工程熱力學(xué)第三版電子教案第10章

1、第10章 動力循環(huán)及制冷循環(huán)101本章基本要求101102 例題101103 思考及練習(xí)題107104自測題110101本章基本要求1熟練掌握水蒸氣朗肯循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)、再熱循環(huán)以及熱電循環(huán)的組成、熱效率計(jì)算及提高熱效率的方法和途徑。2熟練空氣和蒸汽壓縮制冷循環(huán)的組成、制冷系數(shù)的計(jì)算及提高制冷系數(shù)的方法和途徑。3了解吸收制冷、蒸汽噴射制冷及熱泵的原理。102 例題例1：某朗肯循環(huán)的蒸汽參數(shù)取為=550，=30bar，=0.05bar。試計(jì)算1) 水泵所消耗的功量，2) 汽輪機(jī)作功量, 3) 汽輪機(jī)出口蒸汽干度, 4) 循環(huán)凈功， 5) 循環(huán)熱效率。解：根據(jù)蒸汽表或圖查得1、2、3、4各狀態(tài)點(diǎn)的焓

2、、熵值：=3568.6KJ/kg =7.3752kJ/kgK=2236kJ/kg =7.3752kJ/kgK=137.8kJ /kg =0.4762kJ/kgK=140.9kJ/kg則 1) 水泵所消耗的功量為=140.9-137.78=3.1kJ/kg2) 汽輪機(jī)作功量=3568.6-2236=1332.6kJ/kg3) 汽輪機(jī)出口蒸汽干度=0.05bar時(shí)的=0.4762kJ/kgK =8.3952kJ/kgK.則 0.87或查h-s圖可得 =0.87.4) 循環(huán)凈功 =1332.6-3.1=1329.5kJ/kg5) 循環(huán)熱效率 =3568.6-140.9=3427.7KJ/kg故 =0

3、.39=39%（i）p3a=6.867bar，t3a=490 水泵的功 =0.001(686.7-9.81)÷0.8=0.846kJ/kg wnet=923.57-0.846=922.72kJ/kg(ii) p3b=58.86 bar，t3b=490 水泵的功 =0.001(5886-9.81)÷0.8=7.34 kJ/kg wnet=1057.5-7.34=1050.16 kJ/kg例2：在一理想再熱循環(huán)中，蒸汽在68.67bar、400下進(jìn)入高壓汽輪機(jī)，在膨脹至9.81bar后，將此蒸汽定壓下再熱至400，然后此蒸汽在低壓汽輪機(jī)中膨脹至0.0981bar，對每公斤蒸汽求

4、下列各值：（1）高壓和低壓汽輪機(jī)輸出的等熵功；（2）給水泵的等熵壓縮功；（3）循環(huán)熱效率；（4）蒸汽消耗率。解：參考圖10.2理想再熱循環(huán)的T-s圖。圖10.1 朗肯循環(huán)的T-s圖圖10.2 理想再熱循環(huán)的T-s圖 在狀態(tài)點(diǎn)3的壓力p3=68.67bar，溫度t3=400。從水蒸汽表查得h3=3157.26kJ/kg·K，s3=6.455kJ/kg·K，v3=0.04084m3/kg。從點(diǎn)3等熵膨脹至43，p4=9.81bar，從h-s圖查得h4s=2713.05kJ/kg。在點(diǎn)5的壓力p5=9.81bar，溫度ts=400，從水蒸汽表查得h5=3263.61kJ/kg,

5、v5=0.3126m3/kg。從點(diǎn)5等熵膨脹至6s，6s點(diǎn)的壓力p6s=0.0981bar，從h-s圖查得h6s=2369.76kJ/kg。在狀態(tài)點(diǎn)1，壓力p1=0.0981bar，液體的焓h1=190.29kJ/kg，液體的比容v1=0.001m3/kg。（1）高壓汽輪機(jī)輸出的等熵功；wt(h)=h3-h4s=3157.26-2713.05=444.21 kJ/kg低壓汽輪機(jī)的輸出功：wt(L)=hs-h6s=3263.61-2369.76=893.88 kJ/kg(2)假設(shè)液體的比容保持常數(shù)，給水泵的等熵壓縮功為：wp=v(p2s-p1)=0.001(6867-9.81)=6.857kJ/

6、kg(3)循環(huán)的熱效率： （4）蒸汽耗率kg/kW·h4點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)p4=37.278bar，t4=400，從水蒸汽表查得h4=3215.46kJ/kg。顯然，由于汽輪機(jī)背壓p2的提高使背壓式蒸汽發(fā)電廠的循環(huán)熱效率低于凝汽式蒸汽發(fā)電廠的循環(huán)熱效率。但從能量利用的角度來看，背壓循環(huán)的“能量利用系數(shù)”K又比凝汽循環(huán)高。凝汽循環(huán)背壓循環(huán)（理想情況下）實(shí)際上由于各種熱損失和電、熱負(fù)荷之間的不協(xié)調(diào)，一般K=0.7左右。例3：某蒸汽動力循環(huán)。汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽參數(shù)為p1=13.5bar，t1=370,汽輪機(jī)出口蒸汽參數(shù)為p2=0.08bar的干飽和蒸汽，設(shè)環(huán)境溫度t0=20,試求：（1）汽輪機(jī)的實(shí)際

7、功量、理想功量、相對內(nèi)效率；（2）汽輪機(jī)的最大有用功量、熵效率；（3）汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率和熵效率的比較。解：先將所研究的循環(huán)表示在h-s圖（圖10.3）上，然后根據(jù)已知參數(shù)在水蒸氣圖表上查出有關(guān)參數(shù)：h1=3194.7kJ/kg s1=7.2244kJ/(kg·K) kJ/kg kJ/(kg·K) kJ/kg 圖10.3 kJ/(kg·K)(1)汽輪機(jī)的實(shí)際功量w12=h1-h2=3194.7-2577.1=617.6 kJ/kg汽輪機(jī)的理想功量 kJ/kg汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率 （2）汽輪機(jī)的最大有用功和熵效率汽輪機(jī)的最大有用功汽輪機(jī)的熵效率（3）汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率

8、和熵效率的比較計(jì)算結(jié)果表明，汽輪機(jī)的對內(nèi)效率小于熵效率。因?yàn)檫@兩個(gè)效率沒有直接聯(lián)系，它們表明汽輪機(jī)完善性的依據(jù)是不同的。汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率是衡量汽輪機(jī)在給定環(huán)境中，工質(zhì)從狀態(tài)可逆絕熱地過渡到狀態(tài)2所完成的最大有用功量（即兩狀態(tài)熵的差值）利用的程度，即實(shí)際作功量與最大有用功量的比值。由圖10.3可見，汽輪機(jī)內(nèi)工質(zhì)實(shí)現(xiàn)的不可逆過程1-2，可由定熵過程1-2和可逆的定壓定溫加熱過程2-2兩個(gè)過程來實(shí)現(xiàn)。定熵過程1-2的作功量為kJ/kg在可逆的定壓定溫加熱過程2-2中，使x2=0.8684的濕蒸汽經(jīng)加熱變?yōu)橄嗤瑝毫ο碌母娠柡驼羝渌锜崃繛閝2=h2-h2。因?yàn)榧訜徇^程是可逆的，故可以想象用一可逆

9、熱泵從環(huán)境（T0=293K）向干飽和蒸汽（T2=314.7K）放熱。熱泵消耗的功量為w22=q2-T0kJ/kg。故1-2過程的最大有用功為kJ/kg與前面計(jì)算結(jié)果相同。顯見，與的差別為而 例4 一理想蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，制冷量為20冷噸，以氟利昂22為制冷劑，冷凝溫度為30，蒸發(fā)溫度為-30。求：（1）1公斤工質(zhì)的制冷量q0;(2)循環(huán)制冷量；（3）消耗的功率；（4）循環(huán)制冷系數(shù)；（5）冷凝器的熱負(fù)荷。解 參考圖10.4所示：（1）1公斤工質(zhì)的制冷量q0從1gp-h圖查得：h1=147kcal/kg,h5=109kcal/kg,q0=h1-h5=147-109=38 kcal/kg該裝置產(chǎn)生的

10、制冷量為20冷噸（我國1冷噸等于3300kcal/h）(2)循環(huán)制冷的劑量m(a) (b)圖10.4kg/h(3)壓縮機(jī)所消耗的功及功率kcal/kgkcal/h kW(4)循環(huán)制冷系數(shù)（5）冷凝器熱負(fù)荷QK因h4=hs,Qk=mqk=m(h2-h4)=1736.8×(158.5-109)=85971.6 kcal/h103 思考及練習(xí)題1各種氣體動力循環(huán)和蒸汽動力循環(huán)，經(jīng)過理想化以后可按可逆循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，但所得理論熱效率即使在溫度范圍相同的條件下也并不相等。這和卡諾定理有矛盾嗎。2能否在蒸汽動力循環(huán)中將全部蒸汽抽出來用于回?zé)?這樣就可以取消凝汽器，從而提高熱效率，能否不讓乏汽凝結(jié)放

11、出熱量，而用壓縮機(jī)將乏汽直接壓入鍋爐，從而減少熱能損失,提高熱效率。3采用加熱和再熱的目的是什么？為什么在相同的溫度范圍內(nèi)，回?zé)嵫h(huán)的熱效率高于朗肯循環(huán)的熱效率？（用T-S圖說明）。4分析動力循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的方法有哪幾種？各有何特點(diǎn)？5蒸汽動力循環(huán)熱效率低的主要原因是什么？如何提高熱能的利用率？采用熱電循環(huán)熱效率是提高了還是降低了？6由于冷凝器作用，蒸汽排汽溫度已接近自然環(huán)境溫度，即已充分利用了可能達(dá)到的冷源溫度，為什么說大量熱量損失到外界去了？7能否在蒸汽動力裝置中將全部蒸汽抽出來用于回?zé)?。（這樣就可取消冷凝器）從而提高熱效率？能否不讓乏汽凝結(jié)放熱，而用壓縮機(jī)直接將乏汽壓入鍋爐，從而節(jié)約熱能，提

12、高熱效率？8能量利用系數(shù)說明了全部能量利用的程度，為什么又說不能完善地說明循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性呢？9在蒸汽的朗肯循環(huán)中，如何理解熱力學(xué)第一、二定律的指導(dǎo)作用？10既然卡諾循環(huán)在一定溫限中熱效率最高，為什么理論蒸汽動力循環(huán)不采用卡諾循環(huán)，而采用朗肯循環(huán)？11將朗肯循環(huán)表示在p-v、T-S、h-s上，并說明采用過熱蒸汽的原因。12提高朗肯循環(huán)熱效率有哪些主要途徑？利用T-S圖和h-s圖說明。13空氣壓縮制冷循環(huán)中，循環(huán)增壓比p2/p1越小，制冷系數(shù)是越大還是越??？增壓比減小，循環(huán)的制冷量如何變化？（在T-S圖上分析）。14如圖（10.5），設(shè)想蒸汽壓縮制冷循環(huán)按12341運(yùn)行，循環(huán)凈功未變，仍等于h4-h

13、2，而從冷源吸取的熱量從h3-h2，增加到h2-h2，這顯然是有利的。這種考慮對嗎？圖10.515試述實(shí)際采用的各種制冷裝置循環(huán)與逆卡諾循環(huán)的主要差異是什么？16為什么有的制冷循環(huán)中采用膨脹機(jī)，有的則代而采用節(jié)流閥？空氣壓縮制冷能否采用節(jié)流閥？17熱泵供熱循環(huán)與制冷循環(huán)有何異同？18在蒸汽制冷中對制冷劑有何基本要求？一般常用的制冷劑有哪幾種？19在一回?zé)嵫h(huán)中，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽為37.278bar、400，離開汽輪機(jī)為0.0981bar、在膨脹至3.924bar后，從汽輪機(jī)抽出一些蒸汽對來自凝汽器的給水加熱，流體離開加熱器時(shí)為3.924bar的飽和水。假設(shè)膨脹和壓縮都是等熵，求循環(huán)的熱效率。2

14、0某核動力循環(huán)。鍋爐從t1=320的核反應(yīng)堆吸入熱量Q1產(chǎn)生壓力為72bar的干飽和蒸汽（點(diǎn)1），水蒸氣經(jīng)汽輪機(jī)作功后在0.08bar壓力下排出（點(diǎn)2），乏汽在冷凝器中向t0=20的環(huán)境定壓放熱后變?yōu)?0的過冷水（點(diǎn)3），最后過冷水經(jīng)泵送回鍋爐（點(diǎn)4）完成循環(huán)。已知該廠的額定功率為750000kW,汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率=0.7，泵效率=0.8。試求:圖10.6圖10.7蒸汽的質(zhì)量流量，并對該循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)分析。21一空氣致冷裝置，如圖10.7所示?？諝膺M(jìn)入壓縮機(jī)的溫度t1=-18、壓力p1=1bar，絕熱壓縮到p2=5.5bar，經(jīng)由冷卻器放熱后，溫度t3=15，求循環(huán)致冷系數(shù)。22某空氣致冷裝

15、置。冷藏室的溫度保持-8，大氣環(huán)境溫度為25。已知致冷量Q0=100000kJ/h。求：（1）該致冷裝置循環(huán)致冷系數(shù)可能達(dá)到的最大值；（2）該裝置必須消耗的最小功率；（3）每小時(shí)傳給大氣環(huán)境的熱量。（1）max=c=8.030; (2)Nmin=3.46kW； （3）Q1=112456 kJ/h）23某空氣致冷裝置?？諝膺M(jìn)入膨脹機(jī)的溫度t3=20、壓力p3=6bar絕熱膨脹到pt=1bar，經(jīng)由冷藏室吸熱后，溫度t1=-10。試求：（1）膨脹機(jī)出口溫度；（2）壓縮機(jī)出口溫度；（3）1kg空氣的吸熱量；（4）1kg空氣傳給大氣環(huán)境的熱量；（5）循環(huán)消耗凈功量；（6）循環(huán)致冷系數(shù)；（7）同溫度范圍

16、內(nèi)逆向卡諾循環(huán)的致冷系數(shù)。（1）t4=-97.4；（2）t2=165.8；(3)q2=87.7kJ/kg；(7)c=8.767）。24某空氣致冷裝置?？諝膺M(jìn)入壓縮機(jī)的壓力p1=1bar，絕熱壓縮到p2=5bar,經(jīng)由冷卻器放熱后，溫度t3=30。已知冷藏室的溫度為-5，求：（1）膨脹機(jī)出口溫度；（2）1kg空氣的吸熱量；（3）1kg空氣的放熱量；（4）循環(huán)凈耗功量；（5）循環(huán)致冷系數(shù)；（6）同溫度范圍內(nèi)逆向卡諾循環(huán)的致冷系數(shù)；（7）若冷藏室溫度為0時(shí)，循環(huán)凈耗功量。（1）t3=-81.7；(2)q2=77.0kJ/kg；(3)q1=122.0kJ/kg；（4）=45.0kJ/kg；（5）=1.

17、711；（6）c=7.657；（7）W=48.0kJ/kg）。25一空氣制冷裝置的制冷量Q0=836400kJ/h?？諝鈮嚎s機(jī)吸入空氣的壓力p1=0.981bar，溫度t1=-10，經(jīng)壓縮后空氣的壓力p2=0.981bar，溫度t1=-10,經(jīng)壓縮后空氣的壓力p2=3.924bar，空氣進(jìn)入膨脹機(jī)的溫度為20。求：（1）電動機(jī)、壓氣機(jī)、膨脹機(jī)的功率；（2）裝置的制冷系數(shù)；（3）空氣的質(zhì)量流量；（4）傳給冷卻水的熱量。26空氣制冷裝置的制冷量Q0=83736kJ/h，已知制冷裝置中空氣的最高壓力p2=4.905bar，最低壓力p1=1.076bar。開始壓縮時(shí)空氣溫度t1=0,由冷卻器出來時(shí)的溫

18、度t3=20。如空氣被壓縮和膨脹時(shí)的多變指數(shù)n=1.28，求：（1）裝置的制冷系數(shù)；（2）原動機(jī)的理論功率。27一空氣制冷系統(tǒng)產(chǎn)生10冷噸的冷量，它由離心式壓縮機(jī)、冷卻器和空氣渦輪機(jī)所組成，此渦輪與壓縮機(jī)直接連接，其壓縮和膨脹過程都遵循不可逆的絕熱過程pvn=C，壓縮過程n=1.6，膨脹時(shí)n=1.3，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力p1=0.8276bar，溫度t1=21,渦輪進(jìn)口壓力p3=1.45bar、溫度t3=38，為一穩(wěn)定流動過程，忽略動能的變化。試畫出流體流動的過程圖和T-S圖，并求：（1）壓縮終了的溫度t2；（2）膨脹終了的溫度t4；（3）空氣的流量；（4）凈功率；（5）制冷系數(shù)。104自測題一、是

19、非題1空氣壓縮式致冷循環(huán)中，循環(huán)壓力比越大，則致冷系數(shù)就越大。（ ）2過冷溫度越大，蒸氣壓縮致冷系數(shù)就越小。（ ）3和朗肯循環(huán)相比，抽汽回?zé)嵫h(huán)提高了循環(huán)的熱效率，因而每kg蒸汽作出的功量也增大。（ ）4采用熱電循環(huán)的目的，主要在于提高熱力循環(huán)的熱效率。( )5在環(huán)境溫度與冷庫溫度不變的情況下，在空氣壓縮制冷循環(huán)中，循環(huán)壓力比/越小，則每kg工質(zhì)的制冷量越大。（ ） 6蒸汽噴射致冷循環(huán)在實(shí)用上得不到低于0的冷量。( )7吸收式致冷循環(huán)中，必須采用高溫高壓的蒸汽作為熱源。（ ）8. 熱循環(huán)的主要目的是提高蒸汽輪機(jī)尾部排氣干度。 ( )9蒸汽壓縮致冷循環(huán)中，致冷劑液體的比熱越小，那么節(jié)流過程引起的

20、損失就越小。（ ）10蒸汽動力裝置中凝汽排出的熱量較多，因此其可用能損失也大。( )二、選擇題1如圖，熱泵循環(huán)，供熱量為-（A）（B） （C）（D） 2熱泵的供熱系數(shù)等于5，則該熱泵作為致冷機(jī)用時(shí)，其致冷系數(shù)等于-(A) 6 (B) 5 (C) 4 (D) 33采用熱電循環(huán)的目的是-(A)提高熱力循環(huán)的熱效率 (B)降低單位功率的燃料耗量(C)提高熱能利用率 (D)提高排氣干度4抽汽回?zé)嵫h(huán)改善了朗肯循環(huán)，其根本原因在于-(A)單位質(zhì)量水蒸汽作功能力增加了 (B)乏汽的熱能得到充分利用(C)提高了平均吸熱溫度 D）提高平均吸熱溫度的同時(shí)降低了放熱溫度。5采用蒸汽再熱循環(huán)的目的在于-（A）降低乏

21、汽干度，提高循環(huán)熱效率（B）提高平均吸熱溫度，提高循環(huán)熱效率（C）提高蒸汽溫度，提高循環(huán)熱效率（D）提高蒸汽溫度，提高功率6抽汽式熱電循環(huán)的結(jié)果是-（A）提高循環(huán)熱效率，提高熱能利用率 （B）提高循環(huán)熱效率，降低熱能利用率 （C）降低循環(huán)熱效率，提高熱能利用率（D）降低循環(huán)熱效率，降低熱能利用率 7朗肯循環(huán)熱效率不高的主要原因- （A）新蒸汽的溫度不高 （B）排氣溫度高于環(huán)境溫度（C）凝汽器中被冷卻水帶走的熱量較大 （D）設(shè)備散熱損失較大8影響蒸汽壓縮制冷循環(huán)制冷系數(shù)的主要因素是-（A）制冷劑的性質(zhì) （B）冷凝溫度與蒸發(fā)溫度（C）制冷劑的流量 （D）制冷過程中的不可逆損失三、填空題1理論空氣壓縮制冷循環(huán)有-、-、-、-，四個(gè)過程組成。2理論蒸汽壓縮制冷循環(huán)有-、-、-、-，四個(gè)過程組成。3提高蒸汽壓縮致冷循環(huán)工作系數(shù)，可以采用-、-和-等措施。4朗肯循環(huán)由-、-、-、-，四個(gè)理想熱力過程組成。5熱電循環(huán)的兩種方式-、-。6蒸汽噴射制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性用-來衡量，即-7熱電循環(huán)熱能利用率K=-，調(diào)節(jié)抽汽式熱電循環(huán)K=-8由于空氣壓縮循環(huán)不易實(shí)現(xiàn)-，同時(shí)空氣的-值低，所以