蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

第七章蒸汽動(dòng)力循環(huán)最重要的動(dòng)力來(lái)源是水電、火電和核電水電涉及到將機(jī)械能從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式的問(wèn)題，理論上可以達(dá)到100％的效率。火電和核電是將化學(xué)能和核能以熱能的形式釋放出來(lái)，然后再將其部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。目前超臨界機(jī)組的最高效率可達(dá)45%左右。大型化工廠的熱電聯(lián)用供給動(dòng)力供熱供應(yīng)工藝用蒸汽7.1蒸汽動(dòng)力循環(huán)加熱器冷凝器膨脹機(jī)水泵1342圖7-1Carnot循環(huán)的工藝流程7.1.1正向卡諾循環(huán)514236S圖7-2T—S圖上的卡諾循環(huán)Ws首先以水蒸氣為工質(zhì)的卡諾循環(huán)示意圖：514236S圖7-2T—S圖上的卡諾循環(huán)效率最高的是卡諾循環(huán)，由兩個(gè)可逆等溫過(guò)程和兩個(gè)可逆絕熱過(guò)程組成的卡諾循環(huán)產(chǎn)功最大，但實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)，問(wèn)題在于：

①濕蒸汽對(duì)汽輪機(jī)和水泵有侵蝕作用，汽輪機(jī)帶水量不能超過(guò)10%，水泵不能帶入蒸汽進(jìn)泵；

②絕熱可逆過(guò)程實(shí)際難以實(shí)現(xiàn)。

514236S圖7-2T—S圖上的卡諾循環(huán)因此卡諾熱機(jī)是一個(gè)理想的、不能實(shí)現(xiàn)的熱機(jī)。它的意義在于：提供了一個(gè)實(shí)際熱機(jī)與之比較的最高標(biāo)準(zhǔn)。7.1.2Rankine循環(huán)汽輪機(jī)水泵冷凝器鍋爐+過(guò)熱器朗肯蒸汽動(dòng)力循環(huán)的主要設(shè)備有：汽輪機(jī)、冷凝器、水泵、鍋爐和過(guò)熱器，工作介質(zhì)一般為水。圖7-3理想的Rankine循環(huán)及其在T-S圖上的表示朗肯循環(huán)的過(guò)程1-2：產(chǎn)功過(guò)程，在汽輪機(jī)中進(jìn)行，若忽略的工質(zhì)的摩擦與散熱，此過(guò)程可簡(jiǎn)化為可逆絕熱膨脹（等熵膨脹）朗肯循環(huán)的過(guò)程2-3：乏氣放熱過(guò)程，等溫等壓冷凝放熱在冷凝器中進(jìn)行，在冷凝器里，冷卻水把工質(zhì)的熱量帶走，使其轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡鸵后w朗肯循環(huán)的過(guò)程3-4：耗功過(guò)程，飽和液體水在水泵中升壓，可認(rèn)為可逆絕熱壓縮水

朗肯循環(huán)的過(guò)程

4-1：在鍋爐中工質(zhì)吸熱過(guò)程，等壓升溫、汽化成為過(guò)熱蒸汽理想朗肯循環(huán)過(guò)程熱力學(xué)計(jì)算⑴工質(zhì)在鍋爐中的吸熱量

Q1

=ΔH=H1－H4

KJ/Kg⑵工質(zhì)在冷凝器中排放的熱量Q2=

ΔH

=

H3－H2

KJ/Kg⑶汽輪機(jī)中工質(zhì)的單位產(chǎn)功量WSR=H2－H1

KJ/Kg⑷水泵中工質(zhì)的單位耗功量

Wp=ΔH=H4－H3KJ/Kg由于液態(tài)水的不可壓縮性，水泵中工質(zhì)的耗功量可按下式進(jìn)行計(jì)算:⑸熱效率

定義：鍋爐中所給的熱量中轉(zhuǎn)化為凈功的量。

⑹氣耗率

定義：輸出1kwh的凈功所消耗的蒸汽量

SSC（specificsteamconsumption）。

當(dāng)對(duì)外作出的凈功相同時(shí)，汽耗率大的裝置其尺寸相應(yīng)增大。所以汽耗率的高低可用來(lái)比較裝置的相對(duì)尺寸大小和過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的焓值查閱水蒸氣表或水蒸氣焓熵圖求得。狀態(tài)點(diǎn)1,

根據(jù)P1、t1

值可查得H1、S1值;狀態(tài)點(diǎn)2,S2=S1,根據(jù)P2、S2

值可查得H2、t2值;狀態(tài)點(diǎn)3,P3=P2,查P3下的飽和液體可得H3、V3

、S3值;狀態(tài)點(diǎn)4,P4=P1,S4=S3,根據(jù)P4、S4可查得H4值;或H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)實(shí)際Rankine循環(huán)蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)的絕熱膨脹實(shí)際上不是等熵的，而是向著墑增加的方向偏移，用1-2′線表示。水泵的耗功量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的做功量，可不考慮不可逆的影響。蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)膨脹，實(shí)際做出的功應(yīng)為H1–H2′，它小于等熵膨脹的功H1–H2。兩者之比稱為透平機(jī)的等熵效率。朗肯循環(huán)的計(jì)算步驟：a.先將蒸汽動(dòng)力循環(huán)過(guò)程在T-S圖上表示出來(lái)b.確定各點(diǎn)的狀態(tài)，并查出H,S值c.計(jì)算能量變化，熱效率，汽耗率例7-1：某一理想的Rankine循外，鍋爐的壓力為4MPa，產(chǎn)生440℃過(guò)熱蒸汽，汽輪機(jī)出口壓力為0.004MPa，蒸汽流量60t/h，求（1）過(guò)熱蒸汽每小時(shí)從鍋爐吸收的熱量；（2）乏氣的濕度以及乏氣在冷凝器放出熱量；（3）汽輪機(jī)作出的理論功率和水泵消耗的理論功率；（4）循環(huán)的熱效率。（5）若汽輪機(jī)進(jìn)行不可逆的絕熱膨脹，其等熵效率為0.75，則實(shí)際Rankine循環(huán)的熱效率。（6）Carnot循環(huán)的效率（1）確定各點(diǎn)的參數(shù)1點(diǎn)（過(guò)熱蒸汽）,

根據(jù)P1=4MPa、t1=440℃,查過(guò)熱水蒸氣表得H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kg·K);2點(diǎn)（濕蒸汽）,

P2=4kPa，S2=S1=6.9041kJ/(kg·K)

,查飽和水蒸氣表得

Hg=2554.4kJ/kgHl=121.46kJ/(kg·K)

Sg=8.4746kJ/kgSl=0.4226kJ/(kg·K)

Vl=1.004cm3/g

2點(diǎn)處的干度為x8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041x=0.8050H2=2554.4×0.805+(1-0.805)×121.46=2080.03點(diǎn)（飽和液體）

P3=4kPaH3=Hl=121.46kJ/kgS3=Sl=0.4226kJ/(kg·K)4點(diǎn)（未飽和水）方法1H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)=121.46+0.001004×(4000-4)=125.5kJ/kg

方法2

已知P4=4MPa,S4=S3=0.4226kJ/(kg·K),查未飽和水性質(zhì)表H4=126.1kJ/kg171.970.5709169.770.571540℃

88.650.2958

86.300.296120℃4MPaHS5MPaHS2.5MPaHS87.710.2958171.090.5709（2）計(jì)算過(guò)熱蒸汽每小時(shí)從鍋爐吸收的熱量

Q1=m(H1-H4)=60×103×(3307.1-125.5)=190.9×106kJ/h

乏氣在冷凝器放出的熱量

Q2=m(H2-H3)=60×103×(2080.0-121.5)=117.5×106kJ/h

乏氣的濕度為1-x=1-0.805=0.195

汽輪機(jī)作出的理論功率

水泵消耗的理論功率理想Rankine循環(huán)的熱效率

實(shí)際Rankine循環(huán)的熱效率

通過(guò)改變蒸汽參數(shù)提高朗肯循環(huán)的熱效率

1.提高蒸汽的過(guò)熱溫度

提高平均吸熱溫度，增大作功量，提高循環(huán)的熱效率，并且可以降低汽耗率。

增加乏氣的干度，使透平機(jī)的相對(duì)內(nèi)部效率也可提高。

但是蒸汽的最高溫度受到金屬材料性能的限制，不能無(wú)限地提高，一般過(guò)熱蒸汽的最高溫度以不超873K為宜。2.提高蒸汽的壓力

當(dāng)蒸汽壓力提高時(shí)，熱效率提高、而汽耗率下降。

但是隨著壓力的提高，乏汽的干度下降，即濕含量增加，因而會(huì)引起透乎機(jī)相對(duì)內(nèi)部效率的降低．還會(huì)使透平中最后幾級(jí)的葉片受到磨蝕，縮短壽命。乏汽的干度一般不應(yīng)低于0.88。

汽輪機(jī)的進(jìn)氣溫度和壓力一般是同時(shí)提高。超超臨界煤電機(jī)組參數(shù)：25MPa，600oC,熱效率45%3.降低汽輪機(jī)出口蒸汽的壓力

降低出口蒸汽的壓力，平均放熱溫度下降，而平均吸熱溫度降低很少，可回收損失于冷凝器中的一部分熱量，提高循環(huán)熱效率；

出口壓力受天然冷源溫度限制，不能任意降低，一般汽輪機(jī)出口壓力不低于0.004MPa；

降低出口壓力，也會(huì)增大出口蒸汽的濕度。1.再熱循環(huán)乏氣干度增加忽略泵功：Rankine循環(huán)的改進(jìn)2.熱電循環(huán)化工廠熱電循環(huán)包括兩種形式：被壓式汽輪機(jī)熱電聯(lián)用和抽氣式汽輪機(jī)熱電聯(lián)用。P182：例7-47.2

制冷循環(huán)人們常說(shuō)的“制冷”，是一個(gè)廣義的說(shuō)法。是人工制造低溫（低于環(huán)境溫度）技術(shù)的統(tǒng)稱。在工程熱力學(xué)中，我們把使系統(tǒng)的溫度降到低于周圍環(huán)境物質(zhì)（大氣或天然水源）溫度的過(guò)程稱為制冷或冷凍過(guò)程。如果循環(huán)的目的是從低溫物體(如冷藏室、冷庫(kù)等)不斷地取走熱量，以維持物體的低溫，稱之為制冷循環(huán)；循環(huán)的目的是給高溫物體(如供暖的房間)不斷地提供熱量，以保證高溫物體的溫度，稱之為熱泵循環(huán)。熱泵冰箱習(xí)慣上，制冷溫度在-100℃以上者，稱為普冷，低于-100℃者稱為深冷。制冷廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)中的低溫反應(yīng)、結(jié)晶分離、氣體液化以及生活中的冰箱、空調(diào)、冷庫(kù)等各方面。目前生產(chǎn)實(shí)際中廣泛應(yīng)用的制冷方法是：利用液體的氣化實(shí)現(xiàn)制冷，這種制冷常稱為蒸氣制冷。它的類型有：蒸汽壓縮式制冷（消耗機(jī)械能）、吸收式制冷（消耗熱能）和蒸汽噴射式制冷（消耗熱能）三種。其中蒸汽壓縮制冷和吸收制冷是目前廣泛應(yīng)用的主要制冷方法。青藏高原鐵路路基的“熱棒”技術(shù)7.2.1氣體絕熱膨脹制冷原理

節(jié)流膨脹和絕熱做功膨脹7.2.2制冷循環(huán)

逆Carnot循環(huán)與蒸汽壓縮制冷循環(huán)的基本組成，制冷系數(shù)和單位工質(zhì)循環(huán)量的計(jì)算7.2.3熱泵及其應(yīng)用

基本概念和在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用重點(diǎn)內(nèi)容7.2.1氣體絕熱膨脹制冷原理

1.節(jié)流膨脹流體在管道流動(dòng)時(shí)，有時(shí)流經(jīng)閥門、孔板等設(shè)備，由于局部阻力，使流體壓力顯著降低，這種現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。熱力學(xué)特征：利用節(jié)流過(guò)程獲得低溫和冷量。節(jié)流時(shí)的溫度變化稱為節(jié)流效應(yīng)，或Joule-Thomson效應(yīng)。節(jié)流中溫度隨壓力的變化率稱為微分節(jié)流效應(yīng)系數(shù)或Joule-Thomson系數(shù)，μJ﹥0節(jié)流后溫度降低，冷效應(yīng)μJ=0節(jié)流后溫度不變，零效應(yīng)μJ﹤0節(jié)流后溫度升高，熱效應(yīng)例7-1：在25℃時(shí)，某氣體的PVT可表達(dá)為PV=RT+6.4×104P，在25℃，30MPa時(shí)將該氣體進(jìn)行節(jié)流膨脹，問(wèn)膨脹后氣體的溫度上升還是下降？能否作為制冷介質(zhì)？例7-2：請(qǐng)證明理想氣體節(jié)流后溫度不發(fā)生變化，它既不能作為制冷介質(zhì)，也不能作為制熱介質(zhì)。積分節(jié)流效應(yīng)：2.對(duì)外做功的絕熱膨脹氣體從高壓向低壓做絕熱膨脹時(shí)，若通過(guò)膨脹機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，則可對(duì)外做功。如果過(guò)程是可逆的，稱為等熵膨脹。對(duì)外做功后氣體溫度必降低，產(chǎn)生冷效應(yīng)。微分等熵膨脹系數(shù)：積分等熵膨脹系數(shù)：節(jié)流膨脹與做外功的絕熱膨脹比較比較內(nèi)容節(jié)流膨脹做外功的絕熱膨脹降溫程度小大，可回收功降溫條件有條件，uJ>0，冷效應(yīng)無(wú)條件，適合任何氣體設(shè)備與操作節(jié)流閥，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，汽、液兩相和液體均可用結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資大，運(yùn)行中不能產(chǎn)生液體適用場(chǎng)合適合任何制冷循環(huán)，普冷循環(huán)和小型深冷設(shè)備深冷循環(huán)，大、中型氣體液化7.2.2制冷循環(huán)1.理想制冷循環(huán)冷凝器蒸發(fā)器壓縮機(jī)膨脹機(jī)QHQL1234TTHTLp2p11234S1S4(a)逆Carnot循環(huán)制冷示意圖(b)T-S圖特點(diǎn)：逆向Carnot循環(huán)的制冷系數(shù)εC取決于高溫和低溫?zé)嵩吹臏囟?，與工質(zhì)無(wú)關(guān)。理想的逆向Carnot循環(huán)是效率最高的制冷循環(huán)。制冷循環(huán)中，高溫下放熱量大于低溫下吸熱量。循環(huán)的吸熱量：q0=TL(S1-S4)TLTHTS1234循環(huán)的放熱量：q2=TH(S3-S2)=-TH(S1-S4)⊿H＝q＋WS制冷劑完成一個(gè)循環(huán)⊿H＝0，凈功為制冷系數(shù)例7-2：某蒸汽壓縮制冷過(guò)程，制冷劑在250K吸收熱量QL，在300K放出熱量-QH，壓縮和膨脹過(guò)程是絕熱的，向制冷機(jī)輸入的凈功為WN，判斷下列情況是

A可逆的B不可逆的C不可能的（1）QL=2000kJWN=400kJ

（2）QL=1000kJQH=－1500kJ

（3）WN=100kJQH=－700kJ解：（1）該制冷過(guò)程是可逆的

（2）QL=1000kJQH=－1500kJ

（3）WN=100kJQH=－700kJ該制冷過(guò)程是不可逆的該制冷過(guò)程是不可能的實(shí)際的制冷循環(huán)是對(duì)上述的逆Carnot壓縮制冷循環(huán)的改進(jìn)TSTHTL1233’4QL(b)實(shí)際的冷凍循環(huán)原理圖改進(jìn)措施1）壓縮過(guò)程操作于過(guò)熱蒸汽區(qū)，等熵膨脹改為節(jié)流膨脹；2)制冷工質(zhì)被過(guò)冷到溫度低于飽和溫度。2.蒸汽壓縮制冷循環(huán)(a)單級(jí)蒸汽壓縮制冷循環(huán)熱力學(xué)計(jì)算1）單位制冷量q02）制冷劑每小時(shí)的循環(huán)量m

TSTHTL1233’4q0(b)實(shí)際的冷凍循環(huán)原理圖3）冷凝器的單位放熱量Q24）壓縮機(jī)消耗的功與功率5）制冷系數(shù)

例7-3：某壓縮制冷裝置，用R134a作為制冷劑，蒸發(fā)器中的溫度為-25℃，冷卻器中的壓力為1.0MPa，假定R134a進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)為飽和蒸汽，而離開(kāi)冷凝器時(shí)為飽和液體，壓縮過(guò)程按絕熱可逆計(jì)算，每小時(shí)制冷量Q0為1.67×105

kJ·h-1。求：（1）所需的制冷劑流率；（2）制冷系數(shù)。

1點(diǎn)-25℃飽和蒸汽查表得H1＝231.9kJ/kgS1＝0.9367kJ/(kg·K)T0TTS12345

2點(diǎn)P2

＝1MPa，S2

＝S1

＝0.9367kJ/(kg·K)

查表得H2

＝278.7kJ/kg

T0TTS12345

4點(diǎn)1MPa飽和液體查表得H4

＝104.2kJ/kg

T0TTS12345

H1＝231.9kJ/kgH2

＝278.7kJ/kgH4

＝104.2kJ/kgH5

＝H4T0TTS12345

T0TTS123452′5′4′3.制冷劑Refrigerants制冷劑的選擇原則：（1）汽化潛熱要大，減小制冷劑的循環(huán)量，縮小壓縮機(jī)的尺寸；（2）大氣壓力下沸點(diǎn)低，能獲得較低的制冷溫度；（3）操作壓力要合適。即冷凝壓力（高壓）不要過(guò)高，蒸發(fā)壓力（低壓）不要過(guò)低。（4）化學(xué)穩(wěn)定性、不易燃、不分解、無(wú)腐蝕性。（5）價(jià)格低。（6）冷凍劑對(duì)環(huán)境應(yīng)該無(wú)公害。1Conventionalrefrigerants:NH3CH3ClCO2C3H8C2H62ChloroFluoroCarbonsCFC’s CFCl3(R-11) CF2Cl2(R-12)

常用制冷劑：CFC’s:CFCl3+UVlightCCl2F?+Cl?Cl?+O3

O2+ClO?ClO?+O?

Cl?+O21987《關(guān)于消耗臭氧層的蒙特利爾協(xié)議書》，對(duì)氟里昂在的R11、R12、R113、R114、R115、R502及R22等CFC類的生產(chǎn)進(jìn)行限制。1990年增加了對(duì)全部CFC、四氯化碳（CCL4）和甲基氯仿（C2H3CL3）生產(chǎn)的限制，另外對(duì)過(guò)渡性物質(zhì)HCFC提出了2020年后的控制日程表。3HydroChloroFluoroCarbonsHCFC’s:CHCl2F(R-22)CHCl2CF3(R-123)

4(Hydro)FluoroCarbonsHFC’sCF4(R-14)CHF3

(R-23)CF3F3

(R-116)CHF2CHF2

(R-134a)對(duì)臭氧層無(wú)損害的工質(zhì)，亦稱對(duì)環(huán)境友好的工質(zhì)有

：HFC-134a(CF3CH2F)和HFC-125(CHF2CF3)等正在推廣使用。6.3熱泵及其應(yīng)用熱泵：一種能源采掘裝置，它以消耗一部分高品質(zhì)的能源(機(jī)械能、電能或高溫