第五 熱工應(yīng)用

1、第五章 熱工基礎(chǔ)的應(yīng)用第三節(jié)壓氣機(jī)活塞式壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程分析活塞式壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程分析壓氣機(jī)壓氣機(jī)的作用的作用生活中：自行車(chē)打氣。生活中：自行車(chē)打氣。工業(yè)上：鍋爐鼓風(fēng)、出口引風(fēng)、工業(yè)上：鍋爐鼓風(fēng)、出口引風(fēng)、煉鋼、燃?xì)廨啓C(jī)、制冷空調(diào)等等煉鋼、燃?xì)廨啓C(jī)、制冷空調(diào)等等型式型式結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)活塞式活塞式(往復(fù)式往復(fù)式)離心式離心式 ，渦旋渦旋軸流式，螺桿軸流式，螺桿連續(xù)流動(dòng)連續(xù)流動(dòng)壓壓力力范范圍圍通風(fēng)機(jī)通風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)壓縮機(jī)0.01pMPa 0.010.3MPapMPa 0.3pMPa Fan CompressorFanner 理論壓氣功理論壓氣功(可逆過(guò)程可逆過(guò)程)指什么功指什么功pv目的：目的：

2、研究研究耗功耗功，越少越好越少越好活塞式壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程活塞式壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程技術(shù)功技術(shù)功wt12Minimizing work input(1)特別快，來(lái)不及換熱。特別快，來(lái)不及換熱。(2)特別慢，熱全散走。特別慢，熱全散走。(3)實(shí)際壓氣過(guò)程是實(shí)際壓氣過(guò)程是 kn 12p1p1T2n2s2pvT2n21Ts2p1ps2 可能的壓氣過(guò)程可能的壓氣過(guò)程sTnnk1n 2p1p1T2n2s2pvT2n21Ts2p1ps2 三種壓氣過(guò)程的參數(shù)關(guān)系三種壓氣過(guò)程的參數(shù)關(guān)系tTtntswww2T2n2svvvTns0qqq12T2n2sTTTT2p1p1T2n2s2pvT2n21Ts2p1ps2 三種壓

3、氣過(guò)程功的計(jì)算三種壓氣過(guò)程功的計(jì)算1tT12lnpwRTpn 12ntn111 ()1npwRTnp12ts111 ()1kkkpwRTkp最小最小 重要啟示重要啟示兩級(jí)壓縮中間冷卻分析兩級(jí)壓縮中間冷卻分析儲(chǔ)氣罐冷卻水高壓缸低壓缸進(jìn)氣口123452p1p12pp有一個(gè)最佳增壓比有一個(gè)最佳增壓比pv 省功省功Work saved最佳增壓比的推導(dǎo)最佳增壓比的推導(dǎo)123454p1ppv 省功省功IIIt(n)t(n)www分級(jí)n-12n11n-14n331() 11()1npRTnpnpRTnpn-1n-124nn1122()() 1nppwRTnpp分級(jí)2p最佳增壓比的推導(dǎo)最佳增壓比的推導(dǎo)2412

4、pppp123454p1ppv 省功省功n-1n-124nn1122()() 1nppwRTnpp分級(jí)欲求欲求w分級(jí)分級(jí)最小值，最小值，20wp分級(jí)412ppp 2p1424111pp ppppppp終初可證明可證明若若m級(jí)級(jí)mpp終初最佳增壓比最佳增壓比分級(jí)壓縮的其它好處分級(jí)壓縮的其它好處123454p1ppvTs2p1p2p4p123456645TT 潤(rùn)滑油要求潤(rùn)滑油要求t缺點(diǎn)缺點(diǎn)第六節(jié)第六節(jié)制冷（致冷）循環(huán)制冷（致冷）循環(huán)Refrigeration Cycles動(dòng)力循環(huán)與動(dòng)力循環(huán)與制冷（熱泵制冷（熱泵)循環(huán)循環(huán) 制冷制冷Refrigeration循環(huán)循環(huán) 輸入功量（或其他代價(jià)），從低輸入

5、功量（或其他代價(jià)），從低溫溫?zé)嵩慈釤嵩慈?動(dòng)力動(dòng)力Power循環(huán)循環(huán) 輸入熱輸入熱, ,通過(guò)循環(huán)輸出功通過(guò)循環(huán)輸出功 熱泵熱泵Heat Pump循環(huán)循環(huán) 輸入功量（或其他代價(jià)），向高溫輸入功量（或其他代價(jià)），向高溫?zé)嵊脩?hù)供熱熱用戶(hù)供熱 正循環(huán)正循環(huán)逆循環(huán)逆循環(huán)逆循環(huán)逆循環(huán)制冷循環(huán)和制冷制冷循環(huán)和制冷系數(shù)系數(shù)Coefficient of Performance2COPqwT0環(huán)境環(huán)境T2冷庫(kù)冷庫(kù)卡諾逆循環(huán)卡諾逆循環(huán)222C1202qqTwqqTTq1q2wTsT2T00211TTT0不變不變, T2 CT2不變不變, T0 CReversed Carnot cycle制冷能力和冷噸制冷能力和

6、冷噸生產(chǎn)中常用生產(chǎn)中常用制冷能力制冷能力來(lái)衡量設(shè)備產(chǎn)冷量大小來(lái)衡量設(shè)備產(chǎn)冷量大小制冷能力：制冷能力：制冷設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)從冷庫(kù)取制冷設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)從冷庫(kù)取 走的熱量走的熱量(kJ/s)。1冷噸：冷噸：1噸噸0C飽和飽和水水在在24小時(shí)內(nèi)被冷凍小時(shí)內(nèi)被冷凍 到到0C的的冰冰所需冷量。所需冷量。水的凝結(jié)（熔化）熱水的凝結(jié)（熔化）熱 r =334 kJ/kg1冷噸冷噸=3.86 kJ/sCooling Capacity and Ton of Refrigeration制冷循環(huán)種類(lèi)制冷循環(huán)種類(lèi) 空氣壓縮制冷空氣壓縮制冷 壓縮制冷壓縮制冷 蒸氣壓縮制冷蒸氣壓縮制冷 吸收式制冷吸收式制冷制冷循環(huán)制冷循環(huán) 吸

7、附式制冷吸附式制冷 蒸汽噴射制冷蒸汽噴射制冷 半導(dǎo)體制冷半導(dǎo)體制冷 熱聲制冷熱聲制冷,磁制冷磁制冷Vapor-compressionGas compressionAbsorptionRefrigeration CycleAdsorption蒸氣壓縮制冷循環(huán)蒸氣壓縮制冷循環(huán) 水能用否？水能用否？ 0C以下凝固不能流動(dòng)。以下凝固不能流動(dòng)。一般用低沸點(diǎn)工質(zhì)，如氟利昂、氨一般用低沸點(diǎn)工質(zhì)，如氟利昂、氨沸點(diǎn)：沸點(diǎn)：(1)sT patm水水100CR22- 40.8CR134aTHR01- 26.1C- 30.18CVapor-compression refrigeration cycle蒸氣壓縮制冷空調(diào)

8、蒸氣壓縮制冷空調(diào)裝置裝置1-2：絕熱壓縮過(guò)程絕熱壓縮過(guò)程2-4：定壓放熱過(guò)程定壓放熱過(guò)程4-5：絕熱節(jié)流過(guò)程絕熱節(jié)流過(guò)程5-1：定壓吸熱過(guò)程定壓吸熱過(guò)程45蒸氣壓縮制冷循環(huán)蒸氣壓縮制冷循環(huán)Ts1234567比較比較逆卡諾循環(huán)逆卡諾循環(huán)3467c73 濕蒸氣壓縮濕蒸氣壓縮 “液擊液擊”現(xiàn)現(xiàn)象象 12 既安全，又既安全，又增加了單位質(zhì)量增加了單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量工質(zhì)的制冷量71逆卡諾逆卡諾實(shí)際實(shí)際蒸氣壓縮制冷循環(huán)的計(jì)算蒸氣壓縮制冷循環(huán)的計(jì)算Ts12345蒸發(fā)器中吸熱量蒸發(fā)器中吸熱量 21514qhhhh冷凝器中放熱量冷凝器中放熱量 124qhh制冷系數(shù)制冷系數(shù) 21414212241421()()

9、qhhhhqqqhhhhhhw兩個(gè)等壓，熱與功均與焓有關(guān)兩個(gè)等壓，熱與功均與焓有關(guān) lnlnp p- -h h圖圖lnlnp p- -h h圖及計(jì)算圖及計(jì)算Ts12345lnph123452q1qw21514qhhhh124qhh21421qhhwhh P-h diagram501001502002503003504004505005506006500.010.1110 x=1.0x=0.00.00070.000750.00080.000850.00090.000950.0010.00110.00120.00130.00140.00150.

10、0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.010.0150.02m3/kg0.0250.030.040.050.060.070.080.00.60.7m3/kg1.52.02.53.02.4kJ/(kg K)2.0kJ/(kg K)1.0kJ/(kg K)250oC240230220210200190180170160150140130120110100908070605040302010t=0-10-20-3

11、0-40-50-60 p(MPa)h(kJ/kg)過(guò)冷措施過(guò)冷措施Ts12345lnph12345215qhh21421qhhwhh5421whh不變不變45124qhh工程上常用工程上常用制冷劑制冷劑refrigerant 蒸氣壓縮制冷，要盡可能利用工質(zhì)兩相蒸氣壓縮制冷，要盡可能利用工質(zhì)兩相區(qū)，因此與工質(zhì)性質(zhì)密切相關(guān)。區(qū)，因此與工質(zhì)性質(zhì)密切相關(guān)。對(duì)熱物性要求：對(duì)熱物性要求：1. 沸點(diǎn)低，沸點(diǎn)低，tb t tm m順順（相同進(jìn)出口溫度）（相同進(jìn)出口溫度）橫流和其它流動(dòng)的平均溫差橫流和其它流動(dòng)的平均溫差橫流（錯(cuò)位）橫流（錯(cuò)位）折流折流 簡(jiǎn)單：一種流體折流簡(jiǎn)單：一種流體折流 復(fù)雜：兩種以上復(fù)雜：兩

12、種以上例例 題題某換熱器，殼側(cè)熱流體的進(jìn)出口溫度分某換熱器，殼側(cè)熱流體的進(jìn)出口溫度分別為別為300300和和150150，管側(cè)冷流體的進(jìn)出，管側(cè)冷流體的進(jìn)出口溫度分別為口溫度分別為3535和和8585。求該換熱器分別為逆流式、順流式和叉求該換熱器分別為逆流式、順流式和叉流式時(shí)的平均傳熱溫差。流式時(shí)的平均傳熱溫差。解解：cttIntttctctccccctctctctmffff 8 .159 115 215 3585 150300 85 35 150 300 2121212211逆流： 3 .142 65 265 8553 150300 212121cttIntttctctccccm順流：ctt

13、tttRttttPmffffffff 1558 .15997. 0 97. 033585150300 19. 0353003585 22212122，于是查圖，得修正系數(shù)叉流 對(duì)于一側(cè)恒溫，另一側(cè)變溫，如熱流體溫對(duì)于一側(cè)恒溫，另一側(cè)變溫，如熱流體溫度始終為度始終為T(mén) Ts s，（相態(tài)發(fā)生變化），冷流體從，（相態(tài)發(fā)生變化），冷流體從T Tc1c1TTc2c2，則：，則： 對(duì)于兩側(cè)都是恒溫，則對(duì)于兩側(cè)都是恒溫，則 21212211 ttIntt tttttttmcscschmttt換熱器的熱計(jì)算換熱器的熱計(jì)算傳熱方程式傳熱方程式熱平衡方程式熱平衡方程式 （無(wú)熱損）（無(wú)熱損）mtkAQ)()(122

14、1cccmhhhmhhqhhqQ 式中：式中： Q Q傳熱速率，傳熱速率，kJ/h, wkJ/h, w q qm m流體質(zhì)量流量流體質(zhì)量流量 kg/hkg/h h h單位質(zhì)量流體的焓單位質(zhì)量流體的焓 kJ/kgkJ/kg 下標(biāo)下標(biāo)h h、c c分別表示冷熱流體分別表示冷熱流體 上標(biāo)分別表示換熱器進(jìn)、出口狀態(tài)上標(biāo)分別表示換熱器進(jìn)、出口狀態(tài))()(ccpccmhsphVhmttCqttClqQ （1 1）若兩流體無(wú)相變）若兩流體無(wú)相變)()(cccpcmchhphmhttCqttCqQ （2 2）若熱流體有相變（蒸汽）若熱流體有相變（蒸汽）)(cccpcmcvmhshhttCqlqQttt 時(shí)當(dāng)s

15、hTT2（3 3）當(dāng)）當(dāng)換熱器的計(jì)算換熱器的計(jì)算設(shè)計(jì)計(jì)算：換熱面積未知設(shè)計(jì)計(jì)算：換熱面積未知校核計(jì)算：換熱面積已知校核計(jì)算：換熱面積已知計(jì)算步驟計(jì)算步驟根據(jù)給定條件，由熱平衡方程式求出換根據(jù)給定條件，由熱平衡方程式求出換熱量或進(jìn)、出口溫度中的未知溫度；熱量或進(jìn)、出口溫度中的未知溫度；確定流動(dòng)方式，由冷、熱流體的確定流動(dòng)方式，由冷、熱流體的4個(gè)進(jìn)、個(gè)進(jìn)、出口溫度確定平均溫差。出口溫度確定平均溫差。計(jì)算相應(yīng)的傳熱系數(shù)；計(jì)算相應(yīng)的傳熱系數(shù)；由熱方程式求出所需的換熱器面積。由熱方程式求出所需的換熱器面積。整理已知條件：整理已知條件：mdmdKmkwhKmkwhCtCtKkgkJcskgqCtCtchc

16、cphmhhh025. 0,02. 0./85. 0,./7 . 1,50,20./9 . 1,/25. 1,30,802122 求求（1）換熱量）換熱量chQQtkAQ2kwTTCqQhhphhm75.118)3080(9 . 125. 121求求（2）總傳熱系數(shù)）總傳熱系數(shù)kkmkwhdddhdKhmic212. 27 . 110225. 0045. 0025. 002. 085. 0025. 011求求（3）所需換熱器的傳熱面積）所需換熱器的傳熱面積tkAQ2平均傳熱溫差平均傳熱溫差CC3080CC2050iTC30C10逆流傳熱：逆流傳熱： 熱流體熱流體Th 冷流體冷流體TC 溫溫 差

17、差 CTTTTT2 .181030ln1030ln2121計(jì)算所需換熱器面積計(jì)算所需換熱器面積 22289.132 .1847. 075.118mTKQAtkAQ2例例 題題 一房屋的混凝土外墻的厚度為一房屋的混凝土外墻的厚度為 =200mm =200mm ，混，混凝土的熱導(dǎo)率為凝土的熱導(dǎo)率為 =1.5W/(m=1.5W/(mK) K) ，冬季室外空，冬季室外空氣溫度為氣溫度為-10, -10, 有風(fēng)天和墻壁之間的表面?zhèn)饔酗L(fēng)天和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為熱系數(shù)為h h2 2=20W/(m=20W/(m2 2K)K)，室內(nèi)空氣溫度為，室內(nèi)空氣溫度為25,25,和墻壁之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為和墻壁之間的

18、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為h h1 1=5 W/(m=5 W/(m2 2K)K)。假設(shè)墻壁及兩側(cè)的空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都假設(shè)墻壁及兩側(cè)的空氣溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)都不隨時(shí)間而變化。不隨時(shí)間而變化。 求單位面積墻壁的散熱損失及內(nèi)外墻壁面的求單位面積墻壁的散熱損失及內(nèi)外墻壁面的溫度。溫度。 解：由給定條件可知，這是一個(gè)穩(wěn)態(tài)傳解：由給定條件可知，這是一個(gè)穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。通過(guò)墻壁的熱流密度，即單位面熱過(guò)程。通過(guò)墻壁的熱流密度，即單位面積墻壁的散熱損失為積墻壁的散熱損失為 222212f1f/100)(201)(5 . 115. 0)(51)10(2511mWKmWKmWmKmWKhhttq 根據(jù)牛頓冷卻公式，對(duì)于內(nèi)、外墻面與空根據(jù)牛頓冷卻公