- 113 - 第十章 蒸汽动力循环及汽轮机基础知识 10.1 蒸汽动力循环 核电站二回路系统的功能是将一回路系统产生的热能（高温、高压饱和蒸汽）通过汽轮机安全、经济地转换为汽轮机转子的动能（机械能），并带动发电机将动能转换为电能，最终经电网输送给用户。 热能转换为机械能是通过蒸汽动力循环完成的。蒸汽动力循环是指以蒸汽作为工质的动力循环，它由若干个热力过程组成。而热力过程是指热力系统状态连续发生变化的过程。工质则是指实现热能和机械能相互转换的媒介物质，其在某一瞬间所表现出来的宏观物理状态称为该工质的热力状态。工质从一个热力状态开始，经历若干个热力过程（吸热过程、膨胀过程、放热过程、压缩过程）后又恢复到其初始状态就构成了一个动力循环，如此周而复始实现连续的能量转换。核电厂二回路基本的工作原理如图10.1所示。 节约能源、实现持续发展是当今世界的主流。如何提高能源的转换率也是当今工程热力学所研究的重要课题。电厂蒸汽动力循环也发展出如卡诺循环、朗肯循环、再热循环、回热循环等几种循环形式。 10.1.1 蒸汽动力循环形式简介 1.卡诺循环 卡诺循环是由二个等温过程和二个绝热过程组成的可逆循环，表示在温熵（T －S ）图中，如图10.2所示。图中， A-B 代表工质绝热压缩过程，过程中工质的温度由T 2升到T 1，以便于从热源实现等温传热； B-C 代表工质等温吸热过程，工质在温度 凝 结 水 水 蒸 汽 蒸汽推动汽轮机做功，将蒸汽热能转换成汽轮机动能；继而汽轮机带动发电机发电 。 凝结水从蒸汽发生器内吸收一回路冷却剂的热量变成蒸汽 热力循环 图10.1核电厂二回路基本的工作原理 T 1 S T 2
工业恒湿恒湿机系统的运作是通过三个相互联系的系统：制冷剂循环系统、空气循环系统、电器自控系统; 制冷剂循环系统： 蒸发器中的液态制冷剂吸收空气的热量（空气被降温及除湿）并开始蒸发，最终制冷剂与空之间形成一定的温度差，液态制冷剂亦完全蒸发变为气态，后被压缩机吸入并压缩（压力和温度增加）,气态制冷剂通过冷凝器（风冷/水冷）吸收热量，凝结成液体。通过膨胀阀（或毛细管）节流后变成低温低压制冷剂进入蒸发器，完成制冷剂循环过程。 空气环系统： 风机负责将空气从回风口吸入，空气经过蒸发器（降温、除湿），加湿器，电加热器（升温）后经送风口送到用户需的空间内，送出的空气与空间内的空气混合后回到回风口。 电器自控系统： 包括电源部分和自动控制部分。
电源部分通过接触器，对压缩机、风扇、电加器器，加湿器等供应电源 自动控制分部分又分为温、湿度控制及故障保护部分: 温、湿度控制是通过温、湿度控制器，将回风的温湿度与用户设定的温湿作对比，自动运行压缩机（降温、除湿），加湿器，电加热（升温）等元件，实现恒温恒湿的自动控制 故障保护控制是通过压力保护、延时器、继电器、过载保护等相互组合达到，对压缩机，风机，加湿器等元件进行故障保护的控制
自动调温除湿机的工作原 理 自动调温除湿机运作是通过三个相互联系的系统：制冷剂循环系统、空气循环系统、电器自控系统;
制冷剂循环系统： 蒸发器中液态制冷剂吸收空气中的热量并开始蒸发，空气降温除湿，液态制冷剂亦完全蒸发变为气态，后被压缩机吸入并压缩（压力和温度增加） 高温高压气态制冷剂通过电磁阀控制流向： 当流向③冷凝器(回热) 时，制冷剂向室内排放热量使空气升温，实现升温除湿；(升温除湿模式) 当流向⑦冷凝器(散热) 时，制冷剂通过冷却塔或风扇向室外排放热量，实现降温除湿；(降温除湿模式) 制冷剂压冷凝器内凝结成液体。通过膨胀阀（或毛细管）节流后变成低温低压制冷剂进入蒸发器，完成制冷剂循环过程。
第十章 蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质 ：水蒸汽。 用途 ：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 朗肯循环 匀速 回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1 水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环（蒸汽动力循环）至今不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能按卡诺循环进行。 1-2 绝热膨胀（汽轮机） 2-C 定温放热（冷凝汽） 可以实现 5-1 定温加热（锅炉） C-5 绝热压缩（压缩机） 难以实现 原因：2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且3点的湿蒸汽比容比 水大的多'23νν>' 2 32000νν≈需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大 p v
减少，同时对压缩机不利。 2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使T1高于临界温度，改进的结果就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2 朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T 中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵P送进省煤器D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱和蒸汽进入S继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热过程—朗诺循环。 1-2 绝热膨胀过程，对外作功 2-3 定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4 绝热压缩过程，消耗外界功 4-1 定压吸热过程，（三个状态） 4-1过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。
压缩空气制冷循环 压缩空气制冷循环以空气为工质，其循环的装置简图见图6-21，循环的 图和图如图6-22所示。从冷库出来的空气状态为1，其温度（为冷库温度）压力为，接着进入压缩机进行压缩，升温升压到、，再进入 冷却器进行定压放热，温度下降到（=），然后进入膨胀机实现膨胀，使压 力下降到，温度进一步下降到最后进（），入冷库进行定压吸热过 程完成循环。循环的最高压力与最低压力之比称作增压比，用表示。 进行循环分析时，为突出主要问题，假定所有的过程都是可逆过程、在压缩机内的压缩过程及膨胀机内的膨胀过程均为可逆绝热过程并且空气可作为比热容取定值的理想气体。 压缩空气理想制冷循环的构成与燃气轮机装置定压加热理想循环一样仅是方向相反？是的，在热力学分析上，压缩空气制冷循环可以视为布雷敦逆循环。 参看图6-22，循环中工质从低温热源（冷库）吸热量亦即循环中工质的制冷量： 排向高温热源的热量为 压气机消耗的功为 膨胀气缸中回收的功为
所以，循环消耗的净功是 因此，循环的制冷系数为 考虑到1-2,3-4都是可逆绝热过程，因而有 将之代入制冷系数表达式可得 (6-20) 上式表明，循环增压比越小，制冷系数越大。但增压比越小，单位质量工质的制冷量也越小。当由（/）下降到（/）时制冷量也由面积1-4-4’-1’-1下降为面积1-9-9’-1’-1。所以，不能太小。 在相同的低温热源（冷库）和高温热源之间工作的卡诺逆循环的制冷系数为 与式(6-20)比较，因为，所以，这里再次看到相同温度两热源（和）之间卡诺逆循环的制冷系数最大。 压缩空气制冷循环的制冷量为 (6-21) 式中，是循环工质的质流量。可见制冷量取决于温差和质流量。
空气作为制冷剂,在压缩机中压力过大 空气的的常温沸点在-190度，要使空气在常温下冷凝需要很高的压力，高压力对压缩机，及压力容器的要求会提高很多，高低压压差很大，膨胀阀也比较难选型，而且我个人认为压缩空气的电损耗很大 空气制冷的特点及应用 1.制冷工质是空气，容易取得，且安全无害。 2.因为空气本身既是制冷剂又是载冷剂，所以可以采用直接吸热循环，省去负载热交换器和载冷体循环动力，可直接为被冷却物体工地温环境。 3.空气压缩制冷实际流程灵活多变，对于不同使用要求的适应行强。 4.很容易实现高温、低温实验共用一室的方案。 5.利用空气压缩制冷易于获得较低温度剂直接吸热的特点，可以采用蓄冷循环，实现利用小容量制冷设备短时供应大冷量的目的. 6.空气压缩式制冷的最大缺点是制冷系数小，在较高的使用温度下空气压缩式制冷的单位轴功率产冷量小于蒸气压缩式制冷量，且使用温度越高，相差也越大。另外，噪音大是空气制冷的又一缺点，但通过噪音控制措施，可以的到改善。 空气压缩式制冷主要在以下几个方面得到应用：空气调节系统，如飞机空调系统大都采用这种制冷方式；低温环境实验；生产工艺过程的快速冷却；气体液化与低温分离装置等。 混合空气做制冷剂在技术上不是问题，问题在于它的绝热指数很高，要使它在常温常压下相变极不经济。飞机空调却能够应用是因为高空环境条件不同，使上述的不经济变为经济，不可能变为可能，仅此而已 逆布雷顿（Brayton）循环 逆布雷顿循环最初亦用于热力发动机。逆向布雷顿循环可用来制冷（简称逆布雷顿循环）。它的制冷原理是利用等熵膨胀制冷效应。单级循环适用于77-150K的温度范围。两级循环适用于20K，最低温度可达１２Ｋ。布雷顿循环由压缩机、膨胀机及换热器组成。从理论上分析，循环有最佳压比，相应的功率及机器重量为最小。最佳压比通常在2.5-3左右。美国Creare公司在军方资助下已制成5W/77K的长寿命逆布雷顿循环制冷机，该制冷机采用了气体轴承微型透平，已用于空间技术制冷。 个人观点，仅供参考 1.压缩空气单位制冷量小 2.制冷系数小 3.变温过程不可逆损失大 长期以来,空气制冷在空调领域的应用只局限于飞机空调,因为飞机座舱空气制冷空调装置能充分利用飞机原有设备和条件: 利用飞机涡轮喷气发动机作为制冷系统的动力源和压缩机,以机外冲压空气作为冷却介质,只增加透平膨胀机及其附属设备,提高设备利用率,实现系统小型化。 然而,要使空气制冷技术在空调领域得到推广,必须把其性能放在第一位考虑,这是当今世界能源紧缺的现实要求,也是产品具有竞争力的标志。近年来,欧美国家对空气制冷应用于住宅和列车空调的研究取得了很大的进展,美国早在1993年就设计出用于住宅和商业建筑空调(采暖、空调)的闭式空气循环制冷装置样机, 由Normalair -Garrett Limited 设计及制造的列车用闭式空气制冷空调系统于1998 年在往返于德国和荷兰的ICE- 3 高速列车上投入使
第十章蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质：水蒸汽。 用途：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 匀速 朗肯循环回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环（蒸汽动力循环）至今 不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能 按卡诺循环进行。 p 51 C2 v 1-2绝热膨胀（汽轮机） 2-C定温放热（冷凝汽）可以实现 5-1定温加热（锅炉） C-5绝热压缩（压缩机）难以实现 原因： 2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1 、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且 3 点的湿蒸汽比容比 水大的多 '2000'需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大3232
减少，同时对压缩机不利。 2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理 论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使 T1高于临界温度，改进的结果 就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T 中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵 P 送进省煤器 D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱 和蒸汽进入 S 继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热 过程—朗诺循环。 1-2绝热膨胀过程，对外作功 2-3定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4绝热压缩过程，消耗外界功 4-1定压吸热过程，（三个状态） 4-1 过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2 过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3 过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4 过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。
低温与超导第35卷 第6期制冷技术 Refrigerati on Cryo .&Supercond .Vol .35 No .6 收稿日期:2007-08-02 作者简介:张振迎(1979-),男,硕士,主要研究方向:新型制冷空调装置及相关传热流动现象。 实际逆布雷顿空气制冷循环的性能研究 张振迎1 ,廖胜明 2 (1.河北理工大学,唐山063009;2.中南大学,长沙410083) 摘要:对实际逆布雷顿循环空气制冷循环进行了热力学分析,对其循环性能进行了数值模拟研究。结果表明,影响实际循环性能的主要因素有膨胀比、转动部件等熵效率、工作温度等;实际循环中存在一最优膨胀比;制冷机用作空调冷源时,膨胀比在最优膨胀比附近;最优膨胀比的大小受压缩机效率、膨胀机效率、换热器端部温度等因素影响。 关键词:逆布雷顿循环;制冷;性能 I nvesti ga ti on on perfor mance of actua l reverse -brayton a i r cycle Zhang Zhenying 1 ,L iao Sheng m ing 2 (1.Hebei Polytechnic University,Tangshan 063009,China;2.Central South University,Changsha 410083,China ) Abstract:The ther modynam ic analysis of the actual reverse -B rayt on air cycle was perfor med and the perf or mance was studied by nu 2merical si m ulati on .The results show that,the fact ors on the perfor mance of the actual cycle include the s welling rati o,the isentr op ic efficien 2cies of the r ot ors,working te mperature and etc .;there is an op ti m al s welling rati o f or the actual cycle;the refrigerat or can be used for air conditi oning near the op ti m al s welling rati o;the op ti m al s welling rati o is affected by the isentr op ic efficiencies of the r ot ors and the tempera 2ture of heat exchangers . Keywords:Reverse -B rayt on cycle,Refrigerati on,Perf or mance 1 引言 空气无毒无害,可以自由获得,对生态环境无破坏 作用,是最理想的制冷剂。但在很长一段时间内,由于技术和制造水平的限制,空气制冷机在普通制冷区域性能低下,应用推广受到了一定限制。随着高速透平机械和高效紧凑换热器的发展,效率显著提高,特别是随着CFC 工质的禁用,逆布雷顿循环空气制冷机再一次被人们所关注,20世纪90年代以来,先后有美国、澳大利亚、德国、日本、英国进行了空气制冷装置和技术的研究及试验,应用范围涉及住宅、列车空调、食品 冷冻和冷藏等几乎所有的制冷技术应用领域[1-2] 。 在我国,对于空气制冷机的研究才刚刚起步。西安交通大学低温技术研究所的陈纯正等人对空气制冷机进行了理论上的探讨,研究了空气制冷机数学模型 的建立、制冷系数的影响因素等[3-5] 。文献[6]对逆布雷顿循环空气制冷机进行了性能分析,并进一步提出了提高制冷机效率的改进方案,对系统参数和设计参数进行了优化设计。文献[7]对双级压缩空气循环的性能与优化进行了研究。 本文主要阐述了逆布雷顿循环空气制冷机的工作原理,对循环做了热力学分析,并进行了优化研究,研 究了膨胀比、部件等熵效率及工作温度对循环性能的影响,进而指出了提高制冷性能和效率的途径。 2 循环热力学分析 图1所示为逆布雷顿空气循环的原理图。图2为循环的T -s 图,图中T 0表示制冷温度,T c 表示环境温度,P c 表示高压压力,P o 表示低压压力。理论循环在T -s 中由1’-2’-3’-4’表示。实际循环中,压缩机与膨胀机中并非等熵过程,换热器中存在传热温差和流动损失,使得实际循环与理论循环差别很大。本文分析时作如下假设:(1)空气当作理想气体处理;(2)吸热、放热过程为等压过程;(3)压缩膨胀过程中的压力损失折算到进口压力上;(4)传热温差折算到换热器端部温度中。 采取上述假设后,即得到实际循环的T -s 图,如图2中的1-2s -3-4s -1过程。1-2s 、2s -3、3-4s 、4s -1分别表示实际循环的压缩、冷却、膨胀和吸热过程。 由于换热器端部温差的存在,气体出冷却器的实际温度比环境温度要高,即T 3>T c ,Δt c 表示其端部温差;同理, T 1
ωnet +q L 要点： 1、 制冷循环 2、 热泵 3、 热泵实例讲解 4、 发展趋势 前言 制冷循环与热泵 制冷循环与热泵的热力学本质是相同的，都是使热量从低温物体传向高温物 体。 制冷与热泵循环的经济性指标： ε '= q H ωnet = = ε + 1 > 1 ωnet 式中，ε′-热泵供暖系数（热泵工作性能系数 COP ′）； ε-制冷循环的制冷系数（制冷装置的工作性能系数 COP ）； q H -供给室内空气的热量； q L -取自环境介质的热量； ωnet -供给系统的净功。
一、制冷循环 制冷系统的工作原理，制冷系统（压缩式制冷）一般由四部分组成：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器。其工作过程为：低温低压的液态制冷剂（例如氟利昂），首先在蒸发器（例如空调室内机）里从高温热源（例如常温空气）吸热并气化成低压蒸气。然后制冷剂气体在压缩机内压缩成高温高压的蒸气，该高温高压气体在冷凝器内被低温热源（例如冷却水）冷却凝结成高压液体。再经节流元件（毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等）节流成低温低压液态制冷剂。如此就完成一个制冷循环。 1.1、压缩空气制冷循环 图中Tc为冷库中需要保持的温度，To为环境温度。从冷库出来的空气（状态1），T1=Tc；进入压气机后被绝热压缩到状态2，此时温度已高于To；然后进入冷却器，在定压下将热量传给冷却水，达到状态3，T3=To；再导入膨胀机绝热膨胀到状态4，此时温度已低于Tc；最后进入冷库，在定压下自冷库吸收热量，回到状态1，完成循环。 1.2、吸收式制冷循环 吸收式制冷循环利用制冷剂在溶液中不同温度下具有不同溶解度的特性，使制冷剂在较低的温度和压力下被吸收剂（即溶剂）吸收，同时又使它在较高
第11 致冷循环 例1压缩空气制冷循环运行温度 ， ，如果循环 增压分别为 3 和 6 ，分别计算它们的循环性能系数和每 kg 工质的制冷量。假定空气为理想气体，此热容取定值 。 解：由 1 1.411.4 1 1 1 2.71213 1a k k επ--= ==-- 1 1.411.4 2 1 1 1.4961 6 1 b k k επ--= = =-- 11 1.4 14 1.4 4.30311()()300()219.183k k k k a a p T T T K p π---===?= 1 1.4 11.44.01 1( ) 300()179.816k k b b T T K π--==?= 11 1.41 2 1.42.111 ()2903396.93k k k k a a p T T T K p π---===?= 1 1.411.4 2.1290648 3.86k k b b T T K π--==?= .141() 1.005(290219.18)71.2/c a p a q c T T kJ kg =-=?-= .141() 1.005(290179.81)110.7/c b p b q c T T kJ kg =-=?-= 例2 一理想蒸汽压缩制冷系统，制冷量为20冷吨，以氟利昂22为制冷剂，冷凝温度为30℃，蒸发温度为-30℃。求：（1）1公斤工质的制冷量q 0;(2)循环制冷量；（3）消耗的功率；（4）循环制冷系数；（5）冷凝器的热负荷。 解 参考图10.2示： S T T 0T c 4 21 ρ3 ρ2 1
38 (3)压缩机所消耗的功及功率 5.111475.15812=-=-=h h w kcal/kg 2.199735.118.1736=?==mw W kcal/h 22.23860 2.19973==th N kW (4)循环制冷系数 3.35 .113800==== εσw q W Q （5）冷凝器热负荷Q K 因h 4=h s ,Q k =mq k =m(h 2-h 4)=1736.8×(158.5-109)=85971.6 kcal/h
◎压缩空气冷冻式干燥机 ，使冷媒达到充分的冷却，从而提高机台的制冷效率，同时避免机台冷凝器散热不良所带来 的高压跳机或机台故障。 一、工况条件与技术指标 Working condition and technical data 进气温度（Inlet temperature): ≤80℃ 冷却方式（Cooling method): 风冷(Air-cooling) 进气压力（Inlet pressure): 0.4～1.0MPa 压力损失（Pressure drop): ≤0.03MPa 压力露点（Dew point): 2～10℃ 制冷剂（Refrigerant): R22 二、伽利略冷冻式干燥机产品特点： 1）人性化设计：科学合理结构设计，外型新颖，美观大方，操作、维护、保养方便，安装简便（无基础）。2）机器制冷系统及空气系统经专家结合全国各地不同工况的差异性进行综合准确计算，设计参数留20%以上的裕量。 3）制冷压缩机：采用国际知名品牌，如：松下、谷轮、泰康、美优乐公司等高性能制冷压缩机，低震动、低噪音、性能可靠、节能高效，确保整机的使用寿命长。压缩机防护等级为IP54级。 4）特殊热交换设计，可降低入口温度，并提高出口空气温度，可避免管路产生水滴，影响生产环境。5）多种形式（单、集、联控、PLC、变频等）的控制线路。适合不同用户的选用。 6）完善的智能保护装置：特设冷媒高低压保护、相序缺相保护、过低温保护以及自动融霜、故障自动停机、自动报警、电机过热保护等保护功能。 7）自动排水器按需设置，除水效率高。浮球式、电子定时可根据机器工况选择设置。 8）本机组采用独特的旋风式分离器。可将冷凝水从空气中彻底分离出来，并在各种气流条件下防止液态水份随压缩空气带出，保持高效的运行，达到最佳之干燥除水目的。 三、型号规格与性能参数 Model,size & technical data
第6章蒸汽动力循环与制冷循环 一、选择题 1. 蒸汽压缩制冷循环过程中，制冷剂蒸发吸收的热量一定制冷剂冷却和冷凝放出的热量 A 大于 B等于 C小于 （C） 2. 从制冷原理和生产应用方面说明制冷剂的选择原则。 答（1）潜热要大。因为潜热大，冷冻剂的循环量可以减小。氨在这方面具有显著的优点，它的潜热比氟里昂约大10倍，常用于大型制冷设备。 （2）操作压力要合适。即冷凝压力（高压）不要过高，蒸发压力（低压）不要过低。因为冷凝压力高将增加压缩机和冷凝器的设备费用，功率消耗也会增加；而蒸发压力低于大气压力，容易造成空气漏入真空操作的蒸发系统，不利于操作稳定。在这方面氨和氟里昂也是比较理想的。 （3）冷冻剂应该具有化学稳定性。冷冻剂对于设备不应该有显著的腐蚀作用。氨对铜有强烈的腐蚀作用，对碳钢则腐蚀不强；氟里昂则无腐蚀。 （4）冷冻剂不应有易燃和易爆性。 （5）冷冻剂对环境应该无公害。氟里昂F11、F12对大气臭氧的破坏已被公认，将逐渐被禁用，无公害的氟里昂替代品已大量应用。 综合以上各点，氨作为冷冻剂常用于大型冷库和工业装置。而无公害氟里昂常用于小型冷冻机和家用电器 3. 某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在２5０K吸收热量Q L,在３００K放出热量-Q H,压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的功为Ws，判断下列问题的性质。A可逆的 B 不可逆的C 不可能的 (1). Q L =2000kJ Ws=400kJ （A ） 250 5 300250 η== - 可逆 2000 5 400 L s Q W η=== ηη = 可逆 该制冷过程是可逆的(2). Q L=1000kJ Q H=－1500kJ ( B ) 250 5 300250 η== - 可逆 1000 2 15001000 L L s H L Q Q W Q Q η==== --- ηη < 可逆 该制冷过程是不可逆的(3). Ws=100kJ Q H=－700kJ ( C ) 250 5 300250 η== - 可逆 700100 6 100 H s L s s Q W Q W W η --- ==== ηη > 可逆 该制冷过程是不可能的 4. 卡诺制冷循环的制冷系数与有关。 A制冷剂的性质B制冷剂的工作温度C制冷剂的循环速率D压缩机的功率( B )
工程热力学思考题答案,第 十一章 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
第十一章 制冷循环 1.家用冰箱的使用说明书上指出，冰箱应放置在通风处，并距墙壁适当距离，以及不要把冰箱温度设置过低，为什么 答：为了维持冰箱的低温，需要将热量不断地传输到高温热源（环境大气），如果冰箱传输到环境大气中的热量不能及时散去，会使高温热源温度升高，从而使制冷系数降低，所以为了维持较低的稳定的高温热源温度，应将冰箱放置在通风处，并距墙壁适当距离。 在一定环境温度下，冷库温度愈低，制冷系数愈小，因此为取得良好的经济效益，没有必要把冷库的温度定的超乎需要的低。 2.为什么压缩空气制冷循环不采用逆向卡诺循环 答：由于空气定温加热和定温放热不易实现，故不能按逆向卡诺循环运行。在压缩空气制冷循环中，用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程。 3.压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机，压缩空气制冷循环是否也可以采用这种方法为什么 答：压缩空气制冷循环不能采用节流阀来代替膨胀机。工质在节流阀中的过程是不可逆绝热过程，不可逆绝热节流熵增大，所以不但减少了制冷量也损失了可逆绝热膨胀可以带来的功量。而压缩蒸气制冷循环在膨胀过程中，因为工质的干度很小，所以能得到的膨胀功也极小。而增加一台膨胀机，既增加了系统的投资，又降低了系统工作的可靠性。因此，为了装置的简化及运行的可靠性等实际原因采用节流阀作绝热节流。 4.压缩空气制冷循环的制冷系数、循环压缩比、循环制冷量三者之间的关系如何 答： T （a （b ） 压缩空气制冷循环状态参数图
第五章 蒸汽动力循环和制冷循环 5－3 设有一台锅炉，每小时产生压力为2.5MPa ，温度为350℃的水蒸汽4.5吨，锅炉的给 水温度为30℃，给水压力2.5MPa 。已知锅炉效率为70％，锅炉效率：染料可提供的热量 蒸汽吸收的热量= B η。 如果该锅炉耗用的燃料为煤，每公斤煤的发热量为29260kJ ·kg -1，求该锅炉每小时的耗煤量。 解：查水蒸汽表 2.5MPa 20℃H 2O 13.86-?=kg kJ H 2.5MPa 40℃H 2O 177.169-?=kg kJ H 内插得到 2.5MPa 30℃H 2O 1 04.1282 3 .8677.169-?=+= kg kJ H 查水蒸汽表 2.0MPa 320℃H 2O 15.3069-?=kg kJ H 2.0MPa 360℃H 2O 13.3159-?=kg kJ H 内插得到 2.0MPa 350℃H 2O 1 85.31365.30693040 5 .30693.3159-?=+?-= kg kJ H 查水蒸汽表 3.0MPa 320℃H 2O 14.3043-?=kg kJ H 3.0MPa 360℃H 2O 17.3138-?=kg kJ H 内插得到 3.0MPa 350℃H 2O 1 88.31144.30433040 4 .30437.3138-?=+?-=kg kJ H 内插得到 2.5MPa 350℃H 2O 1 87.31252 85 .313688.3114-?=+= kg kJ H 锅炉在等压情况下每小时从锅炉吸收的热量： 1 3 1231490235)04.12887.3125(105.4)(2-?=-??=-?=h kJ H H H m Q O H 锅炉每小时耗煤量： 1 6.65829260 7.013490235-?=?= h kg mcoal 5－4 某朗肯循环的蒸汽参数为：进汽轮机的压力MPa p 61=，温度C t ?=5401，汽轮机出口压力MPa p 008.01=。如果忽略所有过程的不可逆损失，试求：（1）汽轮机出口乏气的干度与汽轮机的作功量；（2）水泵消耗的功量；（3）循环所作出的净功；（4）循环热效率。 解：朗肯循环在T －S 图上表示如下： 1点（过热蒸汽）性质： MPa p 61=，C t ?=5401， 1 10.3517-?=kg kJ H 1 19999.6-?=kg kJ S 2点（湿蒸汽）性质：
第6章 蒸汽动力循环和制冷循环 6.1 蒸汽动力循环 蒸汽动力循环是以水蒸汽为工质，将热能连续不断地转换成机械能的热力循环。现代化的大型化工厂，蒸汽动力循环为全厂供给动力、供热及供应工艺用蒸汽。分析动力循环的目的是研究循环中热、功转换的效果及其影响因素，提高能量转换效果。 朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成。 图6-1 朗肯循环的示意图和T-S 图 1→2 的过程表示过热蒸汽在汽轮机中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功 kg kJ H H H W s /12 -=?= 2→3 的过程表示乏汽在冷凝器中的等温等压冷凝过程，工质放出的热量 kg kJ H H H Q /232-=?= 3→4 的过程表示冷凝水通过水泵由P 3升压至P 4的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功 kg kJ H H H W P /34 -=?= 把水看作是不可压缩流体，则 ()kg kJ P P V VdP W P P P /344 3 -== ? 4→1 的过程表示水在锅炉中等压升温和等压汽化，成为过热蒸汽的过程。工质在锅炉中吸收的热量 kg kJ H H H Q /411-=?= 理想朗肯循环的热效率 () ()() 4 14 3 2 1 1 H H H H H H Q W W P s --+-= +-= η 蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量 4 1211 H H H H Q W s --= -≈ η 热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功量时所消耗的能量的多少，它是评价蒸汽 汽轮机 水泵 冷凝器 锅炉
动力装置的一个重要指标。 作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。 ()h kW kg W kJ kg W SSC ?-= -= /3600/1 当对外作出的净功相同时，汽耗率大的装置其尺寸相应增大。所以汽耗率的高低可用来比较装置的相对尺寸大小和过程的经济性。 工质的热力学性质可以由热力学图表或公式求得。用热力学图表的计算方法如下 状态点1 根据P 1、t 1 值可查得H 1、S 1值； 状态点2 S 2=S 1，根据P 2、S 2 值可查得H 2、t 2值； 状态点3 P 3=P 2，查P 3下的饱和液体可得H 3、V 3 、S 3值； 状态点4, P 4=P 1，S 4=S 3，根据P 4、S 4可查得 H 4值，或者将液体水的比容当作常数，由 H 4=H 3+W p =H 3+V(P 4-P 3) 计算。 蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵的，而是向着墒增加的方向偏移，用1→2′线表示。 水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，可不考虑不可逆的影响。 蒸汽通过汽轮机膨胀，实际做出的功应为H 1 – H 2′，它小于等熵膨胀的功H 1 – H 2。两者之比称为透平机的等熵效率。 ()() 2 121H H H H W W s s s --= --= '可不η 实际朗肯循环的热效率 ()() 4 1214 14 3 2 1H H H H H H H H H H -'-≈ --+'-= η 例6-1 例6-2 通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率 （1） 提高蒸汽的过热温度 在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时, 可提高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并且可以降低汽耗率。同时乏气的干度增加，使透平机的相对内部效率也可提高。但是蒸汽的最高温度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸汽 的最高温度以不超873K 为宜。 （2） 提高蒸汽的压力 当蒸汽压力提高时，热效率提高、而汽耗率下降。但是随着压力的提高，乏汽的干度下降，即湿含量增加，因而会引起透乎机相对内部效率的降低．还会使透平中最后几级的叶片受到磨蚀，缩短寿命。乏汽的干度一般不应低于0.88。另外，蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压力，设备制造费用也会因蒸汽压力的提高而大幅上升。 6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀 6.2.1节流膨胀 ΔH = 0 流体进行节流膨胀是，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或Joule-thomson 效应。
第8章 蒸汽动力循环及制冷循环 将热能变为机械能组成循环的热力过程。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。 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。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。 本章学习要求 要求学生了解蒸汽动力循环的基本过程，掌握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 的改进方法。在制冷循环中，要求掌握逆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；了解热泵的基本概念和在工业生产中的应用。最后了解与掌握空气液化及其计算方法。 重点与难点 8.1 Rankine 循环 H L H s c T T Q w - =-=1η S
T 图6-1 Rankine 循环示意图 图6-2 Rankine 循环的T-S 图 Rankine 循环中工质历经的各个单元过程是完全理想化的(忽略工质的流动阻力与温差传热)，以单位质量的工质为基准，运用稳流过程热力学第I 定律进行分析： 12→过程：透平机中工质作可逆绝热膨胀过程(等熵膨胀)，对外输出轴功S W ： 1S 21W H H H (kJ kg )-=?=-? (6-1) 32→过程：湿蒸汽在冷凝器中的等压等温冷凝过程(相平衡)，工质冷凝放热量L Q ： 1L 32 Q H H H (kJ kg )-=?=-? (6-2) 34→过程：饱和水在水泵中作可逆绝热压缩过程(等熵压缩)，水泵消耗轴功S,PUMP W ： 1S,PUMP 43W H H H (kJ kg )-=?=-? (6-3) 由于水的不可压缩性，在压缩过程中水的体积变化微小，S,PUMP W 可按下式计算： 4 23 P S,PUMP H O 43P W VdP V (P P )=≈?-? (6-4) 41→过程，实际上含44'→(给水预热)、 4'1'→(等压等温汽化或两相平衡)及1'1→(饱和蒸汽过热)三个阶段，工质在锅炉与过热器中吸收的热量H Q ： 1H 14 Q H H H (kJ kg )-=?=-? (6-5) 热效率(即热机效率或第I 定律效率)和汽耗率是评价蒸汽动力循环的经济技术指标。 1234S S,PUMP I H 14 (H H )(H H ) (W W ) Q H H -+--+η= =- (6-6) 在蒸汽动力循环中，水泵消耗的功率远小于所产生的轴功，S,PUMP S W W <<，因此： 12S I H 14 H H W Q H H --η== - (6-7) 汽耗率(SSC)是指蒸汽动力循环中，输出1kW h ?的净功所消耗的蒸汽量。 ()1 S 3600SCC kg kW h W -= ??- (6-8) 图6-2及式(6-1)~(6-7)中各状态点的焓值由水蒸汽表通过线性内插求取，或由水蒸汽的