1、第十讲山东大学机械工程学院过程装备与控制工程研究所过程装备与控制工程专业本讲内容6 热力循环1 动力循环2 制冷循环3 热泵供热循环4 气体液化循环学习要求1 熟练掌握朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成。2 会利用蒸汽图表对循环进行热力分析和计算。3 掌握提高蒸汽动力循环热效率的方法和途径。4熟悉热电联供循环。5掌握空气和蒸汽压缩制冷循环的组成。6掌握制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。 7了解制冷剂的热力学要求和环保要求。8了解吸收制冷、蒸汽喷射制冷、热泵、空调原理。9掌握气体液化循环的原理和特点。动力循环 动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一动力循环：工质连
2、续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净功。部分转换成对外的净功。 研究目的：研究目的：合理安排循环，提高热效率合理安排循环，提高热效率。 动力循环的分类：动力循环的分类：按工质按工质蒸汽动力循环：蒸汽动力循环：外燃机外燃机空气为主的燃气空气为主的燃气按理想气体处理按理想气体处理水蒸气等水蒸气等实际气体实际气体气体动力循环：气体动力循环：内燃机内燃机正向卡诺循环 理想可逆热机循环循环示意图4-1绝热压缩绝热压缩过程，对内作功过程，对内作功1-2定温吸热定温吸热过程，过程， q1 = T1(s2-s1)2-3绝热膨胀绝热膨胀过程，对外作功过程，对外作功3-4定温放热定温放热过程，过程
3、， q2 = T2(s2-s1)气体卡诺循环工质：气体效率：最高效率缺点：1.定温吸热和定温放热两个过程在实际上难以实现；2.在p-v图上，气体定温线与绝热线的斜率相差不大，所以每次完成的功较小。蒸汽动力循环蒸汽动力循环：以蒸汽为工质，在湿蒸汽区，可以克服气体卡诺循环的两个缺点。实际生产中不采用蒸汽卡诺循环。原因：1.湿蒸汽的绝热压缩难以实现，缺少压缩汽水混合物的合适设备；2.定熵膨胀的末期，蒸汽湿度较大，对汽轮机工作不利；3.蒸汽比容比水大上千倍，压缩时设备庞大，耗功也大；4.由于上限温度受限于临界温度，温差不可能很大，因此热效率不高，每循环完成的功也不大。朗肯蒸气动力循环系统 四个主要装置
4、：锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵四个主要装置：锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器1 13 34 42 2p pv vs 膨胀膨胀p 放热放热s 压缩压缩p 吸热吸热4 41 12 23 3朗肯循环与卡诺循环比较s sT6421 41098753q2相同；q1卡诺 q1朗肯卡诺 朗肯；等温吸热41难实现 11点x太小,不利于汽机强度； 12-9两相区难压缩； wnet卡诺小 卡诺 朗肯； wnet卡诺 wnet 朗肯1112对比同温限对比同温限12341234对比对比56785678对比对比9-10-11-129-10-11-12朗肯循环T-s和h
5、-s图4321Tshs1324朗肯循环功和热的计算 汽轮机作功汽轮机作功 凝汽器中的定压放热凝汽器中的定压放热 水泵绝热压缩耗功水泵绝热压缩耗功 锅炉中的定压吸热锅炉中的定压吸热hs13242121 ,hhws322hhq3443 ,hhws411hhq朗肯循环热效率的计算 ,1 2,3 4nett11sswwwqq一般很小，占一般很小，占0.81%，忽略泵功，忽略泵功 1213thhhhhs1324实际蒸汽动力循环分析sT532241114非理想因素：非理想因素：给水泵不可逆给水泵不可逆( 3 4 )汽机不可逆汽机不可逆( 1 2 )汽机汽门节流汽机汽门节流( 1 1 ) 蒸汽管道摩擦降压，
6、蒸汽管道摩擦降压，蒸汽管蒸汽管道道散热散热(11) 实际蒸汽动力循环分析方法热一律：热效率分析法热一律：热效率分析法热二律：热二律： 1 1 熵分析法熵分析法 2 2 ExEx分析法分析法实际蒸汽动力循环热效率法sT53224111443hh忽略泵功，忽略泵功，可逆循环效率可逆循环效率汽机不可逆膨胀，汽机不可逆膨胀，汽机相对内效率汽机相对内效率管道和节流，管道和节流，管道效率管道效率锅炉散热和排烟，锅炉散热和排烟，锅炉效率锅炉效率12t13hhhh12oi12hhhh13tu13hhhh13Bfhhq整个实际蒸汽动力循环热效率12t13hhhh12oi12hhhh13tu13hhhh13Bfh
7、hqnetfwq收益循环净功代价燃料热量12fhhq12oi13B()()/hhhh12Boi13tu()()/hhhh12Boitu13()()hhhhtBoitu 整个电厂热效率机械效率机械效率Mnetww机械电机效率电机效率gMww电机tBoitu netfwq热效率热效率整个电厂热效率整个电厂热效率gfwq电厂收益电功代价燃料热量Mfwq电机netfwq机械电机tBoitu 机械电机如何提高朗肯循环的热效率？ 影响热效率的参数？s654321Tp1, t1, p21213thhhh蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响t t1 , 1 , p p2 2不变不变，p p11sT654321 1
8、6 5 4 2缺点：缺点： 对强度要求高对强度要求高x2 不不利于汽轮机安全利于汽轮机安全一般要求出口干度大于一般要求出口干度大于0.85 0.88优点：优点：T1 t v2 ，汽轮机出口尺寸小汽轮机出口尺寸小蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响p p1 , 1 , p p2 2不变不变，t t11缺点：缺点： 对耐热和强度要求高对耐热和强度要求高 v2 ，汽轮机出口尺寸变大汽轮机出口尺寸变大目前最高初温一般在目前最高初温一般在550左右左右优点：优点：T1 t v2 ，利于汽轮机安全利于汽轮机安全sT654321 1 2乏汽压力对朗肯循环热效率的影响t t1 , 1 , p p1 1不变不变，p
9、p2 2 缺点：缺点：p2 受环境限制受环境限制现在大型机组现在大型机组p2为为3.55kPa， 相应的饱和相应的饱和温度约为温度约为27 33 ，已接近可能达到的最低，已接近可能达到的最低限度。限度。冬天热效率高冬天热效率高优点：优点：T2 t sT654321 2 4 3提高循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初温度提高初压力提高初压力降低乏汽压力降低乏汽压力改变循环形式回热循环回热循环再热循环再热循环改变循环形式热电联产热电联产燃气燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环新型动力循环新型动力循环IGCCPFBC-CC.朗肯循环的改进朗肯循环热效率有限：1. 乏汽的压力和温度受限于环境，降低的
10、可能很小。2. 提高初始压力虽然可以提高朗肯循环的效率，但是由于乏汽干度下降，对汽轮机的运行会产生不利后果。3. 提高蒸汽进入汽轮机的初温又会对锅炉、管道、阀门的材质、强度提出更高的要求。4. 存在两个温差吸热造成朗肯循环效率变低。朗肯循环的改进：回热循环、再热循环等。蒸汽回热循环12361kga45kg(1-)kg抽汽式回热抽汽式回热抽汽抽汽去凝汽器去凝汽器冷凝水冷凝水表面式回热器表面式回热器抽汽抽汽冷凝水冷凝水给水给水混合式回热器混合式回热器蒸汽回热循环热力过程(1- )kg kg65as43211kgT12361kga45kg(1-)kga kg4(1- )kg51kg由于由于T-s图上
11、各点质量不同，面积不图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功再直接代表热和功蒸汽回热循环抽汽量计算(1- )kg kg65as43211kgTa kg4(1- )kg51kg以混合式回热器为例以混合式回热器为例热一律热一律a4511hhh 忽略泵功忽略泵功54a4hhhha2a2hhhh蒸汽回热循环热效率计算(1- )kg kg65as43211kgT吸热量：吸热量：放热量：放热量：1,RG151aqhhhh2,RG221qhhRG1aa21whhhh净功：净功：热效率：热效率： 1aa2t,RG1a1hhhhhh为什么抽汽回热热效率提高？ 简单朗肯循环： 回热朗肯循环： 物理意义：物理意义：
12、 kgkg工质工质100%利用利用,1- ,1- kg kg工质效率未变工质效率未变。22t121hhhh 22t,RG121a11hhhhhh 1a01hht,RGt蒸汽抽汽回热循环的特点 优点： 提高热效率 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面 可兼作除氧器 缺点： 循环比功减小，汽耗率增加 增加设备复杂性 回热器投资 小型火力发电厂回热级数一般为13级，中大型火力发电厂一般为 48级。蒸汽再热循环Ts65431ba21234再热ba蒸汽再热循环实体照片蒸汽再热循环的热效率 再热循环本身不一定提高循环热效率，热效率与再热压力有关。x2降低，给提高初压创造了条件
13、，可选取合适的再热压力。 采用一次再热可使热效率提高25。Ts65431ba2蒸汽再热循环的实践 再热压力再热压力 pb=pa (0.20.3)p1 p113.5MPa，一次，一次再热。再热。 超临界机组，超临界机组， t1600，p125MPa， 二次二次再热。再热。蒸汽再热循环的定量计算Ts65431ba2吸热量：吸热量： 114abqhhhh放热量：放热量：223qhh净功（忽略泵功）：净功（忽略泵功）： net12bawhhhh热效率：热效率：net12t,RH114()()()()baabwhhhhqhhhh热电联产(供)循环用发电厂汽轮机后的乏汽的余热来满足低热用户的需要。原因：1
14、.1.乏汽的能量数量多，但由于压力和温度低，可用能很少，乏汽的能量数量多，但由于压力和温度低，可用能很少，无法得到充分的利用。无法得到充分的利用。2.2.生活和生产中需要耗费大量燃料以产生大量温度不太高生活和生产中需要耗费大量燃料以产生大量温度不太高的热能。的热能。3.3.热电联供将二者结合起来，一方面产生动力，另一方面热电联供将二者结合起来，一方面产生动力，另一方面提供低品位的热能提供低品位的热能。由此节约的能量比因动力循环效率。由此节约的能量比因动力循环效率下降而损失的能量多，下降而损失的能量多，综合节能效果非常显著综合节能效果非常显著。热电联产(供)循环 最简单的热电联产(供)循环是采用
15、背压式汽轮机。1234给水泵热用户汽轮机过热器锅炉背压式机组(背压0.1MPa) 热用户为什么要用换热器而不直接用热力循环的水？背压式缺点： 热电互相影响 供热参数单一热电联产(供)循环 抽汽式热电联供循环抽汽式热电联供循环, , 可以自动调节热、电供应比例可以自动调节热、电供应比例，以，以满足不同用户的需要。满足不同用户的需要。过热器汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器加热器水泵 1水泵 2调节阀热电联产(供)循环net1qwKq供热已被利用的能量工质从热源得到的能量 热电联产热电联产(供供)循环的经济性评价只采用热效率循环的经济性评价只采用热效率 显然不够全面显然不够全面 能量利用系数能量利用系数
16、但未考虑热和电的品位不同但未考虑热和电的品位不同 应采用应采用 Ex经济学评价经济学评价 热电联产、集中供热是发展方向，经济环保热电联产、集中供热是发展方向，经济环保nett1wqIGCC IGCC技术把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好环保性能，是一种有发展前景的洁净煤发电技术。IGCCIGCC 优点： 效率高效率高：在目前技术水平下，：在目前技术水平下，IGCCIGCC发电的净效率可达发电的净效率可达43%43%4545，今，今后可望达到更高。后可望达到更高。 污染低污染低：污染物排放量仅为常规燃煤电站的：污染物排放量仅为常规燃煤电站的1/
17、101/10，二氧化硫排放在，二氧化硫排放在25mg25mgNmNm3 3左右（目前国家二氧化硫为左右（目前国家二氧化硫为1200mg1200mgNmNm3 3），脱硫效率可），脱硫效率可达达99%99%。氮氧化物排放只有常规电站的。氮氧化物排放只有常规电站的15%-20%15%-20%，耗水只有常规电站，耗水只有常规电站的的1/2-1/31/2-1/3，利于环境保护。，利于环境保护。 缺点： 投资较高投资较高，以大规模为佳；，以大规模为佳； 要求技术先进；要求技术先进； 厂用电较多厂用电较多。PFBC 增压流化床燃烧（PFBC）技术从原理上基本同常压流化床燃烧（AFBC）大体一致。 采用增压
18、（620个大气压）燃烧后，燃烧效率和脱硫效率得到进一步提高。燃烧室热负荷增大，改善了传热效率，锅炉容积紧凑。 除了可在流化床锅炉中产生蒸汽使汽轮机做功外，从PFBC燃烧室（也就是PFBC锅炉）出来的增压烟气，经高温除尘后，可进入燃气轮机膨胀做功。 通过燃气/蒸汽联合循环发电，发电效率得到提高，目前可比相同蒸汽参数的单蒸汽循环发电提高34。 因此，采用增压流化床燃烧联合循环（PFBC-CC）发电能较大幅度地提高发电效率，并能减少由于燃煤对环境的污染。 APFBCPFBC-CC东南大学最新科技成果增压流化床联合循环发电技术 广义热泵循环高温高温 环境环境低温低温 环境环境制冷循环-逆向循环1423
19、T1T2Ts 在一定的热源温度下，需要怎样来组织制冷机的工作循环，使获得单位冷量所消耗的能量为最小，这是制冷技术中一个很重要的问题。 制冷循环的计算内容1423T2TsT0制冷量制冷量q2耗净功耗净功w0asbs20COPqw2q120qqw0w制冷的应用 空气调节：空调装置冷源 冷藏运输：冷藏船、冷藏集装箱 专门用途： 渔船、海上作业船、军舰等 伙食冷藏：延长食品储存时间，保证质量当冷冻温度大于当冷冻温度大于100K100K，称普通冷冻；小于，称普通冷冻；小于100K100K称深度冷冻。称深度冷冻。用途：冷却、冷冻、冷藏。用途：冷却、冷冻、冷藏。制冷能力和冷吨生产中常用制冷能力来衡量设备产冷
20、量大小。生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小。制冷能力：制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量制冷设备单位时间内从冷库取走的热量(kJ/s)(kJ/s)。商业上常用冷吨来表示。商业上常用冷吨来表示。1 1冷吨：冷吨：1 1吨吨00饱和水在饱和水在2424小时内被冷冻到小时内被冷冻到00的冰所需的冰所需冷量。冷量。水的凝结（熔化）热水的凝结（熔化）热 r =334 kJ/kgr =334 kJ/kg1 1冷吨冷吨=3.86 kJ/s=3.86 kJ/s1 1美国冷吨美国冷吨=3.517 kJ/s=3.517 kJ/s制冷的方法冰、干冰、机械制冷蒸气压缩式制冷吸收式制冷蒸汽喷射式制冷 吸附
21、式制冷机械制冷蒸发制冷气体膨胀制冷半导体制冷涡流管制冷绝热放气制冷绝热退磁制冷化学方法制冷半导体制冷NNPP吸热(冷面)放热(热面)(低温)(高温)空气压缩制冷循环空气压缩制冷循环压气机压气机膨胀机膨胀机冷却器冷却器冷藏室冷藏室 在在 TL温度下温度下冷介质冷介质q1q2winwout4123组成与过程描述：空气压缩制冷循环1234TsT3T11234pvp-v图T-s图空气压缩制冷循环计算4141TTchhqpc2134231412()()()()netCEwwwhhhhhhhhqq1234TsT0T232320TTchhqp空气压缩制冷循环计算212qqqwqnetc1111111)(1)
22、()()1()1(12124132413241kkkkppTTTTTTTTTTTT空气压缩制冷循环特点 优点：优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。工质无毒，无味，不怕泄漏。 缺点：缺点： 1. 无法实现无法实现 T ， 输入功率利用冷媒的气化吸热、液化放热的特性进行能量转移（温差使能量传递）1234 热泵种类热泵种类（按吸收能量来源分）（按吸收能量来源分）特点特点 1、空气源热泵吸取空气中的热能2、水源热泵吸取水的热能3、水环热泵吸取建筑物的热能 4、地热源热泵吸取地底土壤的热能热泵压缩机种类热泵压缩机种类特点特点图片资料图片资料涡旋式（由马达及涡旋泵体组成）用于商用热泵，5匹以上热泵机组，价格高
23、备注：1匹735瓦旋转式（由马达及泵体组成）用于家用热泵（3匹以下），热泵系统一般配有保温水箱制冷剂类型制冷剂类型组成组成一般用处一般用处R12CCl2F2冷柜、冰箱R22CHClF2空调（热泵）R410A混合物空调（热泵）R134a混合物车用空调主要供暖方式热用户热用户燃煤、燃气燃煤、燃气锅炉锅炉集中供热集中供热直接电采暖直接电采暖（蓄热锅炉、（蓄热锅炉、地板辐射、地板辐射、电热膜）电热膜）热泵（空气热泵（空气源、水源）源、水源）地层热泵取暖原理地层全年的温度稳定在7-11，是非常好的热源。热交换孔最深至地下100米，中间穿有塑料热交换管。热交换液经过热泵循环，把地层的热量输送到房屋里。该系
24、统可以帮助从大自然中赢得供热，其中超过75%的能量来自于免费的存储在大自然中的太阳能，而需要支付的却只是不到25%的用于维持系统工作的电能，此外不再需要油、气、煤。地层热泵系统的优点 充分利用免费的来自大自然的能量 非常环保、造福社会 显著低于其他供热系统的综合使用费用 没有火灾、爆炸的隐患 低廉的维护费用 非常长的使用寿命 不受油、气价格不断上涨的影响 不受供暖单位、供暖时间和供暖温度的限制 节省集中供暖的管道和大型设备的投资 避免供暖费用结算的纠纷地层热泵系统技术数据型号型号单位单位791113162228供热功率供热功率KW7.29.511.51316.423.628.5设备消耗功率KW
25、1.72.22.733.85.46.8热交换液流量m3 /h22.533.545.56热交换液温度C-5至+25 C热交换泵功率KW0.330.330.330.450.450.450.45标准配备压缩机所有往复活赛压缩机供热水供热水当入水35C回水30C时供热水流量m3 /h1.31.722.32.933.6蒸发器最高温度55C注：取暖需要约50-80W/平方米（视建筑的节能性而定）锅炉太阳能热泵适用范围适用范围学校集体宿舍楼、工厂宿舍、旅店、宾馆、度假村、医院住院楼、发廊、桑拿浴室 、商住楼 、游泳池池水恒温图片资料图片资料所需燃料所需燃料电锅炉：电能燃油锅炉：柴油燃气锅炉：煤气利用太阳能（
26、电或燃油辅助加热）利用空气中的热能（电驱动系统运行）优点优点功率高、加热快、占地面积少、成本低吸收太阳能节能（效率达300%以上）、环保、安全、安装方便缺点缺点耗能(只有75%90%效率)、危险、排放废气、操作麻烦对安装场所要求（面积、日照）、阴雨天需要辅助加热设备投资成本与太阳能系统相当，比锅炉高备注：1、热泵使用工况：环境温度20；2、电费：0.8元/kWh；管道煤气(液化石油气) 18.00元/M3；柴油价格：4.70元/L；3、燃油热水炉热效率75%，燃气热水炉热效率85%，电锅炉热效率95%， 热水设备热效率370%；4、单位燃料热值：柴油8466kJ/L，管道煤气(液化石油气)25
27、000kJ/M3， 电860kJ/kW.h；5、运行费用计算公式：水量温升热效率单位燃料热值燃料单价。（元）（元）1吨水温升40的加热费用深冷循环（气体液化循环） 深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体。深度冷冻循环的目的就是获得低温度液体。当气体温度高于其临界温度时，无论加多大的压力当气体温度高于其临界温度时，无论加多大的压力都不能使其液化。因此，气体的临界温度越低，所都不能使其液化。因此，气体的临界温度越低，所需要的液化温度越低。需要的液化温度越低。如：氮气如：氮气 Tc=126.2K(-146.95)Tc=126.2K(-146.95) 氢气氢气 Tc=33.2K(-249.95)Tc=3
28、3.2K(-249.95)气体液化循环方式：节流膨胀气体液化循环方式：节流膨胀, ,定熵膨胀。定熵膨胀。气体液化循环热力学理想系统 )()(110minffHHSSTW液化气体的理论最小功 初始点P=101.3kPaT=300K气体名称沸点(K)理论最小功(kJ/kg)氦33.198178氦44.216819氢20.2712019氖27.091335氮77.36768.1空气78.8738.9一氧化碳81.6768.6氩87.28478.6氧90.18635.6甲烷111.71091乙烷184.5353.1丙烷231.1140.4氨239.8359.1气体液化系数xy1节流膨胀林德循环Lind
29、e Cycle (林德循环) 18951895年德国工程师年德国工程师LindeLinde（林德）首先应用节流膨胀法液化（林德）首先应用节流膨胀法液化空气，故称林德循环。空气，故称林德循环。 此系统由此系统由压缩机压缩机冷却器冷却器换热器换热器节流阀节流阀气液分离器气液分离器组成组成简单林德循环原理121(1-x)kg1kg 气体天然水3450换热器节流阀气液分离器Xkg产品简单林德循环原理从从T-ST-S图来看，图来看，深冷与普通冷深冷与普通冷冻循环主要区别冻循环主要区别表现在：表现在：普冷普冷：两个封闭式循环两个封闭式循环。制制冷循环与被冷物系是两种物冷循环与被冷物系是两种物质，彼此独立封
30、闭循环。质，彼此独立封闭循环。深冷深冷：制冷循环与分离或液制冷循环与分离或液化物质是同一种物质，且是化物质是同一种物质，且是不封闭循环。不封闭循环。ST123450T4理论林德循环热力学计算sWQH0sW0Q0H出入HH102Hx-1xHH）（由热力学第一定律：由热力学第一定律：因体系与环境无轴功交换，若无冷损失，因体系与环境无轴功交换，若无冷损失，由体系的能量平衡，则有由体系的能量平衡，则有 以处理以处理1kg1kg气体为基准气体为基准 （1 1） 气体液化量（液化率）气体液化量（液化率）x x 取换热器、节流阀、气液分离器为研究体系取换热器、节流阀、气液分离器为研究体系 0121H-HH-
31、Hx 理论液化量理论液化量理论林德循环热力学计算21o1oH-H)H-x(Hq (2) (2) 制冷量制冷量q qo o在稳定操作下，液化在稳定操作下，液化xkgxkg气体所取走的热量。气体所取走的热量。理论制冷量理论制冷量 P P1 1、T T1 1 被液化气体初态的压力、温度被液化气体初态的压力、温度P P2 2 被液化气体压缩后的压力被液化气体压缩后的压力121pplnRTWs （3 3） 功耗功耗WsWs按理想气体的可逆等温压缩按理想气体的可逆等温压缩 式中：式中：R R 气体常数，单位取气体常数，单位取kJ/kgkJ/kgK K理论功耗理论功耗实际林德循环ST123450T47TCx
32、)1 (qp2换热器不完全交换换热器不完全交换 这是由于气体液化装置这是由于气体液化装置绝热不完全，环境介质热绝热不完全，环境介质热量传给低温设备而引起的量传给低温设备而引起的冷量损失。冷量损失。 pCT3q低压气体平均热容低压气体平均热容换热器热端温差换热器热端温差冷量损失冷量损失实际林德循环热力学分析实际液化量实际液化量013221H-Hq-q-H-Hx 322132o1oq-q-H-Hq-q-)H-x(Hq实际制冷量实际制冷量 12T1pplnRTWs实际耗功实际耗功T 压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取0.590.5912T1xpplnxRTxWs
33、Wxo1so1s21soWH-HW)H-x(HWH-HWq比功比功WxWx每液化每液化1kg1kg气体所消气体所消耗的功称为比功。耗的功称为比功。制冷系数制冷系数林德循环存在的问题 一次节流液化循环比较简单，但效率很低。目前只有小型气一次节流液化循环比较简单，但效率很低。目前只有小型气体分离、液化装置如小型空分装置还有采用。体分离、液化装置如小型空分装置还有采用。 在简单的林德循环中，由于高压气体的相对量大和热容大，在简单的林德循环中，由于高压气体的相对量大和热容大，用未冷凝低压气体无法将其冷却到足够的低温。用未冷凝低压气体无法将其冷却到足够的低温。林德循环的改进 简单的林德汉普逊循简单的林德
34、汉普逊循环不能用于液化环不能用于液化氖、氢和氦氖、氢和氦: : 1. 1. 由于这些气体的转由于这些气体的转化温度低于环境温度，所以化温度低于环境温度，所以无法降温启动。无法降温启动。 2. 2. 用林德汉普逊系用林德汉普逊系统能够获得降温，通过低温统能够获得降温，通过低温下节流后完全都是蒸汽，没下节流后完全都是蒸汽，没有气体被液化。有气体被液化。 林德循环的改进适用于液化氖和氢的液氮预冷林德汉普逊循环预冷林德汉普逊系统: 对简单林德汉普逊系统，当热交换器入口温度低于环境温度时，可以改善简单林德汉普逊系统的性能指标。 林德循环的改进林德双压系统林德循环的改进复迭式系统 复迭式系统是预冷系统的复
35、迭式系统是预冷系统的展开，由其它制冷系统来预展开，由其它制冷系统来预冷。冷。优点优点Y 第一个用于生产液空的液第一个用于生产液空的液化装置化装置Y 系统的性能好系统的性能好Y 所需压力降低所需压力降低缺点Y 系统的每一级循环都必须系统的每一级循环都必须完全不漏，以防止流体渗漏完全不漏，以防止流体渗漏空气分离系统-林德单塔系统 林德单塔分离林德单塔分离系统是最简单的系统是最简单的空气分离系统之空气分离系统之一，采用的是基一，采用的是基本的林德汉普本的林德汉普逊液化系统，逊液化系统，用用精馏塔代替了储精馏塔代替了储液器液器，当然也可，当然也可以用其他液化系以用其他液化系统来为塔内提供统来为塔内提供
36、液体液体. .林德的单塔系统有两大缺点林德的单塔系统有两大缺点: :1)1)仅能得到纯氧产品仅能得到纯氧产品 2)2)污氮放空浪费了大量的氧污氮放空浪费了大量的氧 空气分离系统-林德双塔系统 采用采用两个精馏两个精馏塔塔，下塔氮气液，下塔氮气液化作为下塔回流化作为下塔回流液通过上塔氧的液通过上塔氧的沸腾来实现，上沸腾来实现，上塔沸腾氧蒸汽作塔沸腾氧蒸汽作为上塔的上升蒸为上塔的上升蒸汽。下塔产生多汽。下塔产生多余的液氮节流到余的液氮节流到上塔顶部作回流上塔顶部作回流液。液。林德弗兰克空气分离系统 林德林德弗兰克系弗兰克系统采用蓄统采用蓄冷器和氨冷器和氨预冷及膨预冷及膨胀机，胀机， 分离系统分离系
37、统的液化部的液化部分是分是氨预氨预冷的双压冷的双压克劳特液克劳特液化系统化系统. .海兰特空气分离系统 海兰特系海兰特系统可以得到统可以得到液氮液氮和和液氧液氧产品。产品。定熵膨胀克劳德循环Claude Cycle (克劳德循环) 19021902年法国工程师年法国工程师ClaudeClaude（克劳德）首先提出定熵膨胀法液（克劳德）首先提出定熵膨胀法液化气体，故称克劳德循环。化气体，故称克劳德循环。 此系统由此系统由压缩机压缩机冷却器冷却器换热器换热器节流阀节流阀膨胀机膨胀机气液分离器气液分离器组成组成克劳德循环工作原理克劳德循环工作原理121(1-x)kg1kg 气体天然水3459换热器I
38、II节流阀气液分离器Xkg产品换热器I换热器II膨胀机(1-M)kgM678克劳德循环T-s图 克劳德循环的克劳德循环的优点优点主主要表现在：要表现在： （1 1） 减少了高压气减少了高压气体的量，增加了作为冷体的量，增加了作为冷却介质的低压气体量；却介质的低压气体量； （2 2） 提高了液化率提高了液化率； （3 3） 回收了部分功回收了部分功。p2p1STT1T3123446789T9克劳德循环热力学计算（1 1） 液化量液化量x x以图中虚线作为研究体系以图中虚线作为研究体系sWQH0sW0Q0H出入HH42M)H1 (HH入193x)H-(1xHM)H1 (H出由热力学第一定律：由热力
39、学第一定律：体系与环境无轴功交换，无冷损失体系与环境无轴功交换，无冷损失由体系的能量平衡，则有由体系的能量平衡，则有914321H-H)H-M)(H-(1)H-(Hx91324321H-Hq-q-)H-M)(H-(1)H-(Hx若考虑不完全热交换损失若考虑不完全热交换损失q q2 2和系统的冷损失和系统的冷损失q q3 3实际：实际：克劳德循环热力学计算与林德循环相比较，制冷量多出与林德循环相比较，制冷量多出)H-M)(H1 ()H(Hq4321o324321oq-q-)H-M)(H1 ()H(Hq)H-M)(H1 (43（2 2） 制冷量制冷量q qo o理论：理论：实际：实际：kgkg)
40、H-M)(H1 (-pplnRTWs43121m43s12T1m4312T1) H-M)(H1 (-pplnRT )H-M)(H1 (-PplnRTWs（3 3） 功耗功耗WsWs理想：理想：实际：实际：式中：式中：ss等熵膨胀效率等熵膨胀效率(0.65(0.650.85)0.85)；M M未进入膨胀机的气体分率；未进入膨胀机的气体分率； m m膨胀机的机械效率；膨胀机的机械效率； R R气体常数，单位取气体常数，单位取kJ/kgkJ/kgK K 双压克劳特系统双压克劳特双压克劳特: :原理与林德双原理与林德双压系统相似。压系统相似。 通过节流通过节流阀的气体被压阀的气体被压缩至高压经过缩至高
41、压经过膨胀机循环气膨胀机循环气体仅压缩至中体仅压缩至中压压 其他制冷系统卡皮查系统卡皮查循卡皮查循环：带有高环：带有高效率透平膨效率透平膨胀机的低压胀机的低压液化循环。液化循环。采用低压力，等温节流效应及膨胀机焓降均较小。海兰特系统海兰特海兰特循环：带循环：带高压膨胀高压膨胀机的气体机的气体液化循环。液化循环。实际上实际上它也是克它也是克劳特循环劳特循环的一种特的一种特殊情况。殊情况。 西蒙氦液化系统氦气制冷的氢液化系统 各种液化系统的性能比较 以空气为工质，以空气为工质，T T300K300K，P P101.3kPa101.3kPa液化系统的比较液化系统的比较例题 一台氨蒸气压缩制冷装置，其
42、冷库温度为一台氨蒸气压缩制冷装置，其冷库温度为10，冷凝器中，冷凝器中冷却水温度为冷却水温度为20，试求单位质量工质的制冷量、装置消耗，试求单位质量工质的制冷量、装置消耗的功、冷却水带走的热量以及制冷系数。的功、冷却水带走的热量以及制冷系数。例题解解: : 按题意按题意 T1=T4=263 K T3=293 K由氨的由氨的压焓图压焓图查得查得h1=1450kJ/kg h2=1600kJ/kg h3=h4=300 kJ/kg故单位质量工质的致冷量故单位质量工质的致冷量q2=h1-h4=1450 - 300=1150 kJ/kg装置消耗的功装置消耗的功|w0|=h2 - h1=1600 1450=150 kJ/kg制冷系数制冷系数冷却水带走的热量冷却水带走的热量|qe|=h2 - h3=1600 - 300=1300 kJ/kg67. 71500115|02wq思考题1 朗肯循环与卡诺循环有何区别朗肯循环与卡诺循环有何区别?2 蒸汽参数对朗肯循环热效率有何影响蒸汽参数对朗肯循环热效率有何影响?3 简要说明朗肯循环再热、回热的原理。简要说明朗肯循环再热、回热的原理。4 为何要采用热电联供循环？为何要采用热电联供循环？5一直敞开冰箱门一直敞开冰箱门 能制冷整个房间吗？能制冷整个房间吗？打开冰箱凉快一下打开冰箱凉快一下
