第五章%20%20蒸汽动力循环与制冷循环[1].ppt

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1、第五章蒸汽动力循环与制冷循环n 目的：研 究 循 环 中 热、功 转 换 的 效 果 及 其 影 响因素，探求提高能量转换效果的途径。n 内容：1.讨 论 蒸 汽 动 力 循 环 的 热 效 率、循 环 功 以 及 循环中各过程工质状态函数的变化 2.制 冷 循 环 与 获 得 低 于 环 境 温 度 的 操 作 过 程 的热力学分析 3.深冷原理与过程的热力学分析 n 要求：掌 握 工 作 原 理、工 质 状 态 变 化、能 量 转换计算、能量转换效果热力学分析第五章蒸汽动力循环与制冷循环n 5.1 蒸汽动力循环 n 5.2 制冷循环n 5.3 气体的压缩n 5.4 膨胀过程n 5.5 深度

2、冷冻循环 第五章蒸汽动力循环与制冷循环n 5.1 蒸汽动力循环 n 5.2 制冷循环n 5.3 气体的压缩n 5.4 膨胀过程n 5.5 深度冷冻循环 5.1 蒸汽动力循环n 1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 n 2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图 n 3）朗肯循环 n 4）提高朗肯循环热效率的措施 n 5）应用举例 5.1 蒸汽动力循环n 1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 n 2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图 n 3）朗肯循环 n 4）提高朗肯循环热效率的措施 n 5）应用举例 5.1 蒸汽动力循环n 1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 n 蒸汽动力循环：以水蒸汽为工质，将热能连续不断转换成机械能

3、的热力循环。n 高温向低温传热是自发过程，是产功过程，正向卡诺循环是由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成的，用T-S图表为 5.1 蒸汽动力循环n 1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 n 正向卡诺循环：n 工质吸热温度大于工质排热温度n 正向卡诺循环是动力循环，是最理想的情况，因为它产功最大。5.1 蒸汽动力循环n 1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 n 卡诺循环产功最大，但实际上很难实现，问题在于：n 湿蒸汽对汽轮机和水泵有侵蚀作用，汽轮机带水量不能超过10%，水泵不能带入蒸汽进泵；n 绝热可逆过程实际难以实现。5.1 蒸汽动力循环n 1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 n 2）蒸汽动力循环工作原理

4、及T-S图 n 3）朗肯循环 n 4）提高朗肯循环热效率的措施 n 5）应用举例 5.1 蒸汽动力循环n 2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图n 蒸汽动力循环的主要设备有：气轮机（透平机turbine）、冷凝器、水泵、锅炉四部分，工作介质一般为水。5.1 蒸汽动力循环n 2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图n P1、T1的高温高压蒸汽进入透平机等熵膨胀到状态2，对外作功，2点状态为乏汽，从透平机流出进入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潜热QL，而变为该压力下的饱和水，放出的热量QL由冷却水带走，达到状态3，饱和水经水泵升压到P1进入锅炉，锅炉吸收热量QH，使工质变化到状态1，完成一个循环。5.1 蒸

5、汽动力循环n 1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 n 2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图 n 3）朗肯循环 n 4）提高朗肯循环热效率的措施 n 5）应用举例 5.1 蒸汽动力循环n 3）朗肯循环 Rankinen 朗肯循环的原理：也是由四个部分组成5.1 蒸汽动力循环n 3）朗肯循环 n 朗肯循环的过程为：n 1-2：对应于汽轮机n 2-3：冷凝器中进行，在冷凝器里，冷却水把工质的热量带走，使其由气体转变为液体n 3-4：水泵进行n 4-1：锅炉进行，水在锅炉中恒压加热 5.1 蒸汽动力循环n 朗肯循环过程热力学计算 n 工质在锅炉中的吸热量n 工质在冷凝器中排放的热量KJ/Kg KJ/Kg 5

6、.1 蒸汽动力循环n n 汽轮机中工质的 单位产功量KJ/Kg 5.1 蒸汽动力循环n 水泵中工质的单位耗功量KJ/Kg 由 于 液 态 水 的 不 可 压 缩 性，水 泵 中 工 质 的 耗 功 量 可 按下式进行计算5.1 蒸汽动力循环n 热效率n 定义：锅炉中所给的热量中转化为净功的量。5.1 蒸汽动力循环n 气耗率n 定义：输出1kwh的净功所消耗的蒸汽量n ssc（specific steam consumption）。n SSC的大小是用来比较装置相对尺寸大小和过程经济性。Ssc越大，越不经济。Kg/kw.h5.1 蒸汽动力循环n（7）等熵效率n 因为汽轮机在实际运动过程中有摩擦，

7、因而沿着熵增大的方向进行，即从2变为2，这就出现了等熵效率问题。n 等熵效率：5.1 蒸汽动力循环n（7）等熵效率5.1 蒸汽动力循环n 1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 n 2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图 n 3）朗肯循环 n 4）提高朗肯循环热效率的措施 n 5）应用举例 5.1 蒸汽动力循环n 4）提高朗肯循环热效率的措施 n 要提高朗肯循环的热效率，首先必须找出影响热效率的主要因素，从热效率的定义来看n 对卡诺循环n 对朗肯循环 5.1 蒸汽动力循环n 4）提高朗肯循环热效率 的措施 n 提高热效率n H2降低，H2一般受压力P2及对应压力下的饱和温度的限制，一般以大气温度为极限，t

8、2不可能小于大气温度，况且，当P2一定，H2也就一定了。5.1 蒸汽动力循环n 4）提高朗肯循环热效率 的措施 n H1升高，因为水不可压缩耗功很少，一般可忽略不计，所以n 但H1增加，必须使P1、t1增加，P1太大会使设备的强度出现问题，从而使制造成本增加，提高效率的收益，并不一定能弥补成本提高的花费。5.1 蒸汽动力循环n 4）提高朗肯循环热效率的措施 n 卡诺循环要求等温吸热和等温放热以及等熵膨胀和等熵压缩。在朗肯循环中，等温放热、等熵膨胀和等熵压缩这三各过程基本上能够与卡诺循环相符合，差别最大的过程是吸热过程。现在主要问题是如何能使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率。显然改造不等温吸

9、热是提高热效率的关键，由此提出了蒸汽的再热循环和回热循环。5.1 蒸汽动力循环n 4）提高朗肯循环热效率的措施 n 再热循环 n 使高压的过热蒸汽先在高压汽轮机中膨胀到某一中间压力，然后全部引入到锅炉中特设的再热器进行加热，蒸汽温度升高后再进入低压汽轮机膨胀到一定的排气压力。这样就可以避免乏汽湿含量过高的缺点。5.1 蒸汽动力循环n 4）提高朗肯循环热效率的措施 n 再热循环的热效率 5.1 蒸汽动力循环n 4）提高朗肯循环热效率的措施 n 回 热 循 环：利用蒸汽的热来加热锅炉给水，这样就大大减少了温差传热不可逆因素，从而使热效率提高，使该循环向卡诺循环靠近了一步。5.1 蒸汽动力循环n 4

10、）提高朗肯循环热效率的措施 n 在回热加热器中抽出的蒸汽与经过冷凝压缩后的乏汽进行热量交换，从而提高了吸热温度，使热效率升高。5.1 蒸汽动力循环n 5）应用举例n P143 例4-9（重点）n P143 例4-10（第一问，第二问自学）第五章蒸汽动力循环与制冷循环n 5.1 蒸汽动力循环 n 5.2 制冷循环n 5.3 气体的压缩n 5.4 膨胀过程n 5.5 深度冷冻循环 5.2 制冷循环n 化工生产中常常需要将物系的温度降低到大气环境的温度，如：合成氨生产分离合成气中氨需要-30，气体分离液化空气需要-100以下的低温，在有机化工生产中，轻烃组分的分离都需要低温。在日常生活中，我们也经常

11、遇到冷冻现象或制冷现象，如：空调机调温，电冰箱保存食物等。5.2 制冷循环n 冷冻温度高于-100称为普通冷冻 低于-100 称为深度冷冻 n 要将物质冷却到大气环境温度以下，必须从被冷却物系取走能量，通常是以热的形式取出并排入大气或冷却水。因此，冷冻过程实质上是由低温物系向高温物系传热的过程，要用逆卡诺循环来达到制冷的目的。5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 3）制冷剂的选择与载冷体的选用 n 4）多级压缩制冷和复迭式制冷 n 5）吸收式制冷 n 6)热泵5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 低温向高温放热这一过程是非自发过程，是耗功过

12、程，必须给它能量才能实现。n 制冷循环就是消耗外功或热能而实现热由低温传向高温的逆向循环。n 理想的冷冻机是由两个等温过程和两个绝热过程构成的循环 n 逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度 5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 逆向卡诺循环的过程12 绝热可逆压缩 23 等温冷凝过程34 绝热可逆膨胀 41 等温蒸发过程5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 热力计算n 介质吸热量n 放给环境的热量5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 耗功量n 由热力学第一定律得5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 制冷系数（效率）n 制冷的技术经济指标

13、（消耗单位功所获得的冷量）5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 即：理想制冷系数T2制冷剂（循环工作介质）在高温放热温度T1制冷剂在低温吸热温度5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 逆向卡诺循环是制冷循环最理想的情况，因为它耗功最小，但实际过程的耗功量都大于逆向卡诺循环，工业上现在广泛应用的是蒸汽压缩制冷循环。5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 3）制冷剂的选择与载冷体的选用 n 4）多级压缩制冷和复迭式制冷 n 5）吸收式制冷n 6)热泵5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 工作原理及T-S 图 n 蒸汽压缩制冷循

14、环的主要设备有：压缩机、冷凝器、膨胀机、蒸发器四部分 5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 实际压缩制冷循环就其循环所需要的设备来说，完全与卡诺压缩制冷循环相同，关键在于循环的过程中，每一步都是不可逆的，它与卡诺压缩制冷循环的不同表现在五个方面：5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 制冷剂进压缩机时的状态不同：卡诺压缩制冷循环为湿气，实际压缩制冷循环为干气；n 压缩过程不同：卡诺压缩循环为等熵过程，实际压缩制冷循环若忽略掉热损失，可视为不可逆绝热过程；因为压缩机在运动中总是有摩擦的，因而是沿着熵增大的方向进行，这就出现了等熵效率问题 5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环 n

15、 冷凝过程不同：卡诺制冷为等温过程，实际制冷为不可逆过程，沿着等压线变化；n 制冷剂离开冷凝器时状态不同：卡诺制冷为饱和液体，实际制冷为过冷液体；n 膨胀过程不同：卡诺制冷为等熵过程，实际制冷为等焓过程 5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环 5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 对于实际压缩制冷循环，过程如下所述：n 1-2对应于压缩机，如冰机、氨压机、制冷机；n 2-4冷凝器进行，在冷凝器里，冷却剂把工质的热量带走，使其由高压气体变为高压液体；n 4-5在节流阀内进行；n 5-1蒸发器内进行。5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 压缩制冷过程的热力学计算 n 单位冷冻量：

16、1Kg制冷剂在循环过程中所提供的冷量 KJ/Kg 5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 冷凝器的单位热负荷n 单位耗功量 KJ/Kg KJ/Kg 5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环n 制冷系数n 冰机的制冷能力（一般冰机能提供多少冷冻能力，铭牌上都有注释）KJ/h 5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环n G为制冷剂循环量。有时候制冷能力不是以KJ/h给出的，而是用冷冻吨，所谓冷冻吨就是：1冷冻吨=每天将273.16K的1吨水凝结为同温度的冰所需要移走的热量。由于1Kg水凝结为冰要放出334.5KJ的热量，所以 n 1冷冻吨=5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环n 制冷剂循

17、环量 n 冷凝器的热负荷 Kg/h KJ/h QH是设计冷凝器的基本依据。5.2 制冷循环n 2）蒸汽压缩制冷循环n 压缩机的轴功率 KW 5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 3）制冷剂的选择与载冷体的选用 n 4）多级压缩制冷和复迭式制冷 n 5）吸收式制冷n 6)热泵5.2 制冷循环n 3）制冷剂的选择与载冷体的选用 n 能够作为制冷剂的物质很多，当确定了工艺条件后，就要选择合适的物质作为制冷剂，要求所选的制冷剂要安全、节省、又能满足工艺要求.n 选择原则详见课本166页。5.2 制冷循环n 3）制冷剂的选择与载冷体的选用 n 常用制冷剂 氨R71

18、7、R-11（CCl2F2)R-13（CClF3）、R-22（CHClF2）R-113（C2Cl3F3）、R-124（C2H3ClF2）甲烷R-50、乙烷R-170、乙烯R-1150n 工业上一般选用冷冻盐水5.2 制冷循环n 3）制冷剂的选择与载冷体的选用 n 上边介绍的是一级压缩制冷循环，在工业生产中，有时需要更低的蒸发温度，这样冷凝温度和蒸发温度之差就会比较大，高低温差大就需要较高的压缩比，压缩比过大将会导致出口温度过高，蒸汽温度过高就会引起制冷剂的分解（如氨在120 以上就会分解），在这种情况下，单级压缩不但不经济，甚至是不可能的，因此就必须采取措施进行改进。最好的办法就是采用多级压缩

19、和级间冷却，这样不但可以降低功率消耗，而且还可以提供不同的制冷温度。5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 3）制冷剂的选择与载冷体的选用 n 4）多级压缩制冷和复迭式制冷 n 5）吸收式制冷 n 6)热泵5.2 制冷循环n 4）多级压缩制冷和复迭式制冷 n 在氨制冷机中，一般蒸发温度低于-30 时，采用两级压缩；低于-45 时，采用三级压缩。5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 3）制冷剂的选择与载冷体的选用 n 4）多级压缩制冷和复迭式制冷 n 5）吸收式制冷 n 6)热泵5.2 制冷循环n 5）吸收式制冷 n

20、所谓吸收式制冷，不消耗机械功，靠消耗低温位的热能，使低压气变为高压气，以达到制冷目的。5.2 制冷循环n 5）吸收式制冷 n 由蒸发器出来的低压氨气（通常含有少量水分），送入吸收塔，被塔顶喷下的稀氨水吸收，变为浓氨水，先经泵加压，再经换热器升温，最后送进解吸器，在其中汽化。解吸器实际是一分馏设备。由于氨比水容易汽化，因此从解析器顶部出来的是高压浓氨气，由底部出来的是高压稀氨水。浓氨气送入冷凝器，用天然水将其冷凝后，节流送向蒸发器制冷。解吸器底部出来的稀氨水先经换热器冷却，再经降压后送入吸收塔吸收氨气用。由于氨溶于稀氨水是吸热过程，因此要往解吸器中通入蒸汽进行加热 5.2 制冷循环n 5）吸收式

21、制冷 n 将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相比较，其不同点在于：n 蒸汽压缩循环的压缩机消耗机械功；吸收式制冷循环的吸收塔、解吸塔、换热器、泵消耗热能。5.2 制冷循环n 5）吸收式制冷n 用于评价吸收式制冷循环的经济指标是热力系数（能量利用系数）5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 3）制冷剂的选择与载冷体的选用 n 4）多级压缩制冷和复迭式制冷 n 5）吸收式制冷 n 6)热泵5.2 制冷循环n 1）制冷循环-逆向卡诺循环 n 2）蒸汽压缩制冷循环 n 3）制冷剂的选择与载冷体的选用 n 4）多级压缩制冷和复迭式制冷 n 5）吸收式制冷 n 6)热泵5.2 制冷循环6)热泵 HEAT PUMP 工作目的是供热，即从自然环境或低温余热中吸取热量并将他传送到需要的高温空间中。热泵的供热量正是从低温热源吸取的热量和消耗的机械功之和，从而有效地利用低品位的热能。5.2 制冷循环6)热泵 热泵供热系数（性能指标）热泵是一种比较合理的供热装置工业热泵主要用于生产过程的废热回收。