第7章 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

第七章

蒸汽動(dòng)力循環(huán)和制冷循環(huán)2/5/20231第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)本章目的：研究循環(huán)中熱、功轉(zhuǎn)換的效果及其影響因素，探求提高能量轉(zhuǎn)換效果的途徑。主要內(nèi)容：1.

蒸汽動(dòng)力循環(huán)的熱效率、循環(huán)功以及循環(huán)中各過(guò)程工質(zhì)狀態(tài)函數(shù)的變化；2.制冷循環(huán)與獲得低溫的操作過(guò)程熱力學(xué)分析；3.深冷原理與過(guò)程的熱力學(xué)分析。學(xué)習(xí)要求：掌握工作原理、工質(zhì)狀態(tài)變化、能量轉(zhuǎn)換計(jì)算、能量轉(zhuǎn)換效果熱力學(xué)分析。2/5/20232第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)本章目錄7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)7.2

節(jié)流膨脹與作外功的絕熱膨脹7.3

制冷循環(huán)2/5/20233第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/20234第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)7.1.1蒸汽動(dòng)力循環(huán)與正向卡諾循環(huán)高溫向低溫傳熱是自發(fā)過(guò)程，是產(chǎn)功過(guò)程，正向卡諾循環(huán)是由兩個(gè)可逆等溫過(guò)程和兩個(gè)可逆絕熱過(guò)程組成的，用T-S圖表為：7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/20235第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)正向卡諾循環(huán)：工質(zhì)吸熱溫度大于工質(zhì)排熱溫度；正向卡諾循環(huán)是動(dòng)力循環(huán)，是最理想的情況，因?yàn)樗a(chǎn)功最大?？ㄖZ循環(huán)產(chǎn)功最大，但實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)，問(wèn)題在于：①濕蒸汽對(duì)汽輪機(jī)和水泵有侵蝕作用，汽輪機(jī)帶水量不能超過(guò)10%，水泵不能帶入蒸汽進(jìn)泵；②絕熱可逆過(guò)程實(shí)際難以實(shí)現(xiàn)。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/20236第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

Rankine循環(huán)是蒸汽動(dòng)力循環(huán)，主要設(shè)備有：透平機(jī)、冷凝器、水泵、鍋爐四部分，工作介質(zhì)一般為水。7.1.2Rankine(朗肯)循環(huán)1.Rankine循環(huán)的構(gòu)成7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/20237第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

p1、T1的高溫高壓蒸汽進(jìn)入透平機(jī)等熵膨脹到狀態(tài)2，對(duì)外作功，2點(diǎn)狀態(tài)為乏汽(低壓下的濕蒸汽)，從透平機(jī)流出進(jìn)入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潛熱QL，而變?yōu)樵搲毫ο碌娘柡退?，放出的熱量QL由冷卻水帶走，達(dá)到狀態(tài)3，飽和水經(jīng)水泵壓到p1進(jìn)入鍋爐，鍋爐吸收熱量QH，使工質(zhì)變化到狀態(tài)1，完成一個(gè)循環(huán)。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/20238第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)1-2′：對(duì)應(yīng)于汽輪機(jī)(蒸汽膨脹)；2′-3：冷凝器中進(jìn)行，蒸汽等溫等壓冷凝為液體；3-4：水泵進(jìn)行（壓縮）；4-1：鍋爐進(jìn)行，水在鍋爐中恒壓加熱?；具^(guò)程過(guò)熱蒸汽定壓升溫水定壓升溫沸點(diǎn)定溫定壓汽化飽和蒸汽濕蒸汽水等熵膨脹絕熱壓縮等溫冷凝7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/20239第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)2.與卡諾循環(huán)的比較⑴工質(zhì)進(jìn)汽輪機(jī)時(shí)狀態(tài)不同，卡諾循環(huán)為濕汽，朗肯循環(huán)為干氣；⑵膨脹過(guò)程不同，卡諾循環(huán)為等熵過(guò)程，朗肯循環(huán)為不可逆絕熱過(guò)程；7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202310第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)（3）工質(zhì)出冷凝器狀態(tài)不同，卡諾循環(huán)為汽液共存，朗肯循環(huán)為飽和水;

(4)壓縮過(guò)程不同，卡諾循環(huán)為等熵過(guò)程，朗肯循環(huán)為不可逆絕熱過(guò)程，若忽略掉工質(zhì)水的摩擦與散熱可簡(jiǎn)化為可逆過(guò)程；

(5)

工質(zhì)吸熱過(guò)程不同，卡諾循環(huán)為等溫過(guò)程，朗肯循環(huán)為不可逆過(guò)程，沿著等壓線(xiàn)變化。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202311第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)3.理想Rankine循環(huán)的熱效率

忽略工質(zhì)的流動(dòng)阻力與溫差傳熱，將朗肯循環(huán)理想化。能量分析

(應(yīng)用穩(wěn)流過(guò)程的能量平衡方程)(1)1→2:汽輪機(jī)中工質(zhì)等熵膨脹，對(duì)外做功(2)2→3:濕蒸汽在冷凝器中等溫等壓冷凝，放熱7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202312第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)(3)3→4:飽和水在水泵中絕熱壓縮，消耗壓縮功(4)4→1:水在鍋爐中等壓升溫和等壓汽化，工質(zhì)吸熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析

(熱效率、汽耗率)熱效率：7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202313第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，水泵的耗功量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的做功量熱效率的高低可以反映出不同裝置輸出相同功量時(shí)所消耗的能量的多少，它是評(píng)價(jià)蒸汽動(dòng)力裝置的一個(gè)重要指標(biāo)。汽耗率：作出單位量?jī)艄λ牡恼羝糠Q(chēng)為汽耗率，用SSC(SpecificSteamConsumption)表示。熱效率越高、汽耗率越低，表明循環(huán)約完善。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202314第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)計(jì)算方法狀態(tài)點(diǎn)1：根據(jù)p1、t1

值可查得H1、S1值;狀態(tài)點(diǎn)2:S2=S1,根據(jù)p2、S2

值可查得H2、t2值;狀態(tài)點(diǎn)3：p3=p2,查p3下的飽和液體可得H3、V3

、S3值;狀態(tài)點(diǎn)4：p4=p1,S4=S3,根據(jù)p4、S4可查得H4值;

或H4=H3+Wp=H3+V(p4-p3)因?yàn)樗魵獠皇抢硐霘怏w，氣體的性質(zhì)不能用理想氣體方程計(jì)算，需要通過(guò)熱力學(xué)圖表或?qū)嶋H流體的狀態(tài)方程求得。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202315第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)4.實(shí)際Rankine循環(huán)的熱效率蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)的絕熱膨脹實(shí)際上不是等熵的，而是向著墑增加的方向偏移，用1-2′線(xiàn)表示。水泵的耗功量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的做功量，可不考慮不可逆的影響。蒸汽通過(guò)汽輪機(jī)膨脹，實(shí)際做出的功應(yīng)為H1–H2′，它小于等熵膨脹的功H1–H2。兩者之比稱(chēng)為透平機(jī)的等熵效率。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202316第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)實(shí)際Rankine熱效率：等熵效率：實(shí)際過(guò)程產(chǎn)功等熵過(guò)程產(chǎn)功hS=≤17.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202317第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)【例7-1】某一理想的Rankine循外，鍋爐的壓力為4MPa，產(chǎn)生440℃過(guò)熱蒸汽,汽輪機(jī)出口壓力為0.004MPa,蒸汽流量60t/h,求（1）過(guò)熱蒸汽每小時(shí)從鍋爐吸收的熱量；（2）乏氣的濕度以及乏氣在冷凝器放出熱量；（3）汽輪機(jī)作出的理論功率和水泵消耗的理論功率；（4）循環(huán)的熱效率。5【解】該循環(huán)在T-S圖上的表示如右圖。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202318第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)（1）確定各點(diǎn)的參數(shù)1點(diǎn)(過(guò)熱蒸汽)：

根據(jù)p1=4MPa、t1=440℃,查過(guò)熱水蒸氣表得H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kg·K);2點(diǎn)(濕蒸汽):

p2=4kPa,S2=S1=6.9041kJ/(kg·K)

,查飽和水蒸氣表得

Hg=2554.4kJ/kgHl=121.46kJ/(kg·K)

Sg=8.4746kJ/kgSl=0.4226kJ/(kg·K)

Vl=1.004cm3/g2點(diǎn)處的干度為x8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041x=0.8050

H2=2554.4×0.805+(1-0.805)×121.46=2080.07.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202319第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)3點(diǎn)（飽和液體）:

p3=4kPaH3=Hl=121.46kJ/kg

S3=Sl=0.4226kJ/(kg·K)4點(diǎn)（未飽和水）:

方法1

H4=H3+Wp=H3+V(p4-p3)=121.46+0.001004×(4000-4)=125.5kJ/kg

方法2

已知p4=4MPa,S4=S3=0.4226kJ/(kg·K),查未飽和水性質(zhì)表

7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202320第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)H4=127.1kJ/kg2.5MPaHS5MPaHS4MPa(插值)HS20℃

86.300.2961

88.650.295640℃169.770.5715171.970.570587.710.2958171.090.57097.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)如25℃、4MPa的H：2/5/202321第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)（2）計(jì)算過(guò)熱蒸汽每小時(shí)從鍋爐吸收的熱量

Q1=m(H1-H4)=60×103×(3307.1-125.5)=190.9×106kJ/h

乏氣在冷凝器放出的熱量

Q2=m(H2-H3)=60×103×(2080.0-121.5)=117.5×106kJ/h

乏氣的濕度為1-x=1-0.805=0.195

汽輪機(jī)作出的理論功率7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202322第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

水泵消耗的理論功率熱效率7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202323第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

[例7-2]在某核動(dòng)力循環(huán)裝置，鍋爐溫度為320℃的核反應(yīng)堆吸入熱量Q1，產(chǎn)生壓力為7MPa、溫度為360℃的過(guò)熱蒸汽(點(diǎn)1)，過(guò)熱蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)膨脹作功后于0.008MPa壓力下排出(點(diǎn)2)，乏氣在冷凝器中向環(huán)境溫度t0＝20℃進(jìn)行定壓放熱變?yōu)轱柡退?點(diǎn)3)，然后經(jīng)泵返回鍋爐(點(diǎn)4)完成循環(huán)。已知汽輪機(jī)的額定功率為5×104kW，汽輪機(jī)作不可逆的絕熱膨脹，其等熵效率為0.75，水泵作等熵壓縮。試求：

(1)蒸氣的質(zhì)量流量；

(2)乏氣的濕度；

(3)循環(huán)的熱效率。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202324第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)1點(diǎn)(過(guò)熱蒸汽):

根據(jù)p1=7MPa、t1=360℃,查過(guò)熱水蒸氣表得H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kg·K);

2點(diǎn)(濕蒸汽):

p2=0.008MPa,查飽和水蒸氣表得

Hg=2577.0kJ/kgHl=173.88kJ/(kg·K)

Sg=8.2287kJ/kgSl=0.5926kJ/(kg·K)

汽輪機(jī)作等熵膨脹S2=S1=6.2801kJ/(kg·K)

,

S2=Sgx2+(1-x2)Sl6.2801=8.2287x2+(1-x2)×0.5926

x2=0.7448【解】根據(jù)給定條件，查水蒸汽壓表確定有關(guān)參數(shù)：7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202325第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

H2=Hgx2+(1-x2)Hl=2577.0×0.7488+(1-0.7488)×173.88=1963.7

汽輪機(jī)作等熵膨脹過(guò)程1-2所作的理論功WR

WR=H2-H1=1963.7-3045.5=-1081.8kJ/kg

汽輪機(jī)作實(shí)際膨脹過(guò)程1-2′所作的功Ws

Ws=ηsWR=-1081.8×0.75=-811.4kJ/kg

Ws=H2′-H1

H2′=H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg

汽輪機(jī)作實(shí)際膨脹后乏氣的干度為x2′

H2′=Hgx2′+(1-x2′)Hl2234.1=2577.0x2′+(1-x2′)173.9x2′=0.85737.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202326第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)乏氣的濕度為1-0.8573=0.14273點(diǎn)：

0.008MPa飽和液體

H3=173.88kJ/(kg·K)

S3=0.5926kJ/(kg·K)

4點(diǎn)：p4=7MPa,S4=S3=0.5926kJ/(kg·K)

查未飽和水性質(zhì)表

5MPaHS7.5MPaHS7MPaHS40℃171.970.5705174.180.569680℃338.851.0720340.841.0704173.740.5698340.441.07077.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202327第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)H4=181.33kJ/kg水泵所消耗的功

WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg熱效率7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202328第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)討論：通過(guò)改變蒸汽參數(shù)提高朗肯循環(huán)的熱效率

（1）提高蒸汽的過(guò)熱溫度在相同的蒸汽壓力下，提高蒸汽的過(guò)熱溫度時(shí),可提高平均吸熱溫度，增大作功量，提高循環(huán)的熱效率，并且可以降低汽耗率。同時(shí)乏氣的干度增加，使透平機(jī)的相對(duì)內(nèi)部效率也可提高。但是蒸汽的最高溫度受到金屬材料性能的限制，不能無(wú)限地提高，一般過(guò)熱蒸汽的最高溫度以不超873K為宜。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202329第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)（2）

提高蒸汽的壓力當(dāng)蒸汽壓力提高時(shí)，熱效率提高、而汽耗率下降。但是隨著壓力的提高，乏汽的干度下降，即濕含量增加，因而會(huì)引起透乎機(jī)相對(duì)內(nèi)部效率的降低．還會(huì)使透平中最后幾級(jí)的葉片受到磨蝕，縮短壽命。乏汽的干度一般不應(yīng)低于0.88。另外，蒸汽壓力的提高，不能超過(guò)水的臨界壓力，而且設(shè)備制造費(fèi)用也會(huì)大幅上升。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202330第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)要提高朗肯循環(huán)的熱效率，首先必須找出影響熱效率的主要因素，從熱效率的定義來(lái)看：對(duì)卡諾循環(huán)對(duì)朗肯循環(huán)提高熱效率⑴H2降低，H2一般受壓力p2及對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度的限制，一般以大氣溫度為極限，t3不可能小于大氣溫度，況且，當(dāng)p2一定，H3也就一定了。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202331第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

(2)

H1升高，因?yàn)樗豢蓧嚎s耗功很少，可忽略不計(jì)，所以但H1增加，必須使p1、t1增加，p1太大會(huì)使設(shè)的強(qiáng)度出現(xiàn)問(wèn)題，從而使制造成本增加，提高效率的收益，并不一定能彌補(bǔ)成本提高的花費(fèi)。在朗肯循環(huán)中，等溫放熱、等熵膨脹和等熵壓縮這三各過(guò)程基本上能夠與卡諾循環(huán)相符，差別最大的過(guò)程是吸熱過(guò)程。因此如何使吸熱過(guò)程向卡諾循環(huán)靠近，以提高熱效率。顯然改造不等溫吸熱是提高熱效率的關(guān)鍵，由此提出了蒸汽的再熱循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202332第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)①再熱循環(huán)使高壓的過(guò)熱蒸汽先在高壓汽輪機(jī)中膨脹到某一中間壓力，然后全部引入到鍋爐中特設(shè)的再熱器進(jìn)行加熱，蒸汽溫度升高后再進(jìn)入低壓汽輪機(jī)膨脹到一定的排氣壓力。這樣就可以避免乏汽濕含量過(guò)高的缺點(diǎn)。再熱循環(huán)的熱效率：7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202333第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)②回?zé)嵫h(huán)：利用蒸汽的熱來(lái)加熱鍋爐給水，這樣就大大減少了溫差傳熱不可逆因素，從而使熱效率提高，使該循環(huán)向卡諾循環(huán)靠近了一步。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202334第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)在回?zé)峒訜崞髦谐槌龅恼羝c經(jīng)過(guò)冷凝壓縮后的乏汽進(jìn)行熱量交換，從而提高了吸熱溫度，使熱效率升高?；?zé)嵫h(huán)的熱效率為：小結(jié)：①減少了工質(zhì)吸熱過(guò)程的溫差，由TH-T4

減少到TH-T6②熱效率提高，但設(shè)備成本也增加。7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202335第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)③熱電循環(huán)背壓式汽輪機(jī)聯(lián)合供電供熱循環(huán)特點(diǎn)：⑴冷凝器中冷卻工質(zhì)的介質(zhì)為熱用戶(hù)的介質(zhì)，不一定是冷卻水，冷凝溫度由供熱溫度決定，QL得以利用；⑵排氣壓力受供熱溫度影響，較朗肯循環(huán)排氣壓力高.7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202336第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)⑶熱電循環(huán)效率抽氣式汽輪機(jī)聯(lián)合供電供熱循環(huán)7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202337第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)特點(diǎn)：⑴工質(zhì)部分供熱部分作功；⑵供熱量與乏汽無(wú)關(guān)；⑶熱電循環(huán)效率為：熱效率：能量利用參數(shù)：7.1

蒸汽動(dòng)力循環(huán)2/5/202338第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)7.2

節(jié)流膨脹與作外功的絕熱膨脹2/5/202339第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)膨脹過(guò)程在實(shí)際當(dāng)中，經(jīng)常遇到，如：高壓流體流經(jīng)噴嘴、汽輪機(jī)、膨脹器及節(jié)流閥等設(shè)備或裝置所經(jīng)歷的過(guò)程，都是膨脹過(guò)程。下面討論膨脹過(guò)程的熱力學(xué)現(xiàn)象。著重討論工業(yè)上經(jīng)常遇到的節(jié)流膨脹和絕熱膨脹過(guò)程及其所產(chǎn)生的溫度效應(yīng).7.2.1節(jié)流膨脹該過(guò)程為等焓過(guò)程，即ΔH=0，流體進(jìn)行節(jié)流膨脹是由于壓力的變化而引起的溫度變化，稱(chēng)為節(jié)流效應(yīng)或Joule-thomson效應(yīng)，并用焦湯系數(shù)來(lái)表示：7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202340第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)節(jié)流過(guò)程實(shí)際上是由于壓力變化而引起溫度變化的過(guò)程，是一個(gè)等焓過(guò)程。節(jié)流膨脹制冷的可能性

a).理想氣體說(shuō)明理想氣體在節(jié)流過(guò)程中溫度不發(fā)生變化。7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202341第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)b）對(duì)真實(shí)氣體有三種可能的情況μJ﹥0節(jié)流后溫度降低

μJ

=0節(jié)流后溫度不變

μJ

﹤0節(jié)流后溫度升高實(shí)際氣體μJ值可為正值、負(fù)值或零。轉(zhuǎn)化點(diǎn)，轉(zhuǎn)化曲線(xiàn)由于真實(shí)氣體的節(jié)流效應(yīng)值隨著狀態(tài)的不同而發(fā)生變化，所以在實(shí)際當(dāng)中，要產(chǎn)生制冷效應(yīng)，要找到轉(zhuǎn)化點(diǎn)，即節(jié)流效應(yīng)系數(shù)為0時(shí)的溫度、壓力所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202342第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)P.185圖7-13轉(zhuǎn)化曲線(xiàn)：將圖上各轉(zhuǎn)化點(diǎn)連接起來(lái)所組成的曲線(xiàn)就叫轉(zhuǎn)化曲線(xiàn)。轉(zhuǎn)化曲線(xiàn)左側(cè)，等焓線(xiàn)上，壓力減小，溫度降低，為制冷區(qū)；轉(zhuǎn)化曲線(xiàn)右側(cè)，等焓線(xiàn)上，壓力減小，溫度升高，為制熱區(qū)；轉(zhuǎn)化曲線(xiàn)上，節(jié)流效應(yīng)系數(shù)為零。7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202343第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

積分節(jié)流效應(yīng)實(shí)際節(jié)流時(shí)，壓力變化為一有限值，由此所引起的溫度變化稱(chēng)為積分節(jié)流效應(yīng).公式法T-S圖法經(jīng)驗(yàn)公式估算7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202344第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)等熵膨脹效應(yīng)系數(shù)7.2.2作外功的絕熱膨脹1.可逆絕熱膨脹特點(diǎn)：等熵過(guò)程，要注意絕熱過(guò)程是可逆的才能稱(chēng)為等熵過(guò)程.微分等熵溫度效應(yīng)等熵膨脹制冷的可能性恒大于零7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202345第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

ms必為正值。氣體進(jìn)行等熵膨脹時(shí)，對(duì)外做功，膨脹后氣體溫度總是下降。積分等熵溫度效應(yīng)等熵膨脹時(shí)，壓力變化為有限值所引起的溫度變化，稱(chēng)為積分等熵溫度效應(yīng)7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202346第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)⑴利用微分等熵溫度效應(yīng)計(jì)算(公式法)⑵理想氣體⑶T-S圖法7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202347第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)⑷用等熵、等焓節(jié)流效應(yīng)計(jì)算若Cp為常數(shù)若Q=0，ΔH=WS7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202348第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)2.不可逆對(duì)外作功的絕熱膨脹實(shí)際上對(duì)外作軸功的膨脹過(guò)程并不是可逆的，因此不是等熵過(guò)程，而是向熵增大的方向進(jìn)行，其終態(tài)位置可由等熵效率計(jì)算確定。對(duì)活塞式膨脹機(jī)，溫度小于等于30℃時(shí)，等熵效率近似等于0.65，溫度高于30℃時(shí)，等熵效率近似等于0.7和0.75之間；對(duì)透平機(jī)，等熵效率在0.8和0.85之間.不可逆對(duì)外作功的絕熱膨脹的溫度效應(yīng)介于等熵膨脹效應(yīng)和節(jié)流膨脹效應(yīng)之間.7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202349第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)3.等熵膨脹與節(jié)流膨脹的比較①等熵膨脹與氣體屬性及狀態(tài)無(wú)關(guān)，對(duì)任何氣體任何狀態(tài)都產(chǎn)生制冷效應(yīng)。節(jié)流膨脹對(duì)理想氣體不產(chǎn)生溫度效應(yīng)，真實(shí)氣體視氣體狀態(tài)而定，若真實(shí)氣體產(chǎn)生制冷效應(yīng)，則等熵膨脹的溫度效應(yīng)大于節(jié)流膨脹的溫度效應(yīng)，即②設(shè)備與操作節(jié)流膨脹簡(jiǎn)單，針形閥；等熵膨脹復(fù)雜，需要低溫潤(rùn)滑油.③操作條件與運(yùn)行情況一般大中型企業(yè)這兩種都用，小型企業(yè)用節(jié)流膨脹。7.2

節(jié)流膨脹與絕熱膨脹2/5/202350第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)7.3

制冷循環(huán)2/5/202351第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)2/5/202352第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)高溫環(huán)境低溫環(huán)境7.3

制冷循環(huán)2/5/202353第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)蒸發(fā)器冷凝器膨脹機(jī)q0q2壓縮機(jī)1234T1T2TS12347.3.1縮制冷循環(huán)——逆向Carnot循環(huán)7.3

制冷循環(huán)2/5/202354第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)循環(huán)的放熱量

q2=TH(S3-S2)=-TH(S1-S4)⊿H＝q＋WS制冷系數(shù)循環(huán)的吸熱量完成一個(gè)循環(huán)⊿H＝0，凈功為：q0=TL(S1-S4)

TLTHTS12341→2絕熱可逆壓縮2→3等溫冷凝過(guò)程3→4絕熱可逆膨脹4→1等溫蒸發(fā)過(guò)程7.3

制冷循環(huán)2/5/202355第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

ec＞1.逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是工質(zhì)溫度的函數(shù)，與工質(zhì)無(wú)關(guān)。在相同溫度區(qū)間工作的制冷循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最大(理想循環(huán)制冷)。制冷循環(huán)中，高溫下放熱量大于低溫下吸熱量。逆向卡諾循環(huán)是制冷循環(huán)最理想的情況，因?yàn)樗墓ψ钚。珜?shí)際過(guò)程的耗功量都大于逆向卡諾循環(huán)，工業(yè)上現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是蒸汽壓縮制冷循環(huán)。7.3

制冷循環(huán)2/5/202356第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

【例題-補(bǔ)1】某蒸汽壓縮制冷過(guò)程,制冷劑在250K吸收熱量QL,在300K放出熱量-QH,壓縮和膨脹過(guò)程是絕熱的，向制冷機(jī)輸入的凈功為WS，判斷下列情況是

A可逆的B不可逆的C不可能的

（1）

QL=2000kJWS=400kJ

（2）QL=1000kJQH=－1500kJ

（3）

WS=100kJQH=－700kJ（1）該制冷過(guò)程是可逆的

[解]7.3

制冷循環(huán)2/5/202357第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)（3）

WS=100kJQH=－700kJ該制冷過(guò)程是不可逆的該制冷過(guò)程是不可能的

（2）QL=1000kJQH=－1500kJ

7.3

制冷循環(huán)2/5/202358第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)----單級(jí)蒸汽壓縮制冷蒸發(fā)盤(pán)管冷凍室冷凝盤(pán)管壓縮機(jī)毛細(xì)管7.3.2蒸汽壓縮制冷循環(huán)蒸汽壓縮制冷循環(huán)的主要設(shè)備有：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹機(jī)、蒸發(fā)器四部分。7.3

制冷循環(huán)2/5/202359第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)高溫環(huán)境低溫冷室蒸發(fā)器冷凝器T-S圖7.3

制冷循環(huán)2/5/202360第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)高溫環(huán)境低溫冷室蒸發(fā)器冷凝器p-H圖7.3

制冷循環(huán)2/5/202361第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

1-2可逆絕熱壓縮過(guò)程

Ws=H2－

H1kJ/kg2-3-4等壓冷卻、冷凝過(guò)程

q2=H4-H2kJ/kg4-5節(jié)流膨脹過(guò)程

H5=H45-1等壓等溫蒸發(fā)過(guò)程

q0=H1－H5kJ/kgT0TTS12345焓值：查圖、表或計(jì)算1.蒸汽壓縮制冷循環(huán)的構(gòu)成7.3

制冷循環(huán)2/5/202362第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)制冷劑的循環(huán)量m2.蒸汽壓縮制冷循環(huán)的基本計(jì)算單位制冷量q0：1Kg制冷劑在循環(huán)過(guò)程中所提供的冷量.壓縮機(jī)消耗的功、功率制冷劑的“制冷能力”為Q0q0=H1－H4kJ/kgWs=H2－H1kJ/kg制冷系數(shù)7.3

制冷循環(huán)2/5/202363第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)1235’454’ST過(guò)冷措施提高制冷系數(shù)1235’454’Hlnp7.3

制冷循環(huán)未過(guò)冷循環(huán)：123451；過(guò)冷循環(huán)：12344’5’51；單位制冷量的增加：H1－H5

’>H1－H5

2/5/202364第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

【例7-8】以R22為制冷劑的制冷裝置，循環(huán)工作條件如下：冷凝溫度為20℃，過(guò)冷Δt

=5℃,蒸發(fā)溫度－20℃，進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)為飽和蒸汽。試求循環(huán)的單位制冷量、每1kg制冷劑的耗功量及制冷系數(shù)，并與無(wú)過(guò)冷(其它條件相同)進(jìn)行比較。解：自看7.3

制冷循環(huán)2/5/202365第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

【例題－補(bǔ)2】某壓縮制冷裝置，用R134a作為制冷劑，蒸發(fā)器中的溫度為-25℃，冷卻器中的壓力為1.0MPa，假定R134a進(jìn)入壓縮機(jī)時(shí)為飽和蒸汽，而離開(kāi)冷凝器時(shí)為飽和液體，壓縮過(guò)程按絕熱可逆計(jì)算，每小時(shí)制冷量Q0為1.67×105

kJ·h-1。求：（1）所需的制冷劑流率；（2）制冷系數(shù)。1點(diǎn)：-25℃飽和蒸汽查表得H1＝231.9kJ/kg

S1

＝0.9367kJ/(kg·K)T0TTS12345[解]7.3

制冷循環(huán)2/5/202366第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)2/5/202367第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)T0TTS12345

2點(diǎn)：p2

＝1MPa，

S2

＝S1

＝0.9367kJ/(kg·K)

查表得H2

＝278.7kJ/kg7.3

制冷循環(huán)2/5/202368第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)4點(diǎn)：1MPa飽和液體查表得H4

＝104.2kJ/kgT0TTS123457.3

制冷循環(huán)2/5/202369第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

H1＝231.9kJ/kgH2

＝

278.7kJ/kg

H4

＝

104.2kJ/kgH5

＝H47.3

制冷循環(huán)2/5/202370第七章動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)實(shí)際壓縮制冷循環(huán)就其循環(huán)所需要的設(shè)備來(lái)說(shuō)，完全與卡諾壓縮制冷循環(huán)相同。差異在于循環(huán)的過(guò)程中步驟的不可逆：

(1)制冷劑進(jìn)壓縮機(jī)時(shí)的狀態(tài)不同：卡諾壓縮制冷循環(huán)為濕氣，實(shí)際壓縮制冷循環(huán)為干氣；

(2)壓縮過(guò)程不同：卡諾壓縮循環(huán)為等熵過(guò)程，實(shí)際壓縮制冷循環(huán)若忽略掉熱損失，可視為不可逆絕熱過(guò)程；因?yàn)閴嚎s機(jī)在運(yùn)動(dòng)中總是有摩擦的，因而是沿