化工热力学第七章蒸汽动力循环和制冷循环解读
化工热力学制冷
第16页，本讲稿共56页
6.4制冷循环
6.4.1 蒸汽压缩制冷循环
制冷机所消耗的理论功率 N T G W S KW
制冷系数
q0 H1 H4 WS H2 H1
Ø 制冷剂的选择：
蒸发潜热要大；蒸发压力要低且相应的饱和蒸汽压大 于大气压力，常温下冷凝压力要低；较高的临界温度和 较低的凝固温度；较强的化学稳定性。
蒸气压缩制冷
吸收制冷 消耗内能型
蒸汽喷射制冷
第7页，本讲稿共56页
6.4制冷循环
6.4.1 蒸汽压缩制冷循环
制冷，即根据热力学第二定律的原理，消耗功 把热量自低温物体移向高温物体并保持低温的过 程。工程上习惯把TL>173K称为普通冷冻简称普 冷，把TL<173K称为深度冷冻简称深冷。
第8页，本讲稿共56页
第34页，本讲稿共56页
6.5 深度冷冻循环
林德循环（LindeCycle） 深冷与普冷是有区别的。主要表现在： 普冷：两个封闭式循环，制冷循环与被冷物 系是两种物质，是封闭循环。 深冷：制冷循环与分离、液化物质是同一 种物
质，且是不封闭循环
第35页，本讲稿共56页
6.5 深度冷冻循环
林德循环（LindeCycle） Ø ⑵热力学计算（以处理1Kg气体为基准） 林德循环的基本计算主要是液化量、耗功量和制冷量 。 ①气体液化量（液化率）x 定义：液化率就是1Kg被处理的气体所能产生的液体 Kg数
第11页，本讲稿共56页
6.4制冷循环
6.4.1 蒸汽压缩制冷循环
TH
3
2
TL
4
1
0
S4
S1
第12页，本讲稿共56页
9.第七章 蒸汽动力循环和制冷循环
水 泵
冷 凝 器
3
朗肯（Rankine）被后人誉为那个时代 的天才，他的初等教育基本是在父亲及 家庭教师的指导下完成的。进入爱丁堡 大学学习2 年后，他离校去做一名土木 工程师。1840 年后，他转而研究数学 物理，1848 ～1855 年间，他用大量精 力研究理论物理、热力学和应用力学。 1855 年后，Rankine 在格拉斯哥大学 担任土木工程和力学系主任。1853 年 当选为英国皇家学会会员。他一生论著 颇丰，共发表学术论文154 篇，并编写 了大量的教科书及手册，其中一些直到 现今还在作为标准教科书使用。 朗肯在热力学、流体力学 及土力学等 领域均有杰出的贡献。他建立的土压力 理论，至今仍在广泛应用。朗肯计算出 一个热力学循环(后称为朗肯循环)的热 效率，被作为是蒸汽动力发电厂性能的 对比标准。
锅炉
Condensor 冷凝器 2 – 3 表示乏汽在冷凝 器中的等温等压冷凝 过程，放出的热量。
水泵
汽轮机
冷凝器
Q2 H H 3 H 2 kJ / kg
能量分析
Pump 水泵
H Q Ws
锅炉
3 – 4 表示冷凝水通过 水泵由P3升压至P4的可逆 绝热压缩过程，需要消耗 的轴功
1 2，4 4理想朗肯循环（等熵） 1 2’，4 4’实际朗肯循环（不等熵）
实际Rankine循环
实际上，工质在汽轮机和水泵 中不可能是完全可逆的，即不 可能作等熵膨胀或等熵压缩。 T 2 2’ 4 4’ 这个不可逆性可用等熵效率ηs 来表示。
4’
1 4
3
S
2 2’
等熵效率ηs的定义：“对膨胀作功过程，不 可逆绝热过程的做功量与可逆绝热过程的做 功量之比。
第7章 压缩、膨胀、蒸汽动力循环与制冷循环
第七章压缩、膨胀、蒸汽动力循环与制冷循环本章学习目的通过本章的学习，掌握蒸汽动力循环和制冷循环的基本原理和基本计算方法。
本章主要内容（1） 气体的压缩和膨胀在热力装置中的作用和功量的计算。
（2） 工业上获得低温和冷量的两种方法。
（3） Rankine循环的热力过程及热效率的计算。
（4） 再热循环和回热循环的原理。
（5） 制冷循环的基本概念和计算。
（6） 蒸汽压缩制冷循环在Sp−图上的工作过程、各过程的特点及计算。
T−图和H（7） 化工生产中常见的制冷设备。
（8） 制冷过程中对制冷剂的基本要求。
热能和功之间的相互转化通常是借助于工质在循环过程中的状态变化而实现的。
据循环效果及进行方向的不同，可以把循环分为正向循环和逆向循环。
将热能转化为机械能的循环为正向循环，也叫动力循环，这种循环是产功的过程，其主要设备是各种热机；将热能从低温热源传给高温热源的循环为逆向循环，也叫制冷循环，这种循环是耗功的过程，其主要设备是各种制冷机。
这两类循环都是由工质的吸热、放热、压缩和膨胀四个过程所组成。
目前，分析和讨论这两类循环均采用稳定流动系统的热力学第一定律。
这种方法以能量的数量为立足点，从能量转化的数量关系来评价循环的经济性，以热效率为其指标。
基于这两类循环遵循以上相同的原则，因此把它们放在同一章里讨论。
本章主要介绍这两类循环的工作原理和基本的热力学计算。
7.1 气体的压缩压缩机、鼓风机等是化工生产中常用的压气机，它是借助于机械能或电能，来实现气体由低压到高压的状态变化。
各类压气机的结构和工作原理虽然不同，但从热力学观点来看，气体状态变化过程并没有本质的不同，都是消耗外功，使气体压缩升压的过程，在正常工况下都可以视为稳定流动过程。
气体的压缩，一般有等温、绝热、多变三种过程，又分单级和多级压缩。
对于稳定流动体系，压缩过程的理论轴功可用稳定流动系统的热力学第一定律来描述。
在忽略动能和势能的情况下，有∆=（7-1）W S−HQ此式具有普遍意义，适用于任何介质的可逆和不可逆过程。
化工热力学第七章 蒸汽动力循环和制冷循环
H gZ u
2
Q Ws
§7.1 蒸汽动力循环
蒸汽动力循环原理
1
过 热 器 锅炉 透 平 机
蒸汽动力循环主要由水泵、锅 炉、透平机和冷凝器组成。
3 4水在水泵中被压缩升压。
1
1
1 2，4 4理想朗肯循环（等熵） 1 2’，4 4’实际朗肯循环（不等熵）
实际Rankine循环
实际上，工质在汽轮机和水泵 中不可能是完全可逆的，即不 T 可能作等熵膨胀或等熵压缩。 2 2’ 4 4’ 这个不可逆性可用等熵效率ηs 来表示。
4’
1 4
3
2 2’
S 等熵效率ηs的定义：“对膨胀作功过程，不 可逆绝热过程的做功量与可逆绝热过程的做 功量之比。
净功WN= IQ1（面积1ba41）-Q2（面积2ba32）I =面积12341
1
T
WN
4 3
2
Ql越大， Q2越小，做的净功 WN就越大。 Ql受锅炉中金属材料的极限的 限制，约550~600oC。 Q2受为环境温度的限制。
a
S
b
理想Rankine循环的热效率η 和气耗率SSC
评价动力循环的指标：热效率和气耗率。 1、热效率η ： 循环的净功与工热蒸汽）
P1 40 105 Pa T1 440o C H 1 3307 .kJ / kg S1 6.9041 kJ / kg / K
2点(湿蒸汽)
P2 0.04 105 Pa S2 S1 6.9041 kJ / kg / K
5）泵消耗的理论功率NP.
工程热力学-第七章水蒸气性质和蒸汽动力循环-课件
§7-1 水蒸气的饱和状态
汽化: 由液态变成气态的物理过程 (不涉及化学变化)
蒸发：汽液表面上的汽化
沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化
(气体和液体均处在饱和状态下)
饱和状态：汽-液平衡共存的状态 汽化与凝结的动态平衡
饱和状态
饱和状态：汽化与凝结的动态平衡
饱和温度Ts 饱和压力ps
一一对应
放掉一些水，Ts不变， ps？
ts 0
cp'dt
h'h0
水的液体热随压力提高而增大
2. 饱和水的定压汽化阶段
在维持压力不变的条件下，对饱和水继续加热， 水开始沸腾发生相变而产生蒸汽。沸腾时温度保
持不变，仍为饱和温度ts
在这个水的液－汽相变过程中，所经历的状态是 液、汽两相共存的状态，称为湿饱和蒸汽，简称 为湿蒸汽。 随着加热过程的继续，水逐渐减少，蒸汽逐渐增 加，直至水全部变为蒸汽，称为干饱和蒸汽或饱 和蒸汽。 对干饱和蒸汽除压力和温度外的状态参数均加上 一上角标“″”，如v″、h″和s″
1 2
s
朗肯循环热效率的计算
t
wnet q1
wT,12wP,30 q1
h
一般很小，占0.8~1%，有时 忽略泵功
t (h1hh 21 ) h (h 00h3)1h h1 2 h h0 3
0 3
1 2
s
§ 7-6 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
新汽温度对循环 热效率的影响 T
T1'
T1
提高新汽温度T1， 使得朗肯循环平 T m 1
均吸热温度提高， T m 1
循环热效率提高
0
3
1
1
2 2 s
§ 7-6 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
化工热力学 蒸汽动力循环与制冷循环
31
(2) T-S图法
TH T2 T1
T 等H线 T1
P1 P2
T2
S (3) 利用经验公式估算
对于空气，当压力变化不太大时，不考虑温度的
影响，可直接按下式近似估算：
TH 0.29( p2
p1
)
273 T1
2
式中：压力单位为大气压atm，温度单位为热力学温度开尔文。
对于不同的流体，其表达式不同。
图读取ΔTS
T2
P1 P2
S 37
④ 用等焓节流效应计算
s
J
V Cp
Ts
p2
J dp
p1
V p2 dp
C p1 p
若Cp=const
1 p2
Ts
TH
Cp
V dp
p1
38
2.不可逆对外做功的绝热膨胀
对活塞式膨胀机
➢ 当t<30℃
ηs=0.65
➢ 当t>30℃ ηs=0.7～0.75
T 1
3
卡诺循环产功 很大，但难于实现， 问题在于：
（1）湿蒸汽对 汽轮机和水泵有浸蚀 作用，汽轮机带水量 不 得 超 过 10% ， 水 泵 不能带入蒸汽进泵；
（2）绝热可逆 过程实际上难以实现 。
第一个具有 实际意义的蒸汽动力 循环是朗肯循环。
T-S图
T
T吸
4
T放
3
QH 1 Ws
2 QL
S
4
2. 郎肯循环
dH H dT H dP T P P T
dH 0
H
T P T
P H
H
T P
25
H T
P
Cp
蒸汽动力循环与制冷循环
*
② 真实气体
有三种可能的情况，由定义式知
当μJ>0时，表示节流后压力下降，温度也下降
致冷
当μJ=0时，表示节流后压力下降，温度不变化
当μJ<0时，表示节流后压力下降，温度上升，
致热
不产生温度效应
*
（3） 结论
① 节流膨胀过程的主要特征是等焓过程； ② 理想气体节流时温度不变，不能用于致冷、致热； ③ 真实气体节流效应取决于气体的状态，在不同的状态下节流，具有不同的微分节流效应值。
*
③ 循环的热效率：
循环的净功
吸收的热量
解题步骤：
关键在于求出循环产生的净功
*
对于透平
1
2’
2
3
4
绝热可逆（等熵）：
实际过程（绝热不可逆）：
1—2，等熵过程：
*
1
2’
2
3
4
绝热可逆（等熵）：
实际过程（绝热不可逆）：
*
1
2’
2
3
4
对于泵：
① 对于蒸汽的质量流量：
*
1
2’
2
3
4
② 汽轮机出口乏汽的湿度：
（1）过热蒸汽在透平中为等熵膨胀过程，因此：
点２为湿蒸汽，所以：
*
查压力为10kPa，温度为45.830C饱和水蒸气表得：
sl、h1
sg、hg
*
x2=0.80467
同理：
透平等熵膨胀作出的可逆轴功为：
*
已知：h3 = hl = 191.83kJ·kg-1
所以，冷凝过程的传热量为：
*
水泵所消耗的可逆轴功：
*
3. 热电循环
蒸汽动力循环和制冷循环
第七章蒸汽动力循环和制冷循环0、引言蒸汽动力循环：是以蒸汽为工质，将热连续地转变成功的过程，其主要设备是各种热机。
产功的过程。
如：火力发电厂，大型化工厂。
常用的工质是水蒸气。
制冷循环：是将热连续地由低温处输送到高温处的过程，其主要设备是热泵。
耗功的过程。
7.1．蒸汽动力循环一、蒸汽动力循环基本原理主要由水泵、锅炉、透平机和冷凝器组成。
4→1水进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽。
1→2进入透平机膨胀作功。
2→3作功后的低压湿蒸汽进入冷凝器被冷凝成水，回到水泵中。
3→4水在水泵中被压缩升压，再回到锅炉中，完成一个循环。
二、朗肯循环及其热效率原理：朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，主要由：水泵、锅炉、透平机和冷凝器组成。
1、理想朗肯循环3→4饱和水可逆绝热压缩过程。
（等S）4→1高压水等压升温和汽化，可逆吸热过程。
1→2过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。
（等S）2→3湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。
气体压缩式制冷机以气体为制冷剂,由压缩机、冷凝器、回热器、膨胀机和冷箱等组成(图1) 。
经压缩机压缩的气体先在冷凝器中被冷却，向冷却水（或空气）放出热量，然后流经回热器被返流气体进一步冷却,并进入膨胀机绝热膨胀,压缩气体的压力和温度同时下降。
气体在膨胀机中膨胀时对外作功，成为压缩机输入功的一部分。
同时膨胀后的气体进入冷箱，吸取被冷却物体的热量，即达到制冷的目的。
此后，气体返流经过回热器，同压缩气体进行热交换后又进入压缩机中被压缩。
气体制冷机都应采用回热器，这不但能提高制冷机的经济性而且可以降低膨胀机前压缩气体的温度，因而降低制冷温度。
气体制冷机能达到的制冷温度范围较宽，从高于0℃到低于-100℃；制冷温度较高时其经济性较差,但当制冷温度低于-90℃时其经济性反而高于蒸气制冷机。
压缩式制冷机蒸气压缩式制冷机由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构和一些辅助设备组成。
这类制冷机的制冷剂在常温和普通低温下能够液化，在制冷机的工作过程中制冷剂周期性地冷凝和蒸发。