蒸汽动力循环和制冷循环

锅炉
汽轮机
Q1 H H1 H4kJ / kg
水泵
冷凝器
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理想Rankine循环的热效率
Ws WP H1 H2 H3 H4
Q1
H1 H4
蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量
Ws H1 H2
Q1 H1 H4
热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功量时所消 耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。
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汽耗率
作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。
SSC 1 kg / kJ 3600 kg / kW h
W
W
当对外作出的净功相同时，汽耗率大的装置其尺寸相
应增大。所以汽耗率的高低可用来比较装置的相对尺寸大 小和过程的经济性。
6.2.1节流膨胀
ΔH = 0
流体进行节流膨胀是，由于压力变化而引起的温度变化 称为节流效应或Joule-thomson效应
J
T P H
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J
T P H
μJ﹥0 节流后温度降低 μJ = 0 节流后温度不变
μJ ﹤0 节流后温度升高
理想气体 μJ = 0 实际气体 μJ 值可为正值、负值或零
H4=181.33kJ/kg
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水泵所消耗的功
WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg
热效率
W 811.4 7.33
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通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率
1. 提高蒸汽的过热温度 在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时, 可提
3
冷凝器
2T
膨胀机
4
蒸发器
q0
压缩机
T2
T1
1
3
2
4
1
S
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循环的吸热量
qS01=TLS(S4 1-STq4)L0
T
3 TH
循环的放热量
q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4)
TL 4
⊿ H＝q＋WS
制冷剂完成一个循环⊿ H＝0，净功为
2 1 S
WN qi q0 q2 TH TL S1 S4
是随着压力的提高，乏汽的干度下降，即湿含量增加，因 而会引起透乎机相对内部效率的降低．还会使透平中最后 几级的叶片受到磨蚀，缩短 寿命。乏汽的干度一般不应 低于0.88。另外，蒸汽压力的提高，不能超过水的临界压 力，而且设备制造费用也会大幅上升。
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6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀
S3值;
P3=P2 ,查P3下的饱和液体可得 H3、V3 、
状态点 4, P4=P1 ,S4=S3,根据P4、S4可查得 H4值;
或 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)
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蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵的，而是
向着墒增加的方向偏移，用1 - 2´线表示。 水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量，可不考虑不可逆 的影响。
Sg=8.4746kJ/kg Sl=0.4226kJ/(kg·K)
2点处的干度为x
Vl=1.004cm3/g
8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041
x=0.8050
H2=2554.4× 0.805+(1-0.805) ×121.46=2080.0
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3点（饱和液体）
高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效率，并且 可以降低汽耗率。同时乏气的干度增加，使透平机的相对 内部效率也可提高。但是蒸汽的最高温度受到金属材料性 能的限制，不能无限地提高，一般过热蒸汽的最高温度以 不超873K为宜。
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2. 提高蒸汽的压力 当蒸汽压力提高时，热效率提高、而汽耗率下降。但
锅炉
水泵
汽轮机 冷凝器
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能量分析
H Q Ws
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。
锅炉
汽轮机
水泵
Q2 H H3 H2kJ / kg
冷凝器
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能量分析
H Q Ws
Pump 水泵
3 – 4 表示冷凝水通过水
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例6 - 1 某 一 理 想 的 R a n k i n e 循 外 ， 锅 炉 的 压 力 为
4MPa，产生440℃过热蒸汽,汽轮机出口压力为0.004MPa,
蒸汽流量60t/h,求
（1） 过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量； （2）乏气的湿度以及乏气在冷凝器放出热量； （3）汽轮机作出的理论功率和水泵消耗的理论功率； （4）循环的热效率。
WN q0 q2
WN 0 q2 q0
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某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在２5０K吸收热量QL, 在３００K放出热量-QH, 压缩和膨胀过程是绝热的， 向制冷机输入的净功为WN，判断下列情况是 A可逆的 B 不可逆的 C 不可能的
（1） QL =2000kJ WN=400kJ （2） QL=1000kJ QH=－1500kJ （3） WN=100kJ QH=－700kJ
锅炉
泵由P3升压至P4的可逆绝热
压缩过程，需要消耗的轴功
WP 把 水H看作H是4不可H压3kJ缩/流kg
体，则 水泵
WP
P4 P3
VdP
V
P4
P3
kJ
/
kg
汽轮机 冷凝器
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Energy Analysis 能量分析 H Q Ws
Boiler 锅炉
4 – 1 表示液体水在锅炉中被 等压加热汽化成为过热蒸汽的过 程。工质在锅炉中吸收的热量
67kW
热效率
3600PT
Q1
NP
360020452 67
190.9 106
0.3844
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例6-2 在某核动力循环装置，锅炉温度为 320 ℃的核反应堆吸入热量Q1， 产生压力为7MPa、温度为 360 ℃的过热蒸汽 (点1) ，过热蒸汽经汽轮 机膨胀作功后于0.008MPa压力下排出(点2)， 乏气在冷凝器中向环境温
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6.2.2 作外功的绝热膨胀
等熵膨胀效应系数
s
T P s
μs 必为正值。气体进行等熵膨胀时，对外做功， 膨胀后气体温度总是下降。
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6.3 制冷循环
高温 环境
低温 环境
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6.3.1 蒸汽压缩制冷循环
1 逆向Carnot循环
q2
Ws=ηsWR=-1081.8 ×0.75= - 811.4kJ/kg
Ws=H2´ - H1
H2´ = H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg 汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为x2´
H2´=Hgx2´+(1-x2´)Hl
2234.1=2577.0 x2´+(1- x2´) 173.9
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工质为水蒸气
因为水蒸气不是理想气体，气体的性质不能用 理想气体方程计算，需要通过热力学图表或实际流 体的状态方程求得。
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计算方法
状态点 1, 根据P1、t1 值可查得 H1、S1值;
状态点 2, S2=S1 ,根据P2、S2 值可查得 H2、t2值;
状态点 3,
H
S
171.97 0.5705
80 ℃ 338.85 1.0720
7.5MPa
H
S
174.18 0.5696
340.84 1.0704
4MPa
H
S
173.74 0.5698
340.44 1.0707
0.5926 0.5698 H4 173.74 1.0707 0.5698 340.44 173.74
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（1）确定各点的参数 1点（过热蒸汽）, 根据P1=4MPa、t1 =440 ℃,查过热水蒸气表
得 H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kg·K); 2点（湿蒸汽）, P2=4kPa,S2=S1 =6.9041kJ/(kg·K) ,查饱和水
蒸气表得
Hg=2554.4kJ/kg Hl=121.46kJ/(kg·K)
6.2801=8.2287x2+(1-x2) × 0.5926
x2=0.7448
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H2=Hgx2+(1-x2)Hl
=2577.0× 0.7488+(1-0.7488) ×173.88=1963.7
汽轮机作等熵膨胀过程1-2所作的理论功 WR
WR=H2-H1=1963.7-3045.5= -1081.8kJ/kg 汽轮机作实际膨胀过程1-2´所作的功 Ws
度 t0＝20 ℃进行定压放热变为饱和水(点3)，然后经泵返回锅炉(点4)完
成循环。已知汽轮机的额定功率为5×104kW，汽轮机作不可逆的绝热 膨胀，其等熵效率为0. 75，水泵作等熵压缩。试求：
(1)蒸气的质量流量； (2)乏气的湿度； (3)循环的热效率。
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1点（过热蒸汽）, 根据P1=7MPa、t1 =360 ℃,查过热 水蒸气表得 H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kg·K); 2点（湿蒸汽）, P2=0.008MPa, 查饱和水蒸气表得 Hg=2577.0kJ/kg Hl=173.88kJ/(kg·K) Sg=8.2287kJ/kg Sl=0.5926kJ/(kg·K) 汽轮机作等熵膨胀 S2=S1 =6.2801kJ/(kg·K) , S2=Sgx2+(1-x2)Sl
蒸汽通过汽轮机膨胀，实际做出的功应为H1 – H2´， 它小于等熵膨胀的功H1 – H2。两者之比称为透平机的等 熵效率。
s
Ws不 Ws可
H1 H 2 H1 H2
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实际 Rankine 循环的热效率
H1 H2 H3 H4 H1 H2
H1 H4
H1 H4
可逆
250 300 250
制冷系数
q0
WN
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逆卡诺循环
c
q0 WN
TL S1 S4 TH TL S1 S4
TL TH TL
逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无 关。
在相同温度区间工作的制冷循环，以逆卡诺循环的制 冷系数为最大。
制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。
x2´ =0.8573
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乏气的湿度为 1-0.8573=0.1427 3点 0.008MPa饱和液体
H3=173.88kJ/(kg·K) S3=0.5926kJ/(kg·K) 4点 P4=7MPa, S4=S3=0.5926kJ/(kg·K) 查未饱和水性质表
40 ℃
5MPa
蒸汽动力循环和制冷循环
第1页，本讲稿共51页
6.1 蒸汽动力循环
锅炉
水泵
汽轮机 冷凝器
第2页，本讲稿共51页
能量分析
H Q Ws
Turbine 汽轮机 1 – 2 表示过热蒸汽 在汽轮机中的可逆绝 热膨胀过程，对外所 做轴功可由膨胀前后 水蒸汽的焓值求出。
Ws H H2 H1kJ / kg
=117.5 ×106kJ/h 乏气的湿度为 1-x=1-0.805=0.195
汽轮机作出的理论功率
PT
mWs
mH 2
H1
60 103 3600
2080.0 3307.1
20452kW
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水泵消耗的理论功率
NP
mWP
mH 4
H3
60 103 3600
125.5 121.5
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20 ℃
2.5MPa
H
S
86.30 0.2961
5MPa
H
S
88.65 0.2956
4MPa
H
S
87.71 0.2958
40 ℃ 169.77 0.5715 171.97 0.5705 171.09 0.5709
0.4226 0.2958 H4 87.71 0.5709 0.2958 171.09 87.71
P3=4kPa H3= Hl =121. 46 kJ/kg S3=Sl=0.4226kJ/(kg·K)
4点（未饱和水）
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),查未饱和 水性质表
H2=126.1kJ/kg
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（2）计算
过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量
Q1=m(H1 - H4)=60 ×103 ×(3307.1 - 125.5) =190.9 ×106kJ/h
乏气在冷凝器放出的热量
Q2=m(H2 - H3)=60 ×103 ×(2080.0 - 121.5)