蒸汽动力循环与制冷循环ppt课件

第 七 章,蒸汽动力循环与制冷循环,1,7.1 蒸汽动力循环,一. 蒸汽动力循环为正向卡诺循环 二. 蒸汽动力循环,1.工作原理及T-S图 蒸汽动力循环的主要设备有： 透平机（汽轮机） 冷凝器 水泵 锅炉、过热器等组成 工作介质一般为水,2,水泵,锅炉,1,2,3,4,P1T1的高压高温蒸汽进入汽轮机等熵膨胀到状态2，同时对外做功，2点状态为乏汽从汽轮机流出后进入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潜热而变为该压力下的饱和水，放出的热量由冷却水带走，达到状态3，饱和水经水泵升压到P1进入锅炉，在锅炉吸收热量，使工质变化到状态1，完成一个循环。,汽轮机,冷凝器,3,T-S图,QH,QL,Ws,T,T吸,T放,S,问题在于： (1)湿蒸汽对汽轮机和水泵有浸蚀作用，汽轮机带水量不得超过10%，水泵不能带入蒸汽进泵； (2)绝热可逆过程实际上难以实现。 第一个具有实际意义的蒸汽动力循环是郎肯循环。,1,2,3,4,4,（1）工质进汽轮机状态不同,（2）膨胀过程不同,2.郎肯循环,（3）工质出冷凝器状态不同,（4）压缩过程不同,（5）工作介质吸热过程不同,郎肯循环：饱和水,郎肯循环：不可逆绝热过程，若忽略掉工作介质水的摩擦与散热，可简化为可逆过程。,郎肯循环：不可逆吸热过程， 沿着等压线变化,卡诺循环：湿蒸汽,卡诺循环：等熵过程,卡诺循环：气液共存,卡诺循环：等熵过程,卡诺循环：等温过程,郎肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在,郎肯循环：干蒸汽,郎肯循环：不可逆绝热过程,5,3.郎肯循环过程的热力学计算,(1)工作介质在锅炉中吸热量,kJ/kg,(2)工作介质在冷凝器中排放的热量,kJ/kg,（理想）,(3)汽轮机工作介质的单位产功量,（理想）,kJ/kg,6,(4)水泵中工作介质的单位耗功量,kJ/kg,由于液态水的不可压缩性，水泵中工作介质耗功量可按下列式近似计算,(5)热效率,定义：锅炉中所提供的热量转化为净功的量,数学式：,7,4.应用举例,P177 例7-17-2例7-1自看,例7-2 某核动力循环如图所示，锅炉从温度为320 的核反应堆吸入热量Q1产生压力为7MPa、温度为360 的过热蒸汽（点1），过热蒸汽经汽轮机膨胀做功后于0.008MPa压力下排出（点2），乏气在冷凝器中向环境温度 t0=20 下进行定压放热变为饱和水（点3），然后经泵返回锅炉（点4）完成循环，已知汽轮机的额定功率为15104 kW,汽轮机作不可逆的绝热膨胀,其等熵效率为0.75,而水泵可认为作可逆绝热压缩,试求: (1)此动力循环中蒸汽的质量流量; (2)汽轮机出口乏气的湿度; (3)循环的热效率.,8,例7-2 插图,核反应堆,锅炉,汽轮机,t=320 ,1,2,或2,3,4,冷凝器,P1=7MPa, t1=360 ,2,2,1,3,4,T,S,P2=0.008MPa,9,一. 提高郎肯循环热效率的措施,对卡诺循环：,对郎肯循环：,(3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率,要使：,(1) H2，降低压力P2（汽轮机出口蒸汽压力）,(2) H1，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度,10,1.再热循环,7,QRH,wsh+wsL,4,3,2,1,p2,P1,T,p3,2,S,5,4,1,3,6,8,再热循环的热效率,（2）乏汽湿含量减少，干度增加,结论：,（1）提高,11,1,2,3,4,5,6,2,1kg,kg,(1-)kg,T,S,1,2,3,4,5,6,水,2,kg,(1-)kg,2.回热循环,12,(2)热效率提高，但设备成本提高。,回热循环的热效率,抽气量取回热器作能量衡算,结论：,(1)减少了工作介质吸热过程的温差（不可逆），由TH-T4减少到TH-T6,13,3. 热电循环,分为两种： （1）背压式汽轮机联合供电供热循环 特点： 冷凝器中冷却工质的介质为热用户的介质（不一定是冷却水）冷凝温度由供热温度决定，QL得以利用； 排气压力受供热温度影响，较郎肯循环排气压力高,大于大气压力； 热电循环效率 =循环热效率+提供热用户的热量/输入的总热量。,14,锅炉,汽轮机,1,2,3,4,2,1,3,4,T,S,qL,qH,WS,15,（2）抽气式汽轮机联合供电供热循环,特点： 工质部分供热，部分作功 供热量与乏汽无关 热电循环效率,而,故,16,T,S,1,2,3,4,5,6,7,1,冷凝器,汽轮机,热用户,锅炉,水泵,水泵,加热器,2,3,4,5,6,7,P,1-,(1-)kg,17,4.应用举例,P140-143 例6-3、6-4例6-3自看 例6-4.某化工厂采用如下的蒸汽动力装置以同时提供动力和热能。已知汽轮机入口的蒸汽参数为3.5MPa,435 ,冷凝器的压力为0.004MPa,中间抽汽压力P为0.13MPa,抽汽量为10kg/s,其中一部分进入加热器,将锅炉给水预热到抽汽压力P下的饱和温度,其余提供给热用户,然后冷凝成饱和水返回锅炉循环使用。已知该装置的供热量是50103kJ/h.试求此蒸汽动力循环装置的热效率与能量利用系数。,18,T,S,1,2,3,4,5,6,7,P,1,冷凝器,汽轮机,热用户,锅炉,水泵,水泵,加热器,2,3,4,5,6,7,P, -h,h,19,6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀,一. 节流膨胀过程 高压流体经过节流阀后迅速膨胀到低压的过程称为节流膨胀。 1. 特点：等焓过程 由热力学第一定律：,Q=0（来不及传热）， Ws=0（不做功） 若忽略掉动能、位能的影响 所以 H=0 对于H=f（T，P） P发生变化 T也随之发生变化,20,(1)定义式 流体节流时，由于压力变化而引起的温度 变化，称为微分节流效应。,2.微分节流效应（焦汤效应）,（6-12）,数学式：,节流过程：, H=f（T，P）,21,（6-13）,时，,故,由第四章可知：,22,(2)节流膨胀致冷的可能性, 对理想气体,= 0,PV=RT V=RT/P,这说明了理想气体在节流过程中温度不发生变化,23, 真实气体,有三种可能的情况，由定义式知,当J0时，表示节流后压力下降，温度也下降,致冷,当J=0时，表示节流后压力下降，温度不变化,当J0时，表示节流后压力下降，温度上升，,致热,不产生温度效应,24,(3)结论, 节流膨胀过程的主要特征是等焓过程； 理想气体节流时温度不变，不能用于致冷、致热； 真实气体节流效应取决于气体的状态，在不同的状态下节流，具有不同的微分节流效应值。,25,3.转化点，转化曲线,转化点：,当,时，（T，P）所对应的点,图示,致冷区,P,T,等H线,J 0,J 0,J =0,T,致热区,T,转化曲线:将各转化点联结起来所组成的曲线. 在转化曲线左侧，等焓线上，随P，T，J 0，致冷区 在转化曲线右侧，等焓线上，随P，T，J 0，致热区 转化线上, J =0,26,4.积分节流效应,（6-14）,积分节流效应的求法:三种,（1） 公式法,若p变化不太大，J为常数,若p变化大，J不为常数，用式（6-14）计算，但很麻烦，一般不用。,27,(2) T-S图法,P1,P2,T1,T2,S,T,(3) 利用经验公式估算,对于空气，当压力变化不太大时，不考虑温度的影响，可直接按下式近似估算：,式中：压力单位为大气压atm，温度单位为热力学温度 开尔文。,对于不同的流体，其表达式不同。,等H线,28,二.对外作功的绝热膨胀,1.可逆绝热膨胀,特点：等熵过程,(1) 微分等熵温度效应,定义式：,（6-15）,(2)等熵膨胀致冷的可能性,对于定组成单相体系，自由度为2，S=f（T，P） 对于等熵过程：,29,S恒大于0,（Maxwell第一关系式）,说明了任何气体在任何状态下经绝热膨胀，都可致冷。这与节流膨胀不同。,（6-16）,30,这就说明了在相同条件下等熵膨胀系数大于 节流膨胀系数,因此由等熵膨胀可获得比节流 膨胀更好的致冷效果.,将（6-16）式与（6-13）式比较，得, 任何气体均有V0,Cp0,恒大于零,31, 利用积分等熵温度效应,(3) 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。,计算积分等熵温度效应的方法有4种：, 理想气体的积分等熵温度效应TS,32,在有T-S图时，最方便的方法是由T-S图读取TS,对于理想气体绝热可逆过程, T-S图法,P1,P2,T1,T2,T,S,33, 用等焓节流效应计算,若Cp=定值,34,2.不可逆对外做功的绝热膨胀,对活塞式膨胀机 当t30 s=0.70.75 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 效应和节流膨胀效应之间。,S,T,1,2,2,绝热 Q=0,35,三.等熵膨胀与节流膨胀的比较,1,2,2,0,T,S,P1,P2,1.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冷效应。,QOS=Ho-H2=(Ho-H1)+(H1-H2)=QOH+WR,制冷量：QOSQOH,QOH=Ho-H2= Ho-H1,2.,36,3.设备与操作,节流膨胀：简单，针形阀,等熵膨胀：复杂，需要低温润滑油。,4.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,这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。,37,6.3 制冷循环,当冷冻温度大于-100 ，称普通冷冻。 小于-100 称深度冷冻。,一.制冷循环为逆向卡诺循环,正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质放热温度。 逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度。 实际过程的耗功量要大于逆向卡诺循环的耗功量,逆向卡诺循环的耗功量最小。,38,二.蒸汽压缩制冷循环,1. 工作原理及T-S图 主要设备有： 压缩机 冷凝器 膨胀机（节流阀） 蒸发器 四部分组成,制冷过程中涉及到相变、工质、压力、沸点等问题,蒸发器,冷凝器,压缩机,膨胀机或节流阀,1,2,3,4,QH,QL 载冷体,39,传热过程可逆,(1)卡诺压缩制冷循环,压缩、膨胀过程可逆,由热力学第一定律：,循环过程:,特点,40,故：,定义：消耗单位功所获得的冷量。,衡量制冷效果好坏的一个技术指标是制冷系数。,卡诺压缩制冷循环制冷系数,41,制冷系数与冷却温度TH和载冷体（被冷物质）TL有关。,若制冷温度TL（由工艺条件决定）一定，TH，,结论:,若冷却水（空气）TH一定，TL，因此要以满足工艺条件为依据。如果工艺条件为-20，一般选取TL= -25即可性。过冷5，不能太多。,42,(2) 实际压缩制冷循环,1.实际压缩制冷循环就其循环所需的设备来说，完全与卡诺压缩制冷循环所需要的设备相同， 2.关键在于在循环的过程中，每一步都不一定是可逆的。 3.它与卡诺压缩制冷循环不同处表现在五个方面。,43, 制冷剂（工质）进压缩机状态不同,卡诺：湿气 实际：干气, 压缩过程不同,卡诺：等熵过程 实际：不可逆绝热过程,等熵效率：s=等熵过程耗功/实际过程耗功,s1,若Q=0 则 Ws=,44,卡诺：等温过程,实际：不可逆过程，沿着等压线变化。, 冷凝过程不同, 制冷剂出冷凝器状态不同,卡诺：饱和液体,实际：过冷液体, 膨胀过程不同,卡诺：等熵（膨胀机）,实际：等焓（节流阀）,实际压缩制冷循环：12341 理想压缩制冷循环：12”34”1 卡诺压缩制冷循环：12341,1,2,2,2,3,3,1,4,4,4,S,T,45,对于实际压缩制冷循环，经历的 1-2: 对应于压缩机 （工厂：冰机，氨压机，制冷机） 2-3: 冷凝器进行 在冷凝器里，冷却水（或空气）把 工质的热量带走，使其由高压气体 转变成高压液体。 3-4: 节流阀进行 （冰箱毛细管） 4-1: 蒸发器进行 大盐水槽供热（冰箱食物热）,46,2.压缩制冷过程的热力学计算, 单位冷冻量：1kg制冷剂在循环过程中所提供的冷量。,kJ/kg, 单位热负荷,kJ/kg, 单位耗功量,kJ/kg, 制冷系数, 冰机的制冷能力Q0,kJ/h,G制冷剂循环量,47, 制冷剂循环量,kg/h, 冷凝器的热负荷,kJ/h,QH是设计冷凝器的基本依据,Kw, 压缩机的轴功率,Kw,48,3.制冷剂的选择,选择原则：P149五条 大气压力下沸点低；,汽化潜热大，减少制冷剂的循环量，缩小压缩机的尺寸；,常温下的冷凝压力应尽可能的低，以降低对冷凝器的耐压与密封的要求；,具有较高的临界温度与较低的凝固温度，使大部分的放热过程在两相区内进行； 具有化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。,49,4.载冷体的选用,工业上一般选用冷冻盐水CaCl2，MgCl2,50,三.多级压缩制冷和复迭式制冷,在氨制冷剂中，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。,1.两级压缩制冷循环,(1) 工作原理及T-S图,51,低压蒸发器,高压蒸发器,冷凝器,低压汽缸,高压汽缸,中间冷却器,节流阀I,节流阀I I,汽液分离器,1,2,2,3,4,5,6,7,8,工作原理,52,1,2,3,4,5,6,7,8,S,T,Pm, 耗功小，节能； 制冷率大； 可同时得到不 同温度的低温。,(2)两级压缩两级蒸发的好处,思考一下三级压缩三级蒸发的原理图 ?,T-S图,53,2. 复迭式制冷,（1）目的：为了得到更低的制冷温度 （2）特点： 使用两种（或两种以上）制冷剂; 各自构成独立的制冷循环; 低温度级的蒸发器是更低温度级的 冷凝器.,54,(3)工作原理及T-S图,S,T,1,2,3,4,5,6,7,8,55,（4）对两种制冷剂的要求,（如氨、乙烯组成的复迭式制冷） 低温循环的制冷剂（NH3）蒸发温度更低温度制冷剂（乙烯）的凝固温度Ts; 更低温循环的制冷剂（乙烯）冷凝温度低温制冷循环蒸发的温度.,56,四.吸收式制冷,1.吸收式制冷的工作原理,泵,吸收器,换热器,解吸器,蒸发器,节流阀,QL载冷体,水,低品位蒸汽TR QR,冷凝器,QH,水,57,将吸收式制冷循环与蒸汽压缩制冷循环相 比较，其不同点仅在于： 蒸汽压缩制冷循环：压缩机（消耗机械功） 吸收式制冷循环： 吸收塔，解吸器，换热器，泵（消耗低品 位热量）,58,2.评价吸收式制冷循环的经济指标,最大热力系数：,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）,59,6.4 深冷循环（气体液化循环）,深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体。 当气体温度高于其临界温度时，无论加多大的压力都不能使其液化。因此，气体的临界温度越低，所需要的液化温度越低。 如：氮气 Tc=126.2K(-146.95) 氢气 Tc=33.2K(-249.95) 利用一次节流膨胀液化气体是最简单的气体液化循环。,60,一. Linde Cycle (林德循环),1895年德国工程师Linde（林德）首先应用此法液化空气，故称简单的林德循环。,1.工作原理及TS图,此系统由,压缩机 冷却器 换热器 节流阀 气液分离器,组成,61,工作原理,62,这是操作稳定时所表示的T-S图。从这一图示来看，深冷与普通冷冻循环主要区别表现在： 普冷：两个封闭式循环。制冷循环与被冷物系是两种物质，彼此独立封闭循环。 深冷：制冷循环与分离或液化物质是同一种物质，且是不封闭循环。,S,T,1,2,3,4,5,0,T4,T-S图,63,2. 热力学计算,以处理1kg气体为基准 (1)气体液化量（液化率）x 所谓液化率：1kg被处理的气体所能产生的液体kg数。 取换热器、节流阀、气液分离器为研究体系,由热力学第一定律：,因体系与环境无轴功交换，若无冷损失，,由体系的能量平衡，则有,64,（6-26）理论液化量,(6-29) 实际液化量,冷量损失。这是由于气体液化装置绝热不完全，环境介质热量传给低温设备而引起的冷量损失。,（换热器不完全交换）,低压气体平均热容,换热器热端温差,65,(2)制冷量qo,在稳定操作下，液化xkg气体所取走的热量。,理论制冷量：,实际制冷量：,P1T1被液化气体初态的压力、温度 P2被液化气体压缩后的压力,(3)功耗Ws,按理想气体的可逆等温压缩:,实际耗功:,式中：R气体常数，单位取kJ/kgK,压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取0.59,66,(4)比功Wx,每液化1kg气体所消耗的功称为比功。,(5)制冷系数,问题: 一次节流液化循环比较简单，但效率很低。目前只有小型气体分离、液化装置如小型空分装置还有采用。 在简单的林德循环中，由于高压气体的相对量大和热容大，用未冷凝低压气体无法将其冷却到足够的低温。,67,二. 克劳德循环,1.工作原理及TS图,68,克劳德循环的优点主要表现在： (1)减少了高压气体的量，增加了作为冷却介质的低压气体大量； (2) 提高了液化率； (3) 回收了部分功。,p2,p1,S,T,T1,T3,1,2,3,4,4,6,7,8,9,T9,69,2.热力学计算,(1) 液化量x,以图中虚线作为研究体系,由热力学第一定律：,体系与环境无轴功交换，无冷损失,由体系的能量平衡，则有,70,与林德循环相比较，制冷量多出,若考虑不完全热交换损失q2和系统的冷损失q3,(2) 制冷量qo,理论： 实际：,kg,实际：,71,式中：R 气体常数，单位取kJ/kgK;,(3) 功耗Ws,理想：,压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取0.59,实际：,M 未进入膨胀机的气体分率;,T,s等熵膨胀效率; m膨胀机的机械效率;,72,