物系的温度降到低于周围环境温度的过程。于周围环境温度的过程。第49页，共76页，编辑于2022年，星期五制冷的应用制冷的应用气气体体液液化化制制冷冷低低温温反反应应食食品品储储存存结结晶晶分分离离低温精馏低温精馏气气温温调节调节第50页，共76页，编辑于2022年，星期五制冷过程制冷过程低温低温高温环境高温环境Q第51页，共76页，编辑于2022年，星期五制冷实质制冷实质Q自发自发制冷的实质：消耗外功或热能而实现热由低制冷的实质：消耗外功或热能而实现热由低温传向高温的逆向循环。温传向高温的逆向循环。代价代价(W或者或者Q)第52页，共76页，编辑于2022年，星期五制冷的常见类型制冷的常见类型消耗外功型消耗外功型消耗热能型消耗热能型制制冷冷蒸汽压缩制冷蒸汽压缩制冷空气压缩制冷空气压缩制冷蒸汽喷射制冷蒸汽喷射制冷吸收制冷吸收制冷第53页，共76页，编辑于2022年，星期五Carnot循环循环Q锅炉锅炉W冷凝、冷却器冷凝、冷却器泵泵透平机透平机4312Q2143THTLWTS第54页，共76页，编辑于2022年，星期五逆向逆向Carnot循环循环冷凝、冷却器冷凝、冷却器蒸发器蒸发器压缩机压缩机膨胀机膨胀机12431234Q放放Q吸吸THTLTS第55页，共76页，编辑于2022年，星期五逆向逆向Carnot循环的热和功的计算循环的热和功的计算Qr=TS等温等温Q放放=-TH(S2S3)=-TH(S1S4)（1）Q吸吸=TL(S1S4)（2）U=0(1)(2)W=(THTL)(S1 S4)W=U-Q=0-(Q放放+Q吸吸)T1234SQ放放Q吸吸THTL第56页，共76页，编辑于2022年，星期五逆向逆向Carnot循环特点循环特点=f(TH,TL)与制冷剂无关与制冷剂无关逆向逆向Carnot=max由两个等熵和两个等温由两个等熵和两个等温四个可四个可逆过程组成，是逆过程组成，是理想理想的制冷循环的制冷循环第57页，共76页，编辑于2022年，星期五逆向逆向Carnot循环的缺点循环的缺点12和和34的的过过程程会会形形成成液液滴滴，在在压压缩缩机机和和膨膨胀胀机机的的气气缸缸中中产产生生“液液击击”现现象象，容易容易损损害机器。害机器。实实际际过过程程难难以以接接近近四四个个可可逆逆过过程。程。1234TS第58页，共76页，编辑于2022年，星期五实际的蒸汽压缩制冷循环实际的蒸汽压缩制冷循环5413(饱和饱和l)(湿蒸汽湿蒸汽)(饱和饱和g)(饱和饱和g)等焓线等焓线等压线等压线过热蒸气过热蒸气2蒸发器蒸发器冷凝、冷却器冷凝、冷却器压缩机压缩机1253节流阀节流阀4TS第59页，共76页，编辑于2022年，星期五蒸汽压缩制冷循环温度参数蒸汽压缩制冷循环温度参数TS54123THTLTL：蒸蒸发发温温度度。取取决决于于被被冷物系的温度。冷物系的温度。TH：冷冷凝凝温温度度。取取决决于于冷冷却介质温度。却介质温度。第60页，共76页，编辑于2022年，星期五夏天家用空调工作原理夏天家用空调工作原理第61页，共76页，编辑于2022年，星期五过程分析过程分析5413等焓线等焓线等压线等压线2TSTHTL等熵线等熵线第62页，共76页，编辑于2022年，星期五过程能量参数过程能量参数TS54123循环的制冷系数循环的制冷系数WS压缩机消耗的理论功压缩机消耗的理论功输送单位制冷剂压缩机消耗的功输送单位制冷剂压缩机消耗的功单位制冷量单位制冷量指单位制冷剂在蒸发器中吸收的热指单位制冷剂在蒸发器中吸收的热第63页，共76页，编辑于2022年，星期五例题例题某蒸汽压缩制冷循环装置，采用氨制冷，某蒸汽压缩制冷循环装置，采用氨制冷，蒸发温度为蒸发温度为-20，冷凝温度为，冷凝温度为30，设压缩机作可逆绝热压缩，试求：设压缩机作可逆绝热压缩，试求：（1）在相同工作区间，逆向卡诺循环）在相同工作区间，逆向卡诺循环的制冷系数的制冷系数（2）单位制冷剂压缩机消耗的功；）单位制冷剂压缩机消耗的功；（3）循环的制冷系数。）循环的制冷系数。TS54123第64页，共76页，编辑于2022年，星期五思考题思考题用用lnpH图分析蒸汽压缩制冷循环过图分析蒸汽压缩制冷循环过程。程。对于蒸汽压缩制冷循环过程，制冷系数对于蒸汽压缩制冷循环过程，制冷系数与哪些因素有关？与哪些因素有关？要达到相同的制冷目的，家用冰箱的要达到相同的制冷目的，家用冰箱的制冷系数在冬天大还是夏天大？制冷系数在冬天大还是夏天大？第65页，共76页，编辑于2022年，星期五吸收式制冷循环吸收式制冷循环两种工质：制冷剂和吸收剂，如氨两种工质：制冷剂和吸收剂，如氨-水，溴化锂水，溴化锂-水；水；热能利用系数：热能利用系数：第66页，共76页，编辑于2022年，星期五热热泵泵和制冷循环的热力学原理完全一样；使用目的一和制冷循环的热力学原理完全一样；使用目的一个是供热，而另一个是制冷；个是供热，而另一个是制冷；第67页，共76页，编辑于2022年，星期五8.4.4制冷剂的选择制冷剂的选择第68页，共76页，编辑于2022年，星期五制冷剂的要求制冷剂的要求在指定的温度范围内，操作压力和比容合适；冷凝压力在指定的温度范围内，操作压力和比容合适；冷凝压力不要过高，蒸发压力不要过低，蒸发时比容也不要太大；不要过高，蒸发压力不要过低，蒸发时比容也不要太大；汽化潜热（蒸发焓）要可能地大；汽化潜热（蒸发焓）要可能地大；临界温度高于环境温度，使放热在两相区；凝固温度要临界温度高于环境温度，使放热在两相区；凝固温度要低于下限温度；低于下限温度；传热性能和流动性能要好，即具有高的热导率和低得传热性能和流动性能要好，即具有高的热导率和低得黏度；黏度；要具有化学稳定性；要具有化学稳定性；要环境友好要环境友好第69页，共76页，编辑于2022年，星期五8.5深冷循环与气体液化深冷循环与气体液化第70页，共76页，编辑于2022年，星期五深冷循环的作用在于得到低温液体产深冷循环的作用在于得到低温液体产品，气体既起到制冷剂的作用且本身品，气体既起到制冷剂的作用且本身又是被液化作为产品；又是被液化作为产品；Linde循环循环Claude循环循环第71页，共76页，编辑于2022年，星期五8.6工程工程热热力学在化工中的力学在化工中的应应用用第72页，共76页，编辑于2022年，星期五利用带有膨胀机的装置回收合成氨尾气中的利用带有膨胀机的装置回收合成氨尾气中的氨氨利用驰放气本身的高压，使其在小型膨胀机中获得动能，且通过风机、轴输出外功，消耗掉驰放气本身的能量，获得最大的绝热焓降，驰放气温度下降，气体氨液化被分离出来。即膨胀绝热对外做功，焓值降低，温度下降即膨胀绝热对外做功，焓值降低，温度下降第73页，共76页，编辑于2022年，星期五空气分离空气分离低温空气分离，是先将空气液化，然后经过精馏分离得到N2和O2等纯气体产品。第74页，共76页，编辑于2022年，星期五乙烯、丙烯的深冷分离乙烯、丙烯的深冷分离深冷分离法因利用相对挥发度的不同，在不同的低温条件下采用精馏方法逐步进行裂解气的分离。在高压深冷过程中多采用丙烯乙烯复叠制冷循环，低压深冷过程中多采用丙烯乙烯甲烷复叠式制冷。第75页，共76页，编辑于2022年，星期五热泵在乙烯精馏工艺中的应用热泵在乙烯精馏工艺中的应用热泵与精馏过程结合，热泵与精馏过程结合，（1）闭式热泵：塔内物料与制冷工质是）闭式热泵：塔内物料与制冷工质是分开的，工质是封闭在制冷系统中的；分开的，工质是封闭在制冷系统中的；（2）开式热泵：以塔底物料为介质取消再沸）开式热泵：以塔底物料为介质取消再沸器的过程；以塔顶物料为介质取消塔顶冷器的过程；以塔顶物料为介质取消塔顶冷凝器的过程。凝器的过程。第76页，共76页，编辑于2022年，星期五