第6章-蒸汽动力循环和制冷循环化工热力学课件.ppt
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1、2023/4/4,第六章内容,6.1 蒸汽动力循环6.1.1 Rankine(朗肯)循环6.1.2 Rankine循环的改进 6.2 气体绝热膨胀制冷原理6.2.1 节流膨胀6.2.2 对外作功的绝热膨胀6.3 制冷循环6.3.1 蒸汽压缩制冷循环6.3.2 吸收制冷循环,2023/4/4,前言,循环:体系从初态开始,经历一系列的中间状态,又重新回到初态,此封闭的热力学过程称为循环。蒸汽动力循环:是以水蒸汽为工质,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,大型化工厂冷冻循环: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。-100 以上为普
2、冷,-100 以下为深冷。,2023/4/4,前言,如何将1atm 300atm?需要压缩机,消耗动力。,中国60年代,15001800度电/吨NH3。中国70年代,仅1030度电/吨NH3。这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。,蒸汽动力循环的作用:,电,高温热源,废热锅炉,产生高压蒸汽,压缩机,透平机,2023/4/4,意义:中国50%的能源需要进口。中国的能源利用率仅是世界平均水平的50%。化工是耗能大户,仅次于冶金。提高能源利用率是当今的首要任务。应用:每吨NH3,耗电1500度,2023/4/4,流体通过压缩机、膨胀机 u20,g Z0,若绝热过程Q=0Ws=H=H2-H1高压高温蒸汽
3、带动透平产生轴功。(流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量,称为轴功Ws。),6.1 蒸汽动力循环,稳定流动体系的热力学第一定理:,2023/4/4,6.1 蒸汽动力循环,3 4水在水泵中被压缩升压。4 1 进入锅炉被加热汽化,直至成为过热蒸汽后。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,再回到水泵中,完成一个循环。,蒸汽动力循环原理,蒸汽动力循环主要由水泵、锅炉、透平机和冷凝器组成。,2023/4/4,锅炉,水泵,原理,水压缩,水加热至过热蒸汽,蒸汽作功,蒸汽冷凝成水,理想Rankine循环,等S膨胀,等S压缩,可逆吸热,相变,3 4 饱和水可逆绝热压缩
4、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)。,6.1.1 Rankine(朗肯)循环,2023/4/4,卡诺循环的缺点,锅炉加热,4,1,2,3,透平机后的乏气,汽+液,汽+液,泵,冷凝器,透平机,缺点之二:对于泵易产生气缚现象,缺点之一:透平机要求干度X0.9但2点的X0.88易损坏叶片,结论:卡诺循环不适合变热为功!,2023/4/4,(1)工质进汽轮机状态不同,(2)膨胀过程不同,郎肯循环与卡诺循环的区别,(3)工质出冷凝器状态不同,(4)压缩过程不同,(5)工作介质吸热过程不同,郎肯循
5、环:饱和水,郎肯循环:不可逆绝热过程,若忽略掉工作介质水的摩擦与散热,可简化为可逆过程。,郎肯循环:不可逆吸热过程,沿着等压线变化,卡诺循环:湿蒸汽,卡诺循环:等熵过程,卡诺循环:气液共存,卡诺循环:等熵过程,卡诺循环:等温过程,郎肯循环:干蒸汽,郎肯循环:不可逆绝热过程,2023/4/4,WS可逆绝热膨胀功,Q1,Q2,WP可逆绝热压缩功,0,稳流体系,理想Rankine循环,2023/4/4,WS膨胀功,Q1,Q2,WP压缩功,a,b,Q2,WN,Q1,Q1=面积1ba41,Q2=面积2ba32,2023/4/4,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
6、550600oC。Q2受为环境温度的限制。,净功WN=IQ1(面积1ba41)-Q2(面积2ba32)I=面积12341,a,b,理想Rankine循环,WN,2023/4/4,理想Rankine循环的热效率和气耗率SSC,2、气耗率SSC:Specific Steam Consumption 作出1kW.h净功消耗的蒸气公斤数。,评价动力循环的指标:热效率和气耗率。,1、热效率:循环的净功与工质向高温热库吸收的热量之比,2023/4/4,1,2,3,4,实际Rankine循环,2,4,2 2,4 4,1 2,4 4理想朗肯循环(等熵)1 2,4 4实际朗肯循环(不等熵),实际上,工质在汽轮机
7、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。,这个不可逆性可用等熵效率s来表示。,等熵效率s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。,2023/4/4,1,2,3,4,2,4,等熵效率s,实际Rankine循环的热效率,实际Rankine循环,2023/4/4,Q2(放热),Q1吸热,实际Rankine循环,2023/4/4,实际与理想Rankine循环的比较,阴影部分55455 是实际循环比理想循环少做的功,也恰为其蒸汽冷凝时多放出的热。,2023/4/4,例1:某蒸汽动力装置按理想Rankine循环工作,锅炉压力为40105Pa,产生440
8、的过热蒸汽,乏气压力为0.04105Pa,蒸汽流量为60T/hr,试求:(1)过热蒸汽每小时从锅炉中的吸热量与乏气每小时在冷凝器中放出的热量和乏气的湿度(2)汽轮机作出的理论功率与泵消耗的理论功率.(3)循环的热效率和气耗率,6)气耗率SSC=3600/-WN,Q2(放热),Q1吸热,2023/4/4,状态点1:根据P1,T1 值查蒸汽表直接得H1,S1,1,2,3,4,5,各状态点的焓值如何确定?,P1,P2,状态点3:根据P3=P2,且是饱和点,查蒸汽表直接得H3,S3和V3,状态点4:根据S4=S3,得S4;根据P4=P1和 得H4,状态点2:根据P1和S2=S1可得H2注意:状态点2是
9、湿蒸汽H2=xH2g+(1-x)H2L,2023/4/4,2点(湿蒸汽),1点(过热蒸汽),2023/4/4,3点(饱和液体),4点(未饱和水),5点(饱和水),2023/4/4,计算:1)过热蒸汽每小时从锅炉中的吸热量Q1,2)乏气每小时在冷凝器中放出的热量Q2,3)乏气的湿度,4)汽轮机作出的理论功率PT,1-X=1-0.805=0.195,2023/4/4,5)泵消耗的理论功率NP.,6)循环的理论热效率,7)气耗率SSC,2023/4/4,例2 有一理想Rankine(朗肯)循环,在40bar和0.08bar的压力之间操作,锅炉产生的是 400的过热蒸气,冷凝器所用的冷却水的温度为25
10、。求1)Q1,Q2;2)透平作的理论功和水泵消耗的理论功,3)热效率,气耗率SSC,并试对此循环作热力学分析。,1,2,3,4,5,气耗率SSC=3600/WN=3.29(Kg.kw-1.h-1),=36%,2023/4/4,例3:同例2,但透平机的等熵效率为0.85。,1,2,3,4,2,5,=30.6%,SSC=3600/WN=3.871(Kg.kw-1.h-1),由上式计算出H2其它计算同例1,2023/4/4,实际与理想Rankine循环的比较,2023/4/4,提高循环的热效率的措施,(1)提高蒸气过热温度,提高蒸气过热温度的影响,2023/4/4,提高循环的热效率的措施,(2)提高
11、蒸汽压力,2023/4/4,提高循环的热效率的措施,(3)降低乏气压力(背压),1、降低背压时所增加的功比增加的热量大,因而提高了整个循环的热效率。,2、降低背压会降低乏气的干度,应注意。,2023/4/4,6.1.2 Rankine循环的改进,1、回热循环:,1,6,1Kg,1-,锅炉,透平机,水泵,冷凝器,过热器,2,3,4,1,回热加热器,水泵,2,2,1-,5,6,1Kg,抽出部分蒸汽Kg到回热加热器,2023/4/4,回热循环与Rankine循环比较,优点:(1)提高了水在锅炉中吸热的温位,从而增加了蒸汽有效能量,做功本领变大。(2)整个循环的工质只有一部分通过冷凝器排往自然环境的有
12、效能减少。(3)减少锅炉热负荷和冷凝器换热面积,节省金属材料。,缺点:1)中压蒸气和水在水加热器中不可逆混合,损失了部分有效能。2)设备增加。,总之,利大于弊!,现代蒸汽动力循环普遍采用这种方式。根据需要,可分为多次。,2023/4/4,回热循环的计算,计算关键:利用质量平衡和能量平衡计算抽气量。,例题7-4,2023/4/4,2、再热循环,6.1.2 Rankine循环的改进,两级透平机;提高了干度。,2023/4/4,各种不同蒸汽循环的比较,思考:为什么回热循环热效率高而有效能利用率低?,2023/4/4,制冷循环,制冷循环:利用机械功使热量从低温高温的过程。利用制冷循环达到两种目的:1)
13、制冷使指定的空间保持低于环境的温度,热量从低温空间转移到高温环境。夏天的房间、冰箱。制冷机2)加热使指定的空间保持高于环境的温度,热量从低温环境转移到高温空间。冬天的房间。热泵,2023/4/4,使物系的温度降到低于周围环境物质(大气)的温度的过程称为制冷过程。制冷过程的实现就是利用外功将热从低温物体传给高温环境介质的过程。制冷广泛地应用于生产和日常生活中。,制冷循环,2023/4/4,6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀,制冷原理:高压常温气体通过绝热膨胀变为低温液体,此液体作为工质再去冷却需要低温的物体。获得低温的方法有两种:6.2.1 节流膨胀(等H)6.2.2 作外功的绝热膨胀(等S),2
14、023/4/4,6.2.1 节流膨胀,小孔,流体通过节流阀门或多孔塞,是节流膨胀或绝热闪蒸过程。Q=0 Ws=0,u2=0,g Z=0,H=0(节流过程是等焓过程)利用节流过程,获得低温和冷量,2023/4/4,是体系的强度性质。因为节流过程的,所以当:,Joule-Thomson系数J-T的定义:,0 经节流膨胀后,气体温度降低。(冷效应),0 经节流膨胀后,气体温度升高。(热效应),=0 经节流膨胀后,气体温度不变。(零效应),通过节流过程气体温度能否降低,取决于该气体的J-T=?,称为焦-汤系数(Joule-Thomson coefficient),它表示经节流过程后,气体温度随压力的变
15、化率。,2023/4/4,J-T的计算,2)理想气体的J-T=?,J-T=0,2023/4/4,例4:在25时,某气体的P-V-T可表达为PV=RT+6.4104P,在25,30MPa时将该气体进行节流膨胀,问膨胀后气体的温度上升还是下降?能否作为作为制冷介质?解:,可见,节流膨胀后,温度升高。所以不能作为作为制冷介质。,2023/4/4,例5 请证明凡是遵循理想气体状态方程的气体在节流过程中温度不发生变化,它既不能作为制冷介质,也不能作为制热介质。,解:PV=RT V=RT/P,已知某真实气体服从两项维里方程,试分析在什么条件下该气体可作为蒸汽压缩制冷的工质?,2023/4/4,转化曲线(i
16、nversion curve),每一种工质在不同T,P区间的J-T是不同的(+、-,0),而J-T=0的那条线被称为转化曲线。显然,工作物质(即筒内的气体)不同,转化曲线的T,p区间也不同。,N2的转化曲线温度高,能液化的范围大;,而H2 和 He 则很难液化。,转化曲线J-T=0,2023/4/4,结论:1)不是所有气体在所有T,P下的节流膨胀均能使T降低的。2)制冷介质应选那种在常温常压下J-T0 的气体,如N2。3)H2和 He等气体在常温下J-T0,转化曲线J-T=0,2023/4/4,1、T-S图上求TH,T1,T2,TH,等焓线,1,2,6.2.1 节流膨胀,节流膨胀的温度降TH是
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