第8章 蒸汽动力循环与制冷循环

第8章蒸汽动力循环与制冷循环将热能变为机械能必须通过循环才能完成，而组成循环的热力过程主要是在热力原动机中进行的。根据所采用工质的不同，热力原动机循环分为两类：以蒸汽为工质的称为蒸汽动力循环，而以气体为工质的则称为气体循环。其中以蒸汽动力循环最为主要，其研究对象不是原动机的结构与构件，而是工质所经历的状态及其变化过程。制冷循环是一种逆向循环。逆向循环的目的在于把低温物体(热源)的热量转移到高温物体(热源)去。根据Clausius对热力学第二定律的描内容概要述，要使热量从低温物体传到高温物体，必须提供机械能或热能作为代价。如果循环的目的是从低温物体(如冷藏室、冷库等)不断地取走热量，以维持物体的低温，称之为制冷循环；如果循环的目的是给高温物体(如供暖的房间)不断地提供热量，以保证高温物体的温度，称之为热泵循环。习惯上，制冷温度在-100℃以上者，称为普冷，低于-100℃者称为深冷。制冷广泛应用于化工生产中的低温反应、结晶分离、气体液化以及生活中的冰箱、空调、冷库等各方面。1)Rankine循环的热力学分析方法，热效率、气耗率的概念与计算，以及Rankine改进方法。2)了解Otto循环和Diesel循环燃气循环和燃气轮机过程分析；3)逆Carnot循环与蒸汽压缩制冷循环的基本组成，制冷系数和单位工质循环量的计算；4)热泵的基本概念和在工业生产中的应用；5)了解深冷循环，掌握空气液化及其计算方法。重点内容热机将热能转化为机械能等动力的装置工厂、交通工具、居民、办公用电热力循环过程热机的工作循环蒸汽动力循环燃气动力循环制冷获得并保持低于环境温度的操作制冷循环输入外功实现从低温环境吸热排向高温环境的循环蒸汽动力循环蒸汽压缩制冷循环卡诺循环过程描述C4123TSTHTL锅炉(等压)冷凝器(等压)QLQHWSWC透平水泵1234T-S图表达特征：汽轮机B与压缩机E处于两相区操作，均易产生气蚀而损坏设备。汽轮机B压缩机E冷凝器(等压)蒸发器(等压)QLQHWSWC压缩机2143膨胀机c3214TSTLTHT-S图流程图理论基础：||逆Carnot循环过程||从低温热源吸热向高温热源排热，同时消耗电能。制冷过程8.1蒸汽动力循环－Rankine循环过程分析8.1.1Rankine循环锅炉过热器汽轮机冷凝器水泵12341234TS(b)T-S图(a)工作原理图2’图8-1Rankine蒸汽动力循环装置组成循环过程1→2过热水蒸汽在汽轮机内等熵膨胀，变成湿蒸汽，同时对外作输出轴功2→3湿蒸汽在冷凝器内等压、等温冷凝，变成饱和液体水3→4冷凝水在水泵中等熵压缩，进回至锅炉4→1水在锅炉中吸收热量，完成预热、汽化、过热阶段过程，变成过热水蒸汽热力学分析汽轮机中工质对外作功量(过程1→2)-1s(R)21(kJkg)WHHH冷凝器中工质对外放热量-1L32(kJkg)QHHH水泵消耗的压缩功量-1pump43343(kJkg)WHHHVpp工质从锅炉中吸收的热量-1H14(kJkg)QHHH热效率s(R)pump2143NTHH14WWHHHHWQQHHs(R)12TH14WHHQHH汽耗率蒸汽动力装置中每输出1kWh的净功所消耗的蒸汽量-1N3600SSCkgkWhW例8.1某蒸汽动力循环操作条件如下：冷凝器出来的饱和水，由泵从0.035MPa加压至1.5MPa进入锅炉，蒸汽离开锅炉时被过热器加热至280℃。求：(1)上述循环的最高效率。(2)在锅炉和冷凝器的压力的饱和温度之间运行的卡诺循环的效率，以及离开锅炉的过热蒸汽温度和冷凝器饱和温度之间运行的卡诺循环的效率。(3)若透平机是不可逆绝热操作，其焓是可逆过程的80%，求此时的循环效率。-14303.46kJkgH12-11412d()1.5kJkgppHHVpVpp解：(1)各状态点的热力学性质，可由附录3水蒸气表查得-11303.461.5304.96kJkgH-122992.7kJkgH-1-126.8381kJkgKS查过热水蒸气表得-1-1326.8381kJkgKSSV-1-17.7153kJkgKSL-1-10.9852kJkgKS该循环透平机进行绝热可逆操作，增压泵也进行绝热可逆操作时效率最高。由0.035MPa，查得气相：液相：(查饱和水性质表内插)(查饱和蒸汽性质表)VL3(1)7.71530.9852(1)6.8381SxSxSxx0.87x气相含量为x，则有解得：VL-13(1)0.872631.4(10.87)303.462328.77kJkgHxHxH23T212992.72328.770.2472992.7303.96HHHH(2)冷凝器压力0.035MPa，饱和温度为72.69℃；锅炉压力1.5MPa，饱和温度为198.32℃。Carnot循环运行在此两温度之间，Carnot循环效率HLcarnotL198.3272.690.267198.32273TTT若Carnot循环运行在实际的二个温度之间，其效率为HLcarnotL28072.690.375280273TTT(3)不可逆过程的焓差为0.80(H2-H3)，而吸收的热仍为21HH，因此热效率23T210.80()0.800.2470.198HHHH23'1TS34图8-2图8.1图图提高Rankine循环热效率的途径LcarnotH1TT降低冷凝器温度提高锅炉温度平均吸热温度TS12345678910TS1'12'234'5'45c图8-3图图图图图图图8-4图图图图图T-S图mT1p1p2p2x2x2x1与1'点的压力高低？等效Carnot循环的平均吸热温度Tm8.1.2Rankine循环的改进8.1.2.1回热循环123456789α1α21-α1-α21-α1TS1236789过热器汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器水泵1水泵2水泵3一号回热器二号回热器α1α21-α1-α2图8-5图图图图图图图图图图图图图图(a)工作原理图(b)T-S图8.1.2.2再热循环x2’图8-7再热循环图TS11’22’5643x211'2’356过热器再热器汽轮机发电机冷凝器冷却水锅炉给水泵(a)工作原理图(b)T-S图目前超高压(蒸汽初压为13和24MPa或更高)的大型电厂几乎毫无例外地采用再热循环8.2内燃机热力过程分析使用气体或液体燃料，在汽缸中以燃烧时生成的燃气作为工质驱动循环的机械装置内燃机点燃式内燃机(汽油机)定容加热循环压燃式内燃机(柴油机)定压加热循环混合加热循环Jetta柴油车8.2.1定容加热循环Otto循环pV大气压力01234排气阀进气阀pV1234TS1234(a)实际工作原理图(c)T-S图(b)p-V图图8-8图图图图图图图图图图图图图内燃机是一个敞开系统每一个循环都要从外界吸入工质，循环结束时将废气排于外界与蒸汽动力循环不同适合使用汽油8.2.2定压加热循环pV1234TS123401234排气阀进气阀(a)实际工作原理图(c)T-S图(b)p-V图图8-9图图图图图图pVDiesel循环依靠压缩后的高温空气使燃料着火燃烧，使用柴油柴油机压燃式内燃机现代高速柴油机既有定压加热又有定容加热混合加热循环8.3燃气轮机过程分析以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机油泵叶轮式压气机空气燃气轮机发电机废气燃烧室1234pV1234TS1234(a)实际工作原理图(c)T-S图(b)p-V图图8-10燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环的热效率仅与增压比β有关/β愈大，热效率愈高优点体积小，功率大，结构紧凑，运行平稳材料要求高压气机消耗功率大缺点8.4制冷循环原理与蒸汽压缩制冷过程分析8.4.1逆向Carnot循环S图8-11逆Carnot循环制冷过程冷凝器蒸发器压缩机膨胀机QHQL1234TTHTLp2p11234S1S4(a)逆Carnot循环制冷示意图(b)T-S图特点Carnot循环的制冷系数eC取决于高温和低温热源的温度8.4.2蒸汽压缩制冷循环实际的制冷循环是对上述的逆Carnot压缩制冷循环的改进TSTHTL1233’4QL8-12实际的冷冻循环原理图改进措施压缩过程操作于过热蒸汽区，等熵膨胀改为节流膨胀制冷工质被过冷到温度低于饱和液态温度热力学计算制冷机的冷冻量QL-1L14kJkgQHH功耗Ws-1s21kJkgWHH制冷机的制冷能力为Qt，则工质的循环量为-1tLkghQmQ制冷机的制冷系数L14s21QHHWHHe常见制冷工质：NH3，Freons制冷剂要求合适温度，压力，化学稳定性，汽化潜热等例8.2某一空气调节装置的制冷能力为4.18×104kJ·h-1，采用氨蒸汽压缩制冷循环。氨蒸发室温度为283K，冷凝室温度313K。假定氨进入压缩机时为饱和蒸汽而离开冷凝器时是饱和液体，且压缩过程为可逆过程。求：(1)循环氨的流量；(2)在冷凝器中制冷剂放出的热量；(3)压缩机的理论功率；(4)理论制冷系数。解：1234TSTHTL图8-13例8.3附图查氨的lnp-H图，见附录5知：1411213kgkJ390;kgkJ1610;kgkJ1475HHHH41LLL344.181038.5kgh1475390QQmqHH41H2438.516103904.69710kJhQmHH1s2338.5161014755198kJhWmHHL34s2314753908.0416101475QHHWHHe8.6其它制冷循环8.6.1蒸汽喷射制冷水泵节流阀冷凝器蒸发器扩压管喷射器混合室喷管122’3455’锅炉TS123451＇5＇1’(a)工作原理图(b)T－S图8-14蒸汽喷射制冷循环热能系数ξLHQQ收益＝代价优点不消耗机械功，直接消耗热能实现致冷缺点混合过程的不可逆损失大，热能利用系数较低8.6.2吸收制冷冷凝器冷却水QC发生器热量QH溶液泵吸收器蒸发器减压阀膨胀阀QL空调用冷却水图8-15吸收式制冷原理图冷却水QC热能利用系数LHQQ优点设备简单造价低廉缺点热能利用系数较小8.6热泵及其应用热泵：一种能源采掘装置，它以消耗一部分高品质的能源(机械能、电能或高温热能等)为代价，通过逆Carnot循环，把自然环境(水、空气等)或其它低温热源中储存的能量加以利用转变成为高温的热量高温环境低温环境图8-16制冷机与热泵冷凝器蒸发器压缩机节流阀1245QLQHTS123456780THTL(a)工作原理图(b)T－S图供热系统图8-17热泵工作原理示意图制冷系数HLsHss1QQe制热系数并不是简单的制冷系数加18.7深冷循环与气体液化超低温环境液态氢，液态氮，液态氦，液化石油气，天然气等任何气体只要使其经历适当的热力过程，将其温度降低至临界温度以下，并保持其压力大于对应温度下的饱和压力，便可以从气体转化为液体。燃料低温反应医疗运输基本的气体液化循环－Linde-Hampson循环8.7.1Linde-Hampson系统工作原理(a)工作原理图(b)T－S图TS128345671补充新鲜气me23456液化气体mem换热器节流阀分离器78m-me图8-18Joule-Thompson液化系统8.7.2系统的液化率及压缩功耗液化率L依能量衡算方程3e1e60mHmmHmH进入压缩机气体产生的液体e1316mHHLmHH表示了深冷装置可产生的液体量对被压缩气体量的比值压缩功耗对压缩机进行能量衡算s31sQHWmHHW对等温压缩113QmTSSss11313WWTSSHHm压缩单