化工热力学第六章-蒸汽动力循环和制冷循环解读课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第七章,蒸汽动力循环,和制冷循环,2024/11/27,第七章内容,7.1,蒸汽动力循环,7.1.1,Rankine,(,朗肯,),循环,7.1.2,Rankine,循环的改进,7.2,气体绝热膨胀制冷原理,7.2.1,节流膨胀,7.2.2,对外作功的绝热膨胀,7.3,制冷循环,7.3.1,蒸汽压缩制冷循环,7.3.2,吸收制冷循环,工作原理,循环中工质状态变化,能量转换计算,循环过程热力学分析,2024/11/27,前言,循环：,体系从初态开始，经历一系列的中间状态，又重新回到初态，此封闭的热力学过程称为循环。,蒸汽动力循环：,是以水蒸汽为工质，将,热连续地转变成功,的过程，其主要设备是各种热机。,产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂,冷冻循环：,是将热连续地由低温处输送到高温处的过程，其主要设备是热泵。,耗功的过程。,-100,以上为普冷，,-100,以下为深冷。,2024/11/27,前言,如何将,1atm,300atm?,需要压缩机，消耗动力。,中国,60,年代，,15001800,度,电,/,吨,NH,3,。,中国,70,年代，仅,1030,度电,/,吨,NH,3,。,这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。,蒸汽动力循环的作用：,电,高温热源,废热锅炉，产生,高压蒸汽,压缩机 (氢循环压缩机),透平机,2024/11/27,流体通过压缩机、膨胀机,7.1,蒸汽动力循环,稳定流动体系的热力学第一定理：,u,2,0,，,g,Z,0,，,若绝热过程,Q,=0,W,s,=,H= H,2,-H,1,高压高温,蒸汽带动透平产生,轴功,。,（流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量，称为,轴功,Ws,。,）,2024/11/27,锅炉,透平机,水泵,冷凝器,过热器,2,3,4,1,7.1,蒸汽动力循环,3,4,水在水泵中被压缩升压。,4,1,进入锅炉被加热汽化，直至成为,过热蒸汽,后。,1,2,进入透平机膨胀作功。,2,3,作功后的低压,湿,蒸汽进入冷凝器被冷凝成,水,，再回到水泵中，完成一个循环。,蒸汽动力循环原理,蒸汽动力循环,主要由,水泵,、,锅炉,、,透平机,和,冷凝器,组成。,2024/11/27,锅炉,水泵,冷凝器,透平机,2,4,1,3,原理,水压缩,水加热至,过热蒸汽,蒸汽作功,蒸汽冷凝,成,水,理想,Rankine,循环,1,2,3,T,S,4,等,S,膨胀,等,S,压缩,等压吸热,相变,3,4,饱和水,可逆绝热压缩过程。,（等,S,）,4,1,高压水,等压升温和汽化，等压吸热过程,1,2,过热蒸汽,可逆绝热膨胀过程。,（等,S,）,2,3,湿蒸汽,等压等温可逆冷却为,饱和水,（相变）。,7.1.1,Rankine,(,朗肯,),循环,2024/11/27,卡诺循环的缺点,T,S,锅炉加热,4,1,2,3,透平机后的乏气,汽,+,液,汽,+,液,泵,冷凝器,透平机,缺点之二,:,对于泵易产生气缚,现象,缺点之一,:,透平机要求干度,X0. 9,但,2,点的,X0,经节流膨胀后，气体温度降低。（,冷效应,）,0,的气体,如,N,2,。,3) H,2,和,He,等气体在常温下,J-T,0,转化曲线,J-T,=0,2024/11/27,1,、,T-S,图上求,T,H,T,1,T,2,T,H,等焓线,1,2,7.2.1,节流膨胀,节流膨胀的温度降,T,H,是衡量制冷效果的重要指标。,如何计算节流膨胀温度降,T,H,？,T,H,=T,2,-T,1,2024/11/27,7.2.1,节流膨胀,T,1,，,P,1,节流膨胀前的温度、压力,T,2,，,P,2,节流膨胀后的温度、压力,2024/11/27,7.2.2,对外作功的绝热膨胀,对外作功的绝热膨胀,：若过程为可逆，则为,等,S,膨胀,。,等,S,膨胀与节流膨胀有异同点。,异：等,S,膨胀通过,膨胀机,对外作功，而,节流膨胀不作功,同：均为,绝热膨胀。,节流膨胀,等,S,膨胀,微分等熵膨胀效应系数,S,2024/11/27,P,1,P,2,T,S,对外作功绝热膨胀的温度降,2,S,T,1,T,2,T,2,T,H,T,S,2,1,H,等焓线,2024/11/27,节流膨胀与等熵膨胀的比较,节流膨胀,等熵膨胀,H=0,S=0,T,H,较小，冷冻量小,T,S,较大，冷冻量大,少数气体要预冷，才能使,T,任何气体均是,T,不作功,作功,节流阀，,设备简单，,操作方便,膨胀机，,设备复杂,汽液两相区、液相区均可用,使用时不能有液滴,用,得最多，普冷，小型深冷,大、中型气体液化,节流膨胀与等熵膨胀均是获取低温即制冷的方法,2024/11/27,7.3,制冷循环,7.3.1,蒸汽压缩制冷循环,7.3.2,吸收制冷循环,7.3.3,热泵的工作原理,消耗外功,消耗热能,2024/11/27,7.3.1,蒸汽压缩制冷循环,蒸汽压缩制冷循环是由,压缩机、冷凝器、,节流阀,、蒸发器,组成。,制冷循环的工质采用,低沸点,物质作为制冷剂。如：氟里昂,R22,（,CHClF,2,）的,T,b,=,-40.80,，,N,2,的,T,b,=,-195.75,利用制冷剂在,冷凝器中的,液化和在,蒸发器中的,汽化，实现在,高温下排热，低温下吸热过程。,q,0,q,2,冰箱冷冻室提供,q,0,通过冰箱散热片向大气,排,出,q,2,压缩机,蒸发器,1,5,4,2,冷却器,节,流,阀,2024/11/27,7.3.1,蒸汽压缩制冷循环,理想制冷循环,(,可逆制冷,),即为逆卡诺循环。,四个可逆过程构成,：,1-2,：,绝热可逆压缩,从,T,1,升温至,T,2,，等熵过程，消耗外功,W,S,2-3,： 等温可逆放热,(,q,2,）；,3-4,：,绝热可逆膨胀，从,T,2,降温至,T,1,，等熵过程，对外作功,4-1,：等温可逆吸热,(,q,0,）,S,T,3,2,1,4,T,1,T,2,1,、逆向卡诺循环,压,缩,机,蒸发器,节,流,阀,冷凝器,W,S,q,0,q,2,2024/11/27,锅炉,透平机,水泵,冷凝器,过热器,2,3,4,1,7.1,蒸汽动力循环,蒸汽动力循环原理,T,S,4,1,2,3,2024/11/27,逆卡诺循环的缺点：,（,1,）,12,和,34,的过程会形成液滴，在压缩机和膨胀机的气缸中产生“液击”现象，容易损坏机器；,（,2,）实际过程难以接近四个可逆过程；,问题：如何改进？,1,、逆向卡诺循环,S,T,3,2,1,4,T,1,T,2,2024/11/27,2,、蒸汽压缩制冷循环,蒸汽压缩制冷循环由,四步,构成：,1,2,低压蒸汽的压缩,2,4,高压蒸汽的冷凝,4,5,高压液体的节流膨胀，,P,，,T,5,1,低压液体的蒸发,蒸汽压缩制冷循环,对,逆卡诺循环,的改进：,1,）把绝热可逆压缩过程,12,安排在,过热蒸汽,区，使湿蒸汽变为干气。,即“干法操作”。,2,）把原,等熵膨胀,过程改为,45,的,等焓节流膨胀,过程，节流阀的设备简单、操作易行。,T,1,=T,5,=,蒸发温度,T,3,=T,4,=,冷凝温度,节流膨胀,（等,H,）,等,S,膨胀,2024/11/27,2,T,S,4,1,3,5,q,0,q,2,3,、蒸汽压缩制冷循环,几个重要指标,1,）单位制冷量,q,0,(,在蒸发器中吸收的热量,),2024/11/27,q,2,W,s,T,S,3,2,1,4,循环的,H,= 0,，故,q,0,例,6,试求工作于两个恒温热库高温,T,H,和低温,T,L,间的理想制冷循环即逆向卡诺,(Carnot),循环的放热量,q,2,，制冷量,q,0,以及制冷系数,C,。,T,H,T,L,2024/11/27,结论：,逆向卡诺循环的制冷系数,C,仅是温度,(,蒸发温度,T,L,和冷凝温度,T,H,的函数，与工质性质无关。,在相同温度区间,T,L,T,H,工作的任何制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数,C,为最大。,它可作为一切实际循环的比较标准。,2024/11/27,例,7,有一氨冷冻循环装置，其,制冷能力,（,冷冻量）为,10,5,kJh,-1,，,蒸发温度,-15,，,冷凝温度,30 ,。假设压缩机绝热可逆运行，求,1,）制冷剂的循环量；,2,）压缩机功耗和处理的蒸气量；,3,）冷凝器热负荷；,4,）节流阀后制冷剂中,蒸气的含量,；,5,）循环制冷系数；,6,）,C,解：,关键是要确定,1,2,3,4,5,点的状态,单级蒸汽压缩制冷循环图,温熵图,压焓图,2024/11/27,由,氨的饱和蒸汽表,查取有关数据：,1,点,：,T,1,=-15,H,1,=1664,kJ/kg,；,S,1,=,9.021,kJ/kgK,v,1,=0.508m,3,/kg,2,点：,T,3,=30,其相应饱和蒸汽压力,P,3,=1.17,MPa,；,P,2,=,P,3,S,2,=,S,1,= 9.021,kJ/kgK=2.158 kcal/kgK,；,*,用,S,2,和,P,2,查,H,2,=,1880,kJ/kg=450,kcal/kg,；,4,点,：,T,4,=30,与饱和液体相交,，据此查得,H,4,= 134 kcal/kg=560.53kJ/kg,；,5,点,：,T,5,=,T,1,= -15,，由于,4-5,是等焓过程,，,H,5,=,H,4,= 560.53kJ/kg,；,T,1,T,2,2024/11/27,1.,制冷剂的循环量,m,3.,压缩机功耗,P,T,2.,压缩机每小时处理的制冷剂蒸汽量,V:,4.,冷凝器热负荷,Q,2,2024/11/27,6.,制冷系数,5.,节流阀后制冷剂中蒸汽的含量,即求,5,点的干度,X,7.,逆卡诺循环的制冷系数,C,2024/11/27,1,、为了增加冷冻量，制冷剂在冷凝器中，被过冷到低于饱和温度的,4,（,过冷液体）,。,2,、冷冻量增加了,55dc5,，,若,耗功量,W,S,仍为,H,2,-H,1,，则,制冷系数,增大。,3,、为了计算方便，,4,过冷液体的性质用,4,点温度对应的饱和液体代替,。,4,、,实际制冷循环往往不可能是完全等熵的，,22,，则,耗功量,W,S,为,H,2,-H,1,。,4,、蒸汽压缩制冷循环,实际制冷循环,2,T,S,2,5,4,1,4,3,5,c,d,2024/11/27,2,T,S,2,5,4,实际蒸汽压缩制冷循环,1,4,2,点的性质用等熵效率计算,3,5,冷凝温度,蒸发温度,过冷温度,过冷度,：,T,4,=,T,3,：,T,4,=T,4,-,T,4,:T,5,=T,5,=T,1,解题关键：确定,2, 4,点的状态,4,点过冷液体的性质用,4,点温度对应的饱和液体代替。,5,、几个定义,30,25,5,-15,冰箱四星级,T,1,=,-24,三星级,T,1,=,-18,国际标准,冷冻条件,2024/11/27,2,T,S,2,5,4,1,4,3,5,实际蒸汽压缩制冷循环计算,q,0,q,2,1,）单位制冷量,q,0,(,在蒸发器中吸收的热量,),p.150,例,6-9,2024/11/27,补充习题,1.,制冷循环装置以,NH,3,为工质，制冷能力是,10000kcal/hr,，,冷凝温度,25 ,，,蒸发温度,-20,，,一技术员根据生产工艺要求，认为这样条件下工作，功耗过大，建议进行改进，,冷凝温度仍为,25 ,，,但,过冷到,20,，蒸发温度改为,-5,，,问,1,）在,T-S,图上标出该制冷循环改进前后各状态点。（标出各点的,T,，,P,）；,2,）计算改进前后的制冷系数,；,3,）,改进后理想功耗可减少多少,KW,？设压缩过程按可逆绝热过程考虑。有关数据查,NH,3,的,T-S,图。,2024/11/27,改进前：,1,点,-20,查氨饱和蒸汽表 得,H,1,=1657.43,kJ / kg,S,1,=9.0962,kJ /,kg.K,P,1,=0.1902,MPa,2,点,查,lnP,-H,图，,T,4,=25,对应的,P4,=1.003,MPa,与,S,2,=,S,1,=9.0962,kJ /,kg.K,相交处的点即为,2,点，,P,2,=1.003,MPa,H,2,=1880,kJ / kg,3,点,T,3,=25,，,P,3,= P,4,=1.003,MPa,4,点,T,3,=25,，,P,4,=1.003,MPa,查氨饱和蒸汽表,H,4,=536.45,kJ / kg,5,点,H,5,=,H,4,=536.45,kJ / kg,2024/11/27,改进后：,1,点,-5,，,查氨饱和蒸汽表,得,H,1,=1676.35,kJ / kg,，,S,1,=8.8789,kJ /,kg.K,2,点,查,lnP,-H,图，,T,4,=25,与,P,4,=1.003,MPa,S,2,=,S,1,=8.8789,kJ /,kg.K,相交处的点即为,2,点,H,2,=1800,kJ / kg,3,点,T,3,=25,，,P,3,= P,4,=1.003,MPa,4,点,T,4,=20,，,H,4,=512.46,kJ / kg / kg,5,点,H,5,=,H,4,=512.46,kJ / kg,2024/11/27,蒸发温度、冷凝温度的选择,3,、制冷级数的选择：,当蒸发温度,-25,一级压缩,当蒸发温度,-30,二级压缩,当蒸发温度,1(34),2024/11/27,家用空调工作原理,夏天,冷凝器（在室外）,) (膨胀阀,蒸发器（在室内）,a）,压缩机,转,换,阀,2024/11/27,家用空调工作原理,冬天,2024/11/27,Compact heat pump,Compact heat pump,2024/11/27,蒸汽动力循环,冷冻循环,热转变成功,消耗功将热从低温传给高温,1,、制冷,2,、加热,制,冷机,热泵,锅炉,透平机,水泵,冷凝器,过热器,2,3,4,1,第六章总结,压缩机,蒸发器,1,5,4,2,冷却器,节,流,阀,2024/11/27,蒸汽动力循环,1,T,S,2,3,4,2,1.,朗肯循环,等,S,膨胀,3.,再热循环,2.,回热循环,冷冻循环,2,T,S,2,5,4,1,4,3,5,2.,吸收制冷循环,2.,等,S,膨胀,1.,等,H,膨胀,原理：,1.,蒸汽压缩制冷循环,2024/11/27,Q,2,（放热）,Q,1,吸热,实际,Rankine,循环计算,1,T,S,2,3,2,4,2024/11/27,制冷原理,0,节流膨胀后，气体温度降低,.(,冷效应,),0,的气体,如,N,2,。,2024/11/27,2,T,S,2,5,4,1,4,3,5,1,）冷凝温度,：,T,4,=,T,3,2,）过冷温度,：,T,4,3,）过冷度,=T,4,-,T,4,4,）蒸发温度,:T,5,=T,5,=T,1,几个易混淆的概念：,实际蒸汽压缩制冷循环计算,6,）单位制冷量,q,0,(,在蒸发器中吸收的热量,),q,0,q,2,2024/11/27,2,T,S,2,5,4,1,4,3,5,实际蒸汽压缩制冷循环计算,q,0,q,2,2024/11/27,烧电炉，消耗,1J,的机械功，仅获得,1J,的热量,利用热泵比直接烧电炉获得的热量更多！,制冷循环,是蒸汽动力循环的逆过程。,制冷循环：,利用机械功使,热量从低温,高温,的过程。,家用空调，,夏天制冷,和,冬天供热,利用的均是制冷循环原理。,夏天制冷,:,制冷机,冬天供热：,热泵,合理利用能源，是对社会最大的贡献！,2024/11/27,