第七章 蒸汽动力循环和制冷循环7[1].3

第七章蒸汽动力循环和制冷循环
§7.1 蒸汽动力循环
§7.1.1 朗肯循环及其热效率 §7.1.2 朗肯循环的改进
§7.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀
§7.2.1 节流膨胀 §7.2.2 作外功的绝热膨胀
§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 §7.3.2 热泵及其应用
•此热源仅需低品质的余热。 •若厂里有低压余热可利用， 采用吸收制冷最经济。 •水-溴化锂溶液的吸收制冷 大量用于中央空调，可考虑 太阳能作为热源。
热能利用系数
Q0 0.3 ~ 0.5 Q
31
Q0—吸收式制冷的制冷量；Q—热源供给的热量
§7.3.3 热泵及其应用
高温房间
热泵
热量
TH Q1
1
TH TH TL
WS

理想的供热系数
HPC
Q1 WS Q0 WS WS
TL=T0
C
TL TH TL
HPC
33
问题：消耗1J的机械功，利用热泵或直接烧电炉， 谁获得的热量多？
热泵： HP =5，即消耗1J的机械功，可获得5J的热量。

烧电炉，消耗1J的机械功，仅获得1J的热量。
• 理想制冷循环即为 逆向卡诺循环。 • 四个可逆过程构成：
4
1
3 T
T2 2
4 T1 1
10
S
1-2：绝热可逆压缩, 从T1升温至 T2，等熵过程，消耗外功WS1 2-3： 等温可逆放热(q2）； 3-4： 绝热可逆膨胀，从T2降温 至T1，等熵过程，对外作功WS2 4-1：等温可逆吸热(q0)。
§7.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀
§7.2.1 节流膨胀 §7.2.2 作外功的绝热膨胀
§7.3 制冷循环
§7.3.1 蒸汽压缩制冷 §7.3.2 吸收式制冷 §7.3.2 热泵及其应用
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第七章复习
蒸汽动力循环
热转变成功 1
过 热 器 锅炉
制冷循环
消耗功将热从低温传给高温
1、制冷
2、加热
透 平 机 2 冷 凝 器
制冷机 热泵
4
水泵
3
38
第七章复习
蒸汽动力循环
等S膨胀
1.朗肯循环 3.再热循环 2.回热循环 4.热电循环
冷冻循环
原理： 1.等H膨胀 2.等S膨胀
1.蒸汽压缩制冷循环
2.吸收制冷循环
q0 制冷系数 4~5 Ws
2’
WS WP 热效率 0.3 ~ 0.4 Q1
S
W S ,可 W S ,不
（H 2 H1 ） （H 2' H1 ）
4’过冷液体的性质用4’点温度对应的饱和液体代替。
25
（1）蒸发温度、冷凝温度的选择
蒸发温度： 取决于需被冷空间的温度要求。 蒸发温度越低，耗能越高。应根 据需要选择蒸发温度。 冷凝温度：取决于冷却介质的温度。 通常冷却介质采用大气或江河水。
热泵
低温环境
WS
TL=T0
冬天
Q0 TL
32
• 热泵循环(制冷循环)：可实现由低温环境向高温系统的供
热 (如室内供暖) 。
• 下限温度是大气环境温度T0，上限温度为维持较高 温度的暖室温度TH。

热泵的供热系数
HP
Q1 WS Q0 WS WS 1 1
TH
Q1
热泵
Q0
TL
5
制冷的实质：利用外功将热持续的从低温 物体传给高温环境介质
制冷循环：消耗外功使热量从低温→高温的
逆向循环。 • 利用制冷循环达到两种目的：
1）致冷
– 欲使指定的空间保持低于环境的温度，热量需从低温 空间转移到高温环境。如：夏天的房间、冰箱。 – 致冷机 示意图
2）加热
– 欲使指定的空间保持高于环境的温度，热量需从低温 环境转移到高温空间。如：冬天的房间。 示意图 – 热泵
kg h
1
kJ 1 kg 1
kw
19
各参数的计算
1）单位制冷量q0－
在给定的制冷操作条件下，单位质量的制冷剂在一次循环中所获得的冷量。 1
kJ kg
q0 H1 H5 H1 H4
可由稳流体系热一律得到：
2
4
1 5
0 0 0 △H + △u2/2 +g △Z = Q + Ws H1-H5 = H1-H4
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
q2
q0
T1=T5=蒸发温度
18
３、蒸汽压缩制冷循环——几个重要参数
单位制冷量q0－
kJ kg
1
1
设备的制冷能力Q0－
kJ h
制冷剂循环量m，（循环速率）－
耗功量WS － 理论功耗PT － 制冷系数ε
27
工业上常用的制冷剂有氨、R11、R12、R22、二氧化碳、 乙烯等 例：NH3：潜热大，沸点-33.4℃；冷凝温度30℃ ； P=12atm、蒸发温度-30℃； （P=1atm、蒸发温度70℃）
1、氟里昂不同的牌号适合不同的冷冻量。 2、R11、R12、R113 、R114 、R115对臭氧层有破坏作用， 2010年禁用。
逆向 Carnot 循环4个过程的分析
1 2 △U > 0 Qr = 0 dS = 0 2 3 3 dS < 0 4 △U < 0 Qr = 0 dS = 0 4 1 dS > 0 Qr > 0 Qr < 0
T Q 3 2 1 1 S
T
W > 0 绝热压缩
4 4 Q
向高温放热
T
W < 0 绝热膨胀 从低温吸热
制冷级数的选择： • 当蒸发温度< -25℃ • 当蒸发温度< -30℃ • 当蒸发温度< -45℃
26
一级压缩 二级压缩 三级压缩
有关“多级压缩 制冷”内容请参 考教材
（2）制冷剂的选择 制冷剂的选择必须具备以下几点基本要求：
在大气压力下制冷剂的沸点要低．这是一个重要 的性能指标。 制冷剂在常温下的冷凝压力应尽量低，以降低对 设备耐压与密封的要求。 汽化潜热要尽可能大，可减少制冷剂的循环量， 缩小压缩机的尺寸。 具有较高的临界温度和较低凝固温度。 具有化学稳定性，在操作条件下不燃烧，不分解， 不聚合，对设备不应有明显的腐蚀作用。
二、蒸汽压缩制冷循环
冷凝、冷却器
T
2
4
节流阀 压缩机
C
2 3
4
1 5
5
蒸发器
1
15
S
蒸汽压缩制冷循环对逆向卡诺循环的改进：
T (饱和l) 4
等压线
过热蒸气 2
(饱和g) 3 等焓线 5 (湿蒸汽) 1 (饱和g) S
把绝热可逆压缩过程 1→2安排在过热蒸汽区， 使湿蒸汽变为干气 。 原等熵膨胀过程改为 4→5的等焓节流膨胀过 程。(节流阀)
28
§7.3.2 吸收制冷循环
吸收制冷循环是另一种致冷方式。
o 它与蒸汽制冷循环主要区别在于：气体的压缩方式
不同。 蒸汽制冷循环靠的是压缩机。吸收制冷循环靠的是 “化学泵”。 “化学泵”由制冷剂和吸收剂组成。 沸点高的物质作为吸收剂，而沸点较低容易挥发的 物质作为制冷剂。 在氨水溶液中，氨是制冷剂，水是吸收剂。 在水-溴化锂溶液中水是制冷剂，溴化锂是吸收剂
TH
Q1
热泵
HPC
TH 293.15 TH TL 293.15 253.15
5
WS TL=T0
35
10 WS 3.79 KW C 3600 7.325
7.325
Q1
Q0 TL
这是在理想条件下必须付出的最小代价。
②若采用电热器供暖，则有
10 WS 27.8KW 3600 1 Q1
29





“化学泵”由吸 收器、蒸汽解吸 器、溶液泵、换 热器及调节阀组 成。 工作原理：制冷 剂在低温下被吸 收剂吸收，在高 温下被解吸成高 压蒸汽。 氨水溶液——氨 是制冷剂，水是 吸收剂。
高压NH3 (g)
解吸器
稀 氨 水
浓 氨 水
低压NH3 (g) “化学泵”吸收器 30
•吸收制冷循环优点：节能！ •主要耗能处为蒸汽解吸器。
6
夏天
低温房间 高温环境
致冷机
热量 TH Q1
致冷机
TH=T0
Q2
W
返回
7
TL
冬天
高温房间
热泵
热量
TH Q1
热泵
低温环境
Q2
W
8
TL
TL=T0
制 冷 的 常 见 类 型
空气压缩制冷 消耗外功型
蒸气压缩制冷
制冷
消耗内能型
吸收制冷
蒸汽喷射制冷
9
§7.3.1蒸汽压缩 制冷循环
3 2
一、理想制冷循环
冷冻量
24
5、说明
冷凝温度 ：T4 =T3
国际标准 冷冻条件 30℃
实际蒸汽压 缩制冷循环
2
过冷温度 ：T4’ 25℃ 过冷度 =T4-T4’ 5℃ 蒸发温度 :T5’=T5=T1 -15℃ T
冰箱四星级T1=-24℃ 三星级T1=-18℃
2’
4 4’ 5’ 5 S
3
1
解题关键：确定2’, 4’ 点的状态 2’点性质用等 熵效率计算
返回
12
1）制冷系数ε 从低温热源吸收的热 消耗的外功 q0 Ws

C
TH Q1
致冷机
TH=T2
WS TL=T1
2）逆向卡诺循环制冷系数εC
T1 S1 S 4 T1 T2 T1 S1 S 4 T2 T1
Q2 = Q0 TL
c
它可作为一切实际制冷循环的比较标准。
显然，利用热泵比直接烧电炉获得的热量更多！
34
例： 在零下20℃的冬天，为了维持室内温度为 20℃，必须采用采暖装置。维持20℃所需的供热 量为每小时105kJ，试计算下列供热方式所需消耗 的功率： ①可逆热泵循环；②电热器；③供热 系数仅为可逆热泵循环的0.4倍的实际热泵装置。
解： ①可逆热泵循环的性能系数为
11
分析过程
qr dS T
等温
qr = T△S
T 3
q2
q2 = -T2 (S1 – S4) q0 = T1 (S1 – S4)
△U = 0
(1) (2)
2
q0
4
1 S
对整个循环而言：1-2-3-4-1 W = △U- Q = 0 - (q2 + q0 )
(1) (2)
W = (S1 – S4)(T2 – T1 )
16
q2
通过冰箱散热片向大气排出q2
１、蒸汽压缩制冷循环
工质(制冷剂):低沸点物质 如：氟里昂R22(CHClF2) 的Tb=-40.80 ℃
冰箱 冷藏 室提 供q0 如何实现指定空间的制冷效 果？
q0
利用制冷剂在蒸发器中的汽化， 实现低温下吸热；在冷凝器中 的液化实现在高温下排热。
17
２、蒸汽压缩制冷循环过程分析： 1→2 低压蒸汽的压缩
1
§7.3 制冷循环
§7.3.1 蒸汽压缩制冷
§7.3.2 吸收式制冷 §7.3.3 热泵及其应用
2
制
冷
制得
Tlow
<
保持
To
－100℃
普 通 制 冷
深 冷
3
制 冷 的 应 用
低温反应 气 温 调节
气体液化
制冷
润滑油净化
食品储存
结晶分离
4
热力学第二定律分析制冷过程
自发
Q
Tlow
代价 (W)
To
13
f (T1 , T2 ) ，与制冷剂无关。 c逆向carnot max
逆向卡诺循环的缺点：
（1）1→2和3→4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；
T 3 T2 2
4 T1 1
问题：如何改进？
S
14
T
4 3
2
q0
5
1
制冷装置的制冷能力Q0：kJ/h 20 在给定的制冷操作条件下，制冷剂每小时从低温空间吸取的热量。
来自百度文库
S
2）制冷剂循环量m，（循环速率）
m=Q0/ q0 [ Kg/h] 其中Q0—制冷能力， KJ/h 3）耗功量WS △H
2 4 1 5
Ws H 2 H1
0
0
+ 0.5 △u2 +g △Z = Q + Ws
2 4 3
q 0 H1 H4 W s H2 H1
5
1
S
22
单级蒸汽压缩制冷循环图
温熵图
压焓图
23
４、蒸汽压缩制冷循环——实际制冷循环
提高制冷系数ε的措施？ • 制冷剂在冷凝器中，被过冷 到低于饱和温度的4’（过冷液 体）。 • 其耗功量WS仍为H2-H1，但冷 冻量增加了5’5dc5’。 ∴制冷系数ε增大。 • 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。
0
T
4 3
2
Ws = H2-H1
5
1
理论功耗PT： P = m. W [ kJ/h ] = m. Q0/ ε [kJ/h ] T S = [kW ] 21 m.WS/3600
S
4）制冷系数ε
制冷装置提供的单位制冷量与压缩单位质量制冷剂所消耗的功量之比
=
从低温热源吸收的热 消耗的外功
T
= q0 / Ws
5
电热器供暖最方便，但能耗最大。 ③实际热泵的供热系数为
HP 0.4 HPC 0.4 7.325 2.93
105 WS 9.48KW 3600 2.93 Q1
36
第七章蒸汽动力循环与制冷循环
§7.1 蒸汽动力循环
§7.1.1 朗肯循环及其热效率 §7.1.2 朗肯循环的改进