2022年2022年工程热力学第三版电子教案第章 4.pdf

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1、第 10 章动力循环及制冷循环101本章基本要求. 101102 例题. 101103 思考及练习题 . 107104自测题. 110名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 15 页 - - - - - - - - - 101 本章基本要求1熟练掌握水蒸气朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径。2熟练空气和蒸汽压缩制冷循环的组成、制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。3了解吸收制冷、蒸汽喷射制冷及热泵的原理。102

2、例题例 1： 某朗肯循环的蒸汽参数取为1t=550C0，1p=30bar，2p=0.05bar 。 试计算 1) 水泵所消耗的功量，2) 汽轮机作功量, 3) 汽轮机出口蒸汽干度, 4) 循环净功， 5) 循环热效率。解：根据蒸汽表或图查得1、2、3、4 各状态点的焓、熵值：1h=3568.6KJ/kg 1s=7.3752kJ/kgK 2h=2236kJ/kg 2s=7.3752kJ/kgK 3h=137.8kJ /kg 3s=0.4762kJ/kgK 4h=140.9kJ/kg 则 1) 水泵所消耗的功量为34hhwp=140.9-137.78=3.1kJ/kg 2) 汽轮机作功量21hhw

3、t=3568.6-2236=1332.6kJ/kg 3) 汽轮机出口蒸汽干度名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 15 页 - - - - - - - - - 2p=0.05bar时的2s=0.4762kJ/kgK 2s=8.3952kJ/kgK. 则2222ssssx0.87 或查 h-s 图可得x=0.87. 4) 循环净功pTwww0=1332.6-3.1=1329.5kJ/kg 5) 循环热效率411hhq =3568.6-140.9=3427.7KJ/

4、kg 故10qwT =0.39=39% （i ）p3a=6.867bar ，t3a=490水泵的功8.0)(12ppvwap =0.001(686.7-9.81) 0.8=0.846kJ/kg wnet=923.57-0.846=922.72kJ/kg (ii) p3b=58.86 bar ，t3b=490水泵的功8.0)(12ppvwbp =0.001(5886-9.81)0.8=7.34 kJ/kg wnet=1057.5-7.34=1050.16 kJ/kg 例 2：在一理想再热循环中，蒸汽在68.67bar 、400下进入高压汽轮机，在膨胀至9.81bar后，将此蒸汽定压下再热至400

5、，然后此蒸汽在低压汽轮机中膨胀至0.0981bar ，对每公斤蒸汽求下列各值：（1）高压和低压汽轮机输出的等熵功；（2）给水泵的等熵压缩功；（3）循环热效率；（4）蒸汽消耗率。解：参考图10.2 理想再热循环的T-s图。sT58.86bar6.867bar12a2b3b3a4s4sbaTs213664名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 15 页 - - - - - - - - - 在状态点3的压力 p3=68.67bar ，温度 t3=400。从水蒸汽表查得h

6、3=3157.26kJ/kgK，s3=6.455kJ/kg K，v3=0.04084m3/kg 。从点 3 等熵膨胀至43，p4=9.81bar ，从 h-s 图查得 h4s=2713.05kJ/kg。在点5 的压力p5=9.81bar ，温度ts=400，从水蒸汽表查得h5=3263.61kJ/kg, v5=0.3126m3/kg 。从点5 等熵膨胀至6s，6s点的压力p6s=0.0981bar ，从h-s图查得h6s=2369.76kJ/kg。在状态点1，压力p1=0.0981bar ，液体的焓h1=190.29kJ/kg，液体的比容v1=0.001m3/kg 。（1）高压汽轮机输出的等熵

7、功；wt(h)=h3-h4s=3157.26-2713.05=444.21 kJ/kg 低压汽轮机的输出功：wt(L)=hs-h6s=3263.61-2369.76=893.88 kJ/kg (2) 假设液体的比容保持常数，给水泵的等熵压缩功为：wp=v(p2s-p1)=0.001(6867-9.81)=6.857kJ/kg (3) 循环的热效率：%9.37379.056.5501 .2960857.688.89321.444)()()()()(4533126543sssssthhhhhhhhhhh（4）蒸汽耗率70.222.133136003600netwkg/kWh 4 点的状态参数p4=

8、37.278bar ，t4=400，从水蒸汽表查得h4=3215.46kJ/kg。显然，由于汽轮机背压p2的提高使背压式蒸汽发电厂的循环热效率低于凝汽式蒸汽发电厂的循环热效率。但从能量利用的角度来看，背压循环的“能量利用系数”K又比凝汽图 10.1 朗肯循环的T-s图图 10.2 理想再热循环的T-s图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 15 页 - - - - - - - - - 循环高。工质从热源得到的能量已被利用的能量K凝汽循环409.01qwK背压循环

9、（理想情况下）112qqwK实际上由于各种热损失和电、热负荷之间的不协调，一般K=0.7 左右。例 3：某蒸汽动力循环。汽轮机进口蒸汽参数为p1=13.5bar ，t1=370, 汽轮机出口蒸汽参数为p2=0.08bar的干饱和蒸汽，设环境温度t0=20, 试求： （1）汽轮机的实际功量、理想功量、相对内效率；（2）汽轮机的最大有用功量、熵效率；（3）汽轮机的相对内效率和熵效率的比较。解：先将所研究的循环表示在h-s 图（图 10.3 ）上，然后根据已知参数在水蒸气图表上查出有关参数：h1=3194.7kJ/kg s1=7.2244kJ/(kgK) 1.2577222hhh kJ/kg 229

10、5.8222sss kJ/(kgK) 9.1732h kJ/kg 5926.02s kJ/(kgK) kgkJhhxhh/9.2259)9 .17325771(8684.09 .173)(22222(1) 汽轮机的实际功量w12=h1-h2=3194.7-2577.1=617.6 kJ/kg 8684.05926.02295.85926.02244.722222ssssxshh1rP11212h-hrh1-1hrhsr1-s图 10.3 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第

11、 5 页，共 15 页 - - - - - - - - - 汽轮机的理想功量8.9349.22597.31942121hhw kJ/kg 汽轮机的相对内效率661.08.9346.6172112wwri（2）汽轮机的最大有用功和熵效率汽轮机的最大有用功kgkJsThsTheewxxn/1.912)2295.22931.2577()2244.72937 .3194()()(20210131max汽轮机的熵效率677.01 .9126.617max123nxww（3）汽轮机的相对内效率和熵效率的比较计算结果表明，汽轮机的对内效率ri小于熵效率exo。因为这两个效率没有直接联系，它们表明汽轮机完善性

12、的依据是不同的。汽轮机的相对内效率ri是衡量汽轮机在给定环境中，工质从状态可逆绝热地过渡到状态 2 所完成的最大有用功量（即两状态熵的差值）利用的程度， 即实际作功量与最大有用功量的比值。由图 10.3 可见，汽轮机内工质实现的不可逆过程1-2 ，可由定熵过程1-2 和可逆的定压定温加热过程2-2 两个过程来实现。定熵过程1-2 的作功量为8 .9342121hhwkJ/kg 在可逆的定压定温加热过程2 -2 中，使 x2=0.8684 的湿蒸汽经加热变为相同压力下的干饱和蒸汽，其所需热量为q2=h2-h2。因为加热过程是可逆的，故可以想象用一可逆热泵从环境（T0=293K）向干饱和蒸汽（T2

13、=314.7K ）放热。热泵消耗的功量为w2 2=q2-T07 .22)()(2202222ssThhTqkJ/kg 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 15 页 - - - - - - - - - 故 1-2 过程的最大有用功为1.9127 .228 .9342221max?wwwnkJ/kg 与前面计算结果相同。显见，ri与ex的差别为2112wwri而222112max12?wwwwwnex例 4一理想蒸汽压缩制冷系统，制冷量为20 冷吨，以氟利昂22

14、 为制冷剂，冷凝温度为 30，蒸发温度为 -30 。求：（1） 1 公斤工质的制冷量q0;(2) 循环制冷量； （3）消耗的功率；（4）循环制冷系数；（5）冷凝器的热负荷。解参考图 10.4 所示：（1）1 公斤工质的制冷量q0 从 1gp-h 图查得： h1=147kcal/kg,h5=109kcal/kg, q0=h1-h5=147-109=38 kcal/kg 该装置产生的制冷量为20 冷吨（我国1 冷吨等于3300kcal/h ）(2) 循环制冷的剂量m (a) (b) 图 10.4 hlgp蒸发器电动机冷凝器124512345s=0名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - -

15、 - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 15 页 - - - - - - - - - 38330020)(05100mmqhhmmqQ8.173638330020mkg/h (3) 压缩机所消耗的功及功率5.111475 .15812hhwkcal/kg 2.199735.118.1736mwWkcal/h 22.238602 .19973thN kW (4) 循环制冷系数3 .35 .113800wqWQ（5）冷凝器热负荷QK因 h4=hs,Qk=mqk=m(h2-h4)=1736.8(158.5-109)=85

16、971.6 kcal/h103 思考及练习题1各种气体动力循环和蒸汽动力循环，经过理想化以后可按可逆循环进行计算，但所得理论热效率即使在温度范围相同的条件下也并不相等。这和卡诺定理有矛盾吗。2能否在蒸汽动力循环中将全部蒸汽抽出来用于回热( 这样就可以取消凝汽器，从而提高热效率， 能否不让乏汽凝结放出热量，而用压缩机将乏汽直接压入锅炉，从而减少热能损失 , 提高热效率。3采用加热和再热的目的是什么？为什么在相同的温度范围内，回热循环的热效率高于朗肯循环的热效率？（用T-S图说明）。4分析动力循环经济性的方法有哪几种？各有何特点？5蒸汽动力循环热效率低的主要原因是什么？如何提高热能的利用率？采用热

17、电循环热效率是提高了还是降低了？6由于冷凝器作用，蒸汽排汽温度已接近自然环境温度，即已充分利用了可能达到名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 15 页 - - - - - - - - - 的冷源温度，为什么说大量热量损失到外界去了？7能否在蒸汽动力装置中将全部蒸汽抽出来用于回热。（这样就可取消冷凝器）从而提高热效率？能否不让乏汽凝结放热，而用压缩机直接将乏汽压入锅炉，从而节约热能，提高热效率？8能量利用系数说明了全部能量利用的程度，为什么又说不能完善地说明循环的

18、经济性呢？9在蒸汽的朗肯循环中，如何理解热力学第一、二定律的指导作用？10既然卡诺循环在一定温限中热效率最高，为什么理论蒸汽动力循环不采用卡诺循环，而采用朗肯循环？11将朗肯循环表示在p-v、T-S、h-s上，并说明采用过热蒸汽的原因。12提高朗肯循环热效率有哪些主要途径？利用T-S图和h-s图说明。13空气压缩制冷循环中，循环增压比p2/p1越小，制冷系数是越大还是越小？增压比减小，循环的制冷量如何变化？（在T-S 图上分析）。14 如图（10.5 ） ， 设想蒸汽压缩制冷循环按12341运行，循环净功未变，仍等于h4-h2，而从冷源吸取的热量从h3-h2，增加到h2-h2，这显然是有利的。

19、这种考虑对吗？15试述实际采用的各种制冷装置循环与逆卡诺循环的主要差异是什么？16为什么有的制冷循环中采用膨胀机，有的则代而采用节流阀？空气压缩制冷能否采用节流阀？17热泵供热循环与制冷循环有何异同？18在蒸汽制冷中对制冷剂有何基本要求？一般常用的制冷剂有哪几种？19在一回热循环中，进入汽轮机的蒸汽为37.278bar 、 400，离开汽轮机为0.0981bar 、 在膨胀至3.924bar后， 从汽轮机抽出一些蒸汽对来自凝汽器的给水加热，流体离开加热器时为3.924bar的饱和水。假设膨胀和压缩都是等熵，求循环的热效率。2T34s21图 10.5 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

20、 - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 15 页 - - - - - - - - - 20某核动力循环。锅炉从t1=320的核反应堆吸入热量Q1产生压力为72bar 的干饱和蒸汽（点1），水蒸气经汽轮机作功后在0.08bar压力下排出（点2），乏汽在冷凝器中向t0=20的环境定压放热后变为40的过冷水（点3），最后过冷水经泵送回锅炉（点4）完成循环。已知该厂的额定功率为750000kW,汽轮机的相对内效率ri=0.7 ，泵效率p=0.8 。试求 : 蒸汽的质量流量，并对该循环进行热力学分析。21 一空气致冷

21、装置， 如图 10.7 所示。空气进入压缩机的温度t1=-18 、 压力 p1=1bar ，绝热压缩到p2=5.5bar ，经由冷却器放热后，温度t3=15，求循环致冷系数。22某空气致冷装置。冷藏室的温度保持-8，大气环境温度为25。已知致冷量Q0=100000kJ/h 。求：（ 1）该致冷装置循环致冷系数可能达到的最大值；（2）该装置必须消耗的最小功率；（3）每小时传给大气环境的热量。（1）max=c=8.030; (2)Nmin=3.46kW； （3）Q1=112456 kJ/h ）23某空气致冷装置。空气进入膨胀机的温度t3=20、压力p3=6bar绝热膨胀到pt=1bar ，经由冷藏

22、室吸热后，温度t1=-10 。试求：（1）膨胀机出口温度；（2）压缩机出口温度；（3）1kg 空气的吸热量； （4）1kg 空气传给大气环境的热量；（ 5）循环消耗净功量；（6）循环致冷系数； （7） 同温度范围内逆向卡诺循环的致冷系数。（ 1）t4=-97.4 ；（ 2）t2=165.8 ； (3)q2=87.7kJ/kg；(7) c=8.767 ）。24某空气致冷装置。空气进入压缩机的压力p1=1bar ，绝热压缩到p2=5bar, 经由冷却器放热后，温度t3=30。已知冷藏室的温度为-5 ，求：（ 1）膨胀机出口温度；图 10.6图 10.7sT121234561kgmkg(1-m)kg

23、sT12T T 1234名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 15 页 - - - - - - - - - （2）1kg 空气的吸热量；（3）1kg 空气的放热量；（4）循环净耗功量；（5）循环致冷系数；（ 6）同温度范围内逆向卡诺循环的致冷系数；（7）若冷藏室温度为0时，循环净耗功量。（1）t3=-81.7 ；(2)q2=77.0kJ/kg；(3)q1=122.0kJ/kg ；（ 4）=45.0kJ/kg ；（ 5） =1.711 ；（ 6）c=7.657

24、；（ 7）W=48.0kJ/kg ）。25 一 空 气 制 冷 装 置 的 制 冷 量Q0=836400kJ/h 。 空 气 压 缩 机 吸 入 空 气 的 压 力p1=0.981bar ，温度 t1=-10 ，经压缩后空气的压力p2=0.981bar ，温度 t1=-10 , 经压缩后空气的压力p2=3.924bar ，空气进入膨胀机的温度为20。求：（ 1）电动机、压气机、膨胀机的功率；（2）装置的制冷系数；（3）空气的质量流量；（4）传给冷却水的热量。26 空 气 制 冷 装 置 的 制 冷 量Q0=83736kJ/h ， 已 知 制冷装置中空气的最高压力p2=4.905bar ，最低压

25、力p1=1.076bar 。开始压缩时空气温度t1=0, 由冷却器出来时的温度t3=20。如空气被压缩和膨胀时的多变指数n=1.28 ，求：（ 1）装置的制冷系数；（ 2）原动机的理论功率。27一空气制冷系统产生10 冷吨的冷量，它由离心式压缩机、冷却器和空气涡轮机所组成，此涡轮与压缩机直接连接，其压缩和膨胀过程都遵循不可逆的绝热过程pvn=C，压缩过程n=1.6 ，膨胀时n=1.3 ，压缩机进口压力p1=0.8276bar ，温度 t1=21, 涡轮进口压力p3=1.45bar 、温度 t3=38，为一稳定流动过程，忽略动能的变化。试画出流体流动的过程图和T-S 图，并求：（ 1）压缩终了的

26、温度t2；（2）膨胀终了的温度 t4；（ 3）空气的流量；（4）净功率；（5）制冷系数。104 自测题一、是非题1空气压缩式致冷循环中，循环压力比12/ pp越大，则致冷系数就越大。（）2过冷温度越大，蒸气压缩致冷系数就越小。（）3和朗肯循环相比，抽汽回热循环提高了循环的热效率，因而每 kg 蒸汽作出的功量也增大。（）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 15 页 - - - - - - - - - 4采用热电循环的目的，主要在于提高热力循环的热效率。( )

27、5 在环境温度与冷库温度不变的情况下，在空气压缩制冷循环中，循环压力比2p/1p越小，则每kg 工质的制冷量越大。（）6蒸汽喷射致冷循环在实用上得不到低于0的冷量。 ( ) 7吸收式致冷循环中，必须采用高温高压的蒸汽作为热源。（）8. 热循环的主要目的是提高蒸汽轮机尾部排气干度。 ( ) 9蒸汽压缩致冷循环中，致冷剂液体的比热越小，那么节流过程引起的损失就越小。（）10蒸汽动力装置中凝汽排出的热量较多，因此其可用能损失也大。( ) 二、选择题1如图，热泵循环，供热量为- （A）51hh（B）42hh（C）32hh（D）12hh2热泵的供热系数等于5，则该热泵作为致冷机用时，其致冷系数等于- (

28、A) 6 (B) 5 (C) 4 (D) 3 3采用热电循环的目的是- (A) 提高热力循环的热效率 (B)降低单位功率的燃料耗量(C) 提高热能利用率 (D)提高排气干度4抽汽回热循环改善了朗肯循环，其根本原因在于- (A) 单位质量水蒸汽作功能力增加了 (B) 乏汽的热能得到充分利用(C) 提高了平均吸热温度 D ）提高平均吸热温度的同时降低了放热温度。5采用蒸汽再热循环的目的在于- （A）降低乏汽干度，提高循环热效率（B）提高平均吸热温度，提高循环热效率（C）提高蒸汽温度，提高循环热效率（D）提高蒸汽温度，提高功率6抽汽式热电循环的结果是- 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

29、- - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 15 页 - - - - - - - - - （A）提高循环热效率，提高热能利用率（B）提高循环热效率，降低热能利用率（C）降低循环热效率，提高热能利用率（D）降低循环热效率，降低热能利用率7朗肯循环热效率不高的主要原因- （A）新蒸汽的温度不高（B）排气温度高于环境温度（C）凝汽器中被冷却水带走的热量较大（D）设备散热损失较大8影响蒸汽压缩制冷循环制冷系数的主要因素是- （A）制冷剂的性质（B）冷凝温度与蒸发温度（C）制冷剂的流量（D）制冷过程中的不可逆损失三、填空

30、题1理论空气压缩制冷循环有-、-、-、-，四个过程组成。2理论蒸汽压缩制冷循环有-、-、-、-，四个过程组成。3提高蒸汽压缩致冷循环工作系数，可以采用-、 -和-等措施。4朗肯循环由-、-、 -、-，四个理想热力过程组成。5热电循环的两种方式-、-。6蒸汽喷射制冷循环的经济性用-来衡量，即 - 7热电循环热能利用率K=-，调节抽汽式热电循环K=- 8 由于空气压缩循环不易实现-， 同时空气的 -值低，所以制冷系数低，单位质量的制冷能力小9吸收式制冷装置与蒸汽压缩制冷装置差别在于采用-代替压缩机，通常使用 -作能源。10 空气压缩循环中绝热膨胀过程是通过-设备来完成的, 而没有采用名师资料总结

31、- - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 15 页 - - - - - - - - - 蒸汽压缩致冷中的-装置，这是因为- 11 蒸 汽 压 缩 致 冷装置是由-、 -、 -和-等设备构成的，空气压缩致冷装置没有-和 -设备，而以 -， -和-所代替。12空气压缩致冷循环中，为获得较低的致冷温度，则需要有较-的压力比，其关系式为 -。致冷温度越低，则制冷系数越-，其关系式 - 13调节抽气式热电循环的高压部分实质上是一个-循环，其低压段部分实质上是一个-循环，所以它的热能利用率

32、比-小，而比-大 . 14朗肯循环中， 蒸汽在汽轮机中绝热膨胀所作的功，比凝结水在给水泵中绝热压缩所耗的功要 -，这是因为 -的缘故。四、计算题1两次再热循环，如图 T-S 图所示， 试画出其工作原理图，注明各位置的符号, 并列出该循环的热效率公式2某蒸汽动力装置采用二次抽汽回热，已知新蒸汽参数1p=140bar, 1t=550，第一次抽汽压力为20bar ，第二次抽汽压力为1.6bar ，排汽压力为0.05bar ，问抽汽回热循环的热效率比朗肯循环的热效率提高了多少?( 用 h-s 图 ) 3氨蒸汽压缩致冷循环用于冬季供热，冷凝器压力为16bar ，蒸发器中的压力3bar, 若压气机所耗功率

33、为8KW ，求 (a) 氨的流量 , (b)供热量 , (c)供热系数 , (d)若用电能直接供热 , 求所需功率4某蒸汽压缩致冷循环，在压缩机进口参数不变的情况下, 若提高压缩机出口压力,使消耗功增加5% ，且仍保持原来致冷系数的值，问制冷量将变化多少?要实现上述目名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 15 页 - - - - - - - - - 的，则该循环应采用什么措施?将改变后的致冷循环画在同一张lgp-h图上 .( 不得使用 lgp-h图) 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 15 页 - - - - - - - - -