9.第七章 蒸汽动力循环和制冷循环
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.
热力学循环过程
热力学循环过程热力学循环过程热力学循环是指在一定的温度范围内，通过一系列的热力学变化，使得系统从一个状态回到相同的状态的过程。
在工程领域中，热力学循环被广泛应用于各种能源转换和动力系统中。
本文将对热力学循环过程进行详细介绍。
一、理想气体循环1.卡诺循环卡诺循环是理想气体循环中最常见的一种。
它由四个步骤组成：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩。
其中，等温膨胀和等温压缩是在高温和低温下进行的，而绝热膨胀和绝热压缩则是在两个恒温储存器之间进行的。
2.斯特林循环斯特林循环也是一种理想气体循环。
它由两个等量的等温膨胀和两个等量的等温压缩组成。
与卡诺循环不同的是，在斯特林循环中，气体是通过活塞进行往复运动的。
二、汽车循环汽车循环是指内燃机中的热力学循环过程。
它分为四个步骤：进气、压缩、燃烧和排气。
其中，进气和排气是通过活塞进行的，而压缩和燃烧则是通过发动机的缸体完成的。
三、蒸汽动力循环蒸汽动力循环是指利用水蒸气驱动涡轮机或活塞发电的过程。
它由四个主要步骤组成：加热、膨胀、冷却和压缩。
其中，加热和冷却是通过锅炉完成的，而膨胀和压缩则是通过涡轮机或活塞完成的。
四、制冷循环制冷循环是指将低温物体中的热量传递到高温物体中以使其降温的过程。
它由四个主要步骤组成：压缩、冷凝、膨胀和蒸发。
其中，压缩和冷凝是通过制冷机完成的，而膨胀和蒸发则是通过制冷剂完成的。
五、混合流体循环混合流体循环是指将两种或多种不同的流体混合在一起，使它们共同进行热力学循环的过程。
它由四个主要步骤组成：加热、膨胀、冷却和压缩。
其中，加热和冷却是通过换热器完成的，而膨胀和压缩则是通过涡轮机或活塞完成的。
六、结论总之，热力学循环过程在工程领域中有着广泛的应用。
不同类型的循环过程有着不同的特点和适用范围。
了解这些循环过程对于设计和优化能源转换和动力系统非常重要。
热力学循环的应用与实践
热力学循环的应用与实践热力学循环是热力学与工程学的重要交叉领域，它涉及到能量转换和能量利用的过程。
在现代工业和生活中，几乎所有的能源转换设备都是基于热力学循环原理设计和构建的。
本文将探讨热力学循环在实际应用和实践中的重要性以及一些常见的热力学循环。
一、热力学循环的应用1. 蒸汽动力循环蒸汽动力循环是最常见的热力学循环之一，广泛应用于火力发电站和核电站等能源领域。
蒸汽动力循环的基本原理是通过燃烧燃料产生热能，将水转化为蒸汽，然后利用蒸汽推动汽轮机转动发电机，最后利用冷凝器将蒸汽重新冷凝成水循环利用。
2. 气体轮机循环气体轮机循环是一种基于气体膨胀和压缩的热力学循环，其典型代表是燃气轮机循环和制冷循环。
燃气轮机循环适用于飞机发动机、船舶动力装置以及一些工业领域的能量转换。
制冷循环则广泛应用于空调和制冷设备。
3. 制冷循环制冷循环是一种热力学循环，它可以将低温热量转移到高温区域，实现冷却效果。
制冷循环被广泛应用于食品加工、医药冷链、航空航天和低温科学研究等领域。
4. 有机朗肯循环有机朗肯循环是一种利用有机工质替代常规热力学循环中的水蒸汽来实现能量转换的循环方式。
有机朗肯循环广泛应用于地热发电、太阳能发电和工业余热回收等领域，具有更大的灵活性和适应性。
二、热力学循环的实践1. 提高能量利用效率通过对热力学循环原理的深入研究和实践，可以有效地提高能源转换设备的能量利用效率。
例如，通过优化蒸汽动力循环中的锅炉和汽轮机参数，可以提高火力发电站的发电效率，并减少对化石燃料的消耗。
类似地，对燃气轮机的循环效率进行改进，可以实现燃气轮机的高效率运行。
2. 减少环境污染热力学循环的实践还可以帮助减少环境污染。
通过安装脱硫装置和氮氧化物减排装置，可以降低火力发电厂中的二氧化硫和氮氧化物排放量。
同时，采用先进的燃气轮机循环和发动机技术，可以减少大气中的污染物排放，保护环境。
3. 推动新能源发展热力学循环在新能源领域的应用与实践对推动可持续发展具有重要意义。
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
蒸汽动力循环的四个主要过程
蒸汽动力循环的四个主要过程一、蒸汽动力循环介绍蒸汽动力循环是一种常见的热力学循环，广泛应用于电力、化工、航空等领域。
它利用热能将水转化为蒸汽，再通过蒸汽的膨胀和冷凝来实现能量的转化和利用。
蒸汽动力循环主要由四个过程组成，分别是压缩、加热、膨胀和冷凝，下面将分别对这四个过程进行详细介绍。
二、压缩过程压缩过程是蒸汽动力循环的第一个过程，其目的是将低压的蒸汽压缩为高压蒸汽。
在这个过程中，蒸汽从锅炉中进入压缩机，通过压缩机的工作，蒸汽的温度和压力都得到了提高。
压缩机通常采用离心式或轴流式，通过叶片的旋转来增加蒸汽的压力。
这样可以提高蒸汽的能量，为后续的加热和膨胀过程提供条件。
三、加热过程加热过程是蒸汽动力循环的第二个过程，其目的是将高压蒸汽加热至高温高压。
在这个过程中，高压蒸汽从压缩机出口进入锅炉，在锅炉中与燃料进行热交换，吸收燃料燃烧释放的热能。
经过加热，蒸汽的温度和压力进一步提高，成为高温高压蒸汽。
加热过程通常采用燃烧室或燃烧锅炉，通过燃料的燃烧来提供热能。
这样可以增加蒸汽的能量，为后续的膨胀和冷凝过程提供动力。
四、膨胀过程膨胀过程是蒸汽动力循环的第三个过程，其目的是将高温高压蒸汽的热能转化为机械能。
在这个过程中，高温高压蒸汽从锅炉出口进入膨胀机，通过膨胀机的工作，蒸汽的压力和温度都得到了降低。
膨胀机通常采用汽轮机或透平机，通过蒸汽的膨胀来驱动转子旋转，从而产生机械能。
这样可以将蒸汽的热能转化为机械能，为后续的发电或其他工作提供动力。
五、冷凝过程冷凝过程是蒸汽动力循环的最后一个过程，其目的是将膨胀后的低温低压蒸汽再次液化。
在这个过程中，膨胀后的低温低压蒸汽从膨胀机出口进入冷凝器，通过冷凝器的工作，蒸汽的温度和压力都得到了降低。
冷凝器通常采用冷却水或制冷剂，通过与蒸汽的热交换来将蒸汽冷却至液态。
这样可以将蒸汽的热能再次转化为冷却介质的热能，为后续的循环提供条件。
六、总结蒸汽动力循环是一种重要的能量转化和利用方式，通过四个主要过程实现了热能向机械能的转化。
工程热力学(天津理工大学)智慧树知到答案章节测试2023年
绪论单元测试1.热机是指能把热能转换为机械能的设备。
A:对B:错答案:A2.二次能源是指由一次能源加工转换后的能源。
A:错B:对答案:B3.制冷空调的能源利用率可以大于100%。
A:对B:错答案:A4.蒸汽动力循环中，水在锅炉中加热变成蒸汽，同时压力升高。
A:错B:对答案:A5.燃气轮机的工作循环中，工质燃气在燃烧室中被加热，同时压力升高。
A:错B:对答案:A6.汽油机（内燃机）的工作循环中，工质燃气在气缸中被加热，同时压力升高。
A:对B:错答案:A7.蒸汽动力循环的四个主要过程依次是：（）A:加压-加热-膨胀做功-放热B:加压-膨胀做功-吸热-放热C:加热-加压-膨胀做功-放热D:加压-放热-膨胀做功-吸热答案:A8.在我国，二次能源中热能的约（）需要通过热机转换为机械能使用。
A:90%B:10%C:40%D:60%答案:A9.蒸汽动力循环的加压过程发生在（）A:汽轮机B:锅炉C:水泵D:凝汽器答案:C10.实现热功转换的媒介物质称为（）A:系统B:工质C:蒸汽D:气体答案:B第一章测试1.与外界只发生能量交换而无物质交换的热力系统称为：（）A:闭口系统B:绝热系统C:孤立系统D:开口系统答案:A2.稳定状态（）是平衡状态，而平衡状态（）是稳定状态。
A:不一定/一定B:一定/一定C:一定/不一定D:不一定/不一定答案:A3.下列（）组参数都不是状态参数。
A:压力；温度；比容B:膨胀功；技术功；推动功C:内能；焓；熵D:质量；流量；热量答案:D4.若大气压力为100KPa，真空度为60KPa，则绝对压力为（）A:160KPaB:60KPaC:100KPaD:40KPa答案:D5.在工程热力学计算中使用的压力是（）A:表压力B:真空压力C:大气压力D:绝对压力答案:D6.热力学一般规定，系统从外界吸热为（），外界对系统做功为（）A:正/负B:正/正C:负/负D:负/正答案:A7.P—V图上，可逆过程线以下的面积表示（）A:技术功B:膨胀功C:能量D:热量答案:B8.工质经历一个可逆过程后，沿原路线逆行，可以使（）回到初态。
化工热力学-总复习1
总复习
16
第7章 蒸汽动力循环与制冷循环
总复习
气体的膨胀
对外不做功的绝热节流膨胀
H2 H1
J
T p
h
1 Cp
T
V T
p
对外做功的绝热可逆膨胀
V
JJ
0, 0,
冷 零
J 0, 热
S2 S1
效应
效 应TH 效应
p2
p1
J dp
s
T p
s
1 Cp
T V T
p
总 有 s 0, 冷效 应
液
相
区
气相区
汽液共存区
恒温线
A 饱和液相线AC
B 饱和气相线BC
3
第2章 流体的p-V-T关系
总复习
p-V-T关系及计算
R-K方程：已知V、T和质量，求压力。
公式：
p
RT V b
a
T 0.5V V
b
注意:(1)p、V、T单位，V为mol体积。
a b
0.42748R 2Tc 2.5 pc
0.08664RTc
功源有效能 ExW W 与功源总能量相等；
热量有效能 有效能损失
ExQ
Q 1 - T0 T
典型题：作业6-9、6-11，习题课 第六、七章第6题。
El Ex WS WL T0St
有效能效率
(等价于t )
EX
Ex Ex
获 得 提 供
1-
El
Ex
提
供
不可可逆逆过过程程EEXX
100% 100%
f p
ˆi
fˆi xi p
f与fˆi、与ˆi的 关 系
ln f
北科大工程热力学作业非热力专业
《工程热力学》作业参考答案第一章热力学绪论1.锅炉烟道中的烟气压力常用上部开口的斜管测量，如图所示。
若已知斜管倾角α=30°，压力计中使用ρ=0.8g/cm3的煤油，斜管中液柱长度L=200mm，当地大气压力Pb=0.1MPa，求烟气的绝对压力（用MPa表示）。
解：2.某容器被一刚性壁分为两部分，在容器的不同部位安装有压力表，如图1-9所示。
压力表B上的读数为75kPa，压力表C上的读数为0.11MPa。
如果大气压力为97kPa，试确定压力表A上的读数，及容器两部分内气体的绝对压力。
3.把CO2压送到体积为3m3的贮气罐里，气罐内起始表压力p e1=30kPa，终了时表压力p e2=0.3MPa，温度由t1=45°C增加到t2=70°C。
试求被压入的CO2的质量。
当时当地的大气压p b=0.1MPa。
解：第二章热力学第一定律1.0.5kg的气体，在气缸活塞机构中由初态p1 = 0.7MPa、V1 = 0.02m3，准静膨胀到V2 = 0.04m3。
试确定在下列各过程中气体完成的功量及比功量：（1）定压过程；（2）pV2=常数。
解：2.为了确定高压下稠密气体的性质，取2kg气体在25MPa下从350K定压加热到370K，气体初终状态下的容积分别为0.03m3及0.035m3，加入气体的热量为700kJ，试确定初终状态下的热力学能之差。
解：3.气体在某一过程中吸入热量12kcal，同时热力学能增加了20kcal，问此过程是膨胀过程还是压缩过程？对外交换的功量为多少？解：4.流速为500m/s的高速空气流，突然受阻后停止流动。
如滞止过程进行迅速，以致气流在受阻过程中与外界的热交换可以忽略不计。
问在滞止过程中空气的焓变化了多少？解：第三章热力学第二定律1.某冷冻室维持温度为-40℃，冷冻机在工作过程中从冷冻室取出 1.25kw热量输出给温度为27℃的环境。
试确定：冷冻机的最大COP;最小的理论输入功量。
蒸汽动力循环及制冷循环
却水）冷凝温度由供热温度决定，QL得以利用； ② 排气压力受供热温度影响，较郎肯循环排气压力高,不小
于大气压力；
③ 热电循环效率 =循环热效率+提供热顾客旳热量/输入旳总 热量。
QL
QH
（2） 抽气式汽轮机联合供电供热循环
J
P P 0 cp
这阐明了理想气体在 节流过程中温度不发 生变化
② 真实气 体
有三种可能旳情况，由定义式知
J
T P H
当μJ>0时，表达节流后压力下降，温度也下降
V T V 0
致冷
T P
当μJ=0时，表达节流后压力下降，温度不变化
V T V 0 不产生温度效应 T P
这就阐明了在相同条件下等熵膨胀系数不小于节 流膨胀系数,所以由等熵膨胀可取得比节流膨胀更加 好旳致冷效果.
(3) 积分等熵温度效应
等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起旳温度变化，
称之。
p2
Ts T2 T1 s dp
p1
计算积分等熵温度效应旳措施有4种：
① 利用积分等熵温度效应
Ts
p2
s dp
（1）工质进汽轮机状态不同
卡诺循环：湿蒸汽 郎肯循环：干蒸汽
（2）膨胀过程不同
卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程
（3）工质出冷凝器状态不同 卡诺循环：气液共存
（4）压缩过程不同 （5）工作介质吸热过程不同
郎肯循环：饱和水
卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程，若忽 视掉工作介质水旳摩擦与散热，可 简化为可逆过程。
6.2 节流膨胀与作外功旳绝热膨胀
一. 节流膨胀过程
制冷和热泵循环
2.1 实际制冷循环（工作原理）
压缩机从蒸发器吸入气体，并压缩到高压后送 入冷凝器，蒸发器因为蒸汽不断抽走而维持在 较低压力状态，制冷剂的蒸发温度低于低温源 的温度，它从低温源吸取热量使液体制冷剂蒸 发；送到冷凝器的高压蒸汽的饱和温度高于高 温源（环境），向环境排热，凝结的高压液体 制冷剂经节流器降压，以大部分液体湿蒸汽状 态进入蒸发器，液体制冷剂吸热而蒸发，在被 压缩机吸走
内容：制冷和热泵循环
第七讲 制冷和热泵循环
1 逆卡诺循环及其性能比较标准 2 实际制冷循环 3 热泵循环及其节能原理 4 压缩制冷设备的节能途径与空调热水机 5 压缩机的循环
1.1 逆卡诺循环
最简单的制冷循环是逆向卡诺循环。由四个过程 组成： 1-2—绝热膨胀； 2-3—定温吸热； 3-4—绝 热压缩； 4-1—定温放热。
涡旋式压缩机：主要用在制冷量在7—35kw的空调上 螺旋式压缩机：主要采用水冷冷凝器 滑动叶片式压缩机：主要用于家用空调上
离心式压缩机： 主要用于制冷量在800kw以上的场合
W Eu, h Eu, o (1 To Th)Qh 0
式说明零品位的环境空气能与高品位的功能结合使用 时，只要满足上式的条件，就可以节约高品位的功能。
3.2热泵循环及节能原理
• 热泵的性能系数为
coph Qh W
热泵的有效率为
u, h (1 T 0 )coph
Th
4.压缩制冷设备的节能途径
循环中系统消耗净功 w0 ，循环从温度为Tc的低热源
吸收热量q2，而向温度为Th较高的环境放热 q1
《轮机热工基础》复习题
《轮机热工基础》复习题提醒大家：该题库由轮机工程学院葛景华老师创建，供集美大学轮机工程学院本科生教学过程中使用。
请大家珍惜老师的劳动成果，未经老师允许，不得向其他学校传播。
第一章基本概念1. 与外界只发生能量交换而无物质交换的热力系统称为 B 。
A、开口系统B、闭口系统C、绝热系统D、孤立系统2. 与外界既无能量交换又无物质交换的热力系统称为 D 。
A、开口系统B、闭口系统C、绝热系统D、孤立系统3. 开口系统与外界可以有 D 。
A、质量交换B、热量交换C、功量交换D、A+B+C4. 与外界没有质量交换的系统是闭口系统，同时它也可能是＿＿D＿＿系统。
A．开口 B．绝热 C．孤立 D．B＋C5. 下列 B 与外界肯定没有质量交换但可能有热量交换。
A、绝热系统B、闭口系统C、开口系统D、孤立系统6. 实现热功转换的媒介物质称为 C 。
A、系统B、气体C、工质D、蒸气7. 工质应具有良好的和。
AA、流动性/膨胀性B、耐高温性/导热性C、耐高压性/纯净D、耐腐蚀性/不易变形8. 下列各项为工质热力状态参数的是：。
CA、热量、压力、熵B、功、比容、焓C、内能、压力、温度D、内能、比热、焓9. 在工质的热力状态参数中，属于基本状态参数的是。
AA．温度 B．内能 C．焓 D．熵10. 500℃等于_______C____。
，则绝对压力为 D 。
A、160KPaB、100KPaC、60KPaD、40KPa11.若大气压力为100KPa，表压力为60KPa，则绝对压力为 A 。
A、160KPaB、100KPaC、60KPaD、40Kpa12.在没有相变和化学反应时，处于＿C＿＿＿是系统实现平衡的充分和必要条件。
A．热平衡 B．力平衡 C．热和力同时平衡 D．都不是14. 在下列各项中，＿＿A＿＿都不是状态参数，是过程量。
A．功和热量 B．功和压力 . C．热量和温度 D．压力和比体积15. 下列热力学过程中视为可逆过程的是 C 。
工程热力学知到章节答案智慧树2023年哈尔滨工程大学
工程热力学知到章节测试答案智慧树2023年最新哈尔滨工程大学绪论单元测试1.热力学中常用气态工质就是理想气体。
（）参考答案:错2.焦耳首先提出了能量守恒与转换定律。
（）参考答案:错3.发电厂循环普遍采用的是蒸汽动力循环。
（）参考答案:对第一章测试1.绝热系统与外界没有（）交换。
参考答案:热量2.下面所列参数，哪个不是状态参数（）。
参考答案:表压力;摄氏温度3.制热系数可以（）。
参考答案:大于14.制冷系数可以是（）。
参考答案:小于1;大于3;等于1;大于15.不可逆损失来源于（）。
参考答案:任何耗散效应;运动摩擦;不等温传热6.绝热闭口系统就是孤立系统。
（）参考答案:错7.平衡状态是指在没有外界作用的条件下，热力系统状态不随时间变化的状态。
（）参考答案:对8.已知任意两个状态参数，就可以确定简单可压缩系统的状态。
（）参考答案:错9.真空度是状态参数。
（）参考答案:错10.正向循环的循环净功为正，表现为对外界做功。
（）参考答案:对第二章测试1.闭口系统的能量方程不适用于广义功存在的情况。
（）参考答案:错2.绝热节流过程是等焓过程。
（）参考答案:错3.某工质在过程中热力学能增加15kJ，对外做功15kJ，则此过程中工质与外界交换的热量为30kJ，热量传递方向表现为吸热。
（）参考答案:对4.热力循环的净热量等于净功量，所以循环的热效率为1。
（）参考答案:错5.下列属于状态参数的有（）。
参考答案:推动功6.下列属于状态参数的有（）。
参考答案:热力学能7.热力学第一定律是可以通过数学公式进行证明的定律。
（）参考答案:错8.简单可压缩系统中，热力学能可以表达为任意两个相对独立状态参数的函数。
（）参考答案:对9.闭口系统的能量方程不适用于不可逆过程。
（）参考答案:错10.稳定流动开口系统的系统总能不变。
（）参考答案:对第三章测试1.工质在相同的初、终状态之间的可逆与不可逆过程，则工质熵的变化是一样的（）参考答案:对2.理想气体在绝热容器中作自由膨胀，则气体的温度与压力的表达式是。
化工热力学第六章 蒸汽动力循环和制冷循环解读
§7.1 蒸汽动力循环
稳定流动体系的热力学第一定理：
2 流体通过压缩机、膨胀机 ∵ u2≈0，g Z≈0，若绝热过程Q=0 Ws= H= H2-H1
高压高温蒸汽带动透平产生轴功。 （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。）
H gZ u
(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 Q1
吸热
1
解： 1 ）Q1 H1 H4 3 ）WS H2 H1
5 T 4
4 ） W H H P 4 3 2 ）Q2 H3 H2
ABCDA的面积 循环热机的效率 ABC曲线下的面积
2019/4/16
用T-S图表示热和功的优点
T-S 图：既显示体系所吸取或释放的热 量；又显示体系所作的功。 p-V 图：只能显示所作的功。
2019/4/16
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 ： 循环的净功与工质向高温热库吸收的热量之比
§7.3 制冷循环
§7.3.1 蒸汽压缩制冷循环 §7.3.2 吸收制冷循环
2019/4/16
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
蒸 汽 作 功
理想Rankine循环
1
T
等 S4 压 缩 等压吸热 等 S 膨 胀
制冷技术 制冷热力学原理
制冷原理
利用某种物质状态变化，从较低温度的热源吸取一 定的热量，通过一个消耗功（或热量）的补偿过程， 向较高温度的热源放出热量。 为了实现上述能量转换，首先 必须有使制冷机能达到比低温 热源更低温度的过程，并连续 不断地从被冷却物体吸取热量。
可逆循环和不可逆循环
循环由过程构成 可逆
过程
不可逆
可逆循环 循环
不可逆循环
➢不可逆过程可分成两类：内部不可逆和外部 不可逆。 ➢制冷剂在其流动或状态变化过程中因摩擦、 扰动及内部不平衡而引起的损失，都属于内部 不可逆； ➢蒸发器、冷凝器及其他换热器中有温差时的 传热损失，属于外部不可逆。
逆循环
逆循环：逆时针方向（消耗功把热量由低温
p 热1源送至高温热源）T
2
2
V
净效应：对内作功
1
S
净效应：放热
动力循环与制冷（热泵)循环
• 动力Power循环—正循环 输入热,通过循环输出功
• 制冷Refrigeration循环—逆循环 输入功量（或其他代价），从低温热源取热
• 热泵Heat Pump循环—逆循环 输入功量（或其他代价），向高温热用户供热
自然界自发过程都具有方向性
自发过程的方向性
功量 功量
摩擦生热
100% 发电厂 40%
热量 热量
放热
自发过程具有方向性、条件、限度
热力学第二定律的表述与实质
热二律的表述有 60-70 种
热功转换
传热
1851年 开尔文－普朗克表述
热功转换的角度
化工热力学_Chapter6-7_习题与解答_III_201406
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化工热力学习题课-III （第六章、第七章） June 13, 2014
第六章 化工过程的能量分析 作业题(1,2)_(May 16 & 23, 2014)
取整个装置为体系，忽略各设备散热损失，且冷凝器出口的冷却水所 携带的㶲通常难以利用，可忽略，则总㶲损：
DK总 Ex5 -Ex6 Ws 4.438 106 0.9731106 1.2152 106 2.250 106 kJ
对废热锅炉作㶲衡算，忽略热损失，又无功交换，Ws=0，其㶲损：
6 蒸汽动力循环
由热力学第一定律即可求出Rankine循环的热和功。 Question: Rankine循环是否遵循热力学第二定 律？为什么？
具体结果： 过程1： Q1 QH H1 H1 H4 过程2：
Ws H 2 H 2 H 1 Q3 QC H 3 H 3 H 2 W P H 4 H 4 H 3
H1 3307.1kJ/kg S1 6.9041kJ/kg K
2点是湿蒸汽，P2= 0.04× 105Pa，它是由饱和蒸汽和饱 和水构成的两相平衡系统
v l H 2 xH 2 (1 x ) H 2 v l S2 xS2 (1 x ) S2
干度x是 未知量。
查饱和水和饱和水蒸汽性质表，得到P2= 0.04× 105Pa 时饱和水和饱和水蒸汽的性质：
Chapter 6
蒸汽动力循环与制冷循环
Steam-power Cycle and Vapor-compression Refrigeration Cycle
6.1 蒸汽动力循环(Steam-power Cycle))
蒸汽动力循环：用蒸汽将热转化为功的循环。
2
蒸汽动力 循环的示 意图
QH 锅
炉 1
2、过热蒸汽在汽轮机中绝热可逆膨胀，变成湿蒸 汽（1-2）； 3、湿蒸汽在冷凝器中等温、等压冷凝，变成饱和 水（2-3）； 4、饱和水在水泵中绝热可逆压缩，变成不饱和水 （3-4）。
Rankine循环的热机效率 Rankine循环的热机效率是通过对该循环进行热力 学分析得到的。 Rankine循环的热力学分析方法同Carnot Cycle 。 热力学第一定律：
Ws QH
H1 H 2 H1 H 4
热力学循环的基本原理及其在热力学工程中的应用
热力学循环的基本原理及其在热力学工程中的应用热力学循环是热力学工程中常用的一种能量转换方式，广泛应用于能源系统、发电厂等领域。
它通过将热能转化为机械能，实现能源的高效利用。
本文将介绍热力学循环的基本原理以及它在热力学工程中的应用。
一、热力学循环的基本原理热力学循环是指在一定的工作物质中，通过一系列的热力学过程，将热能转化为机械能，然后再将机械能转化为热能的过程。
它依据热力学第一定律和第二定律的原理，通过不同的工作流程，实现能量的转换。
热力学循环通常由四个基本过程组成：加热过程、膨胀过程、冷却过程和压缩过程。
在加热过程中，工作物质吸收热量，温度和压力升高；在膨胀过程中，工作物质进行膨胀，压力下降，从而驱动负荷进行工作；在冷却过程中，工作物质释放热量，温度和压力降低；在压缩过程中，工作物质被压缩，压力升高，为下一个循环提供工作物质。
二、热力学循环在热力学工程中的应用1. 蒸汽动力循环蒸汽动力循环是热力学工程中最常见的循环之一。
它以水蒸汽为工作物质，通过加热水蒸汽产生高温高压蒸汽，然后通过膨胀机械转换为机械能，最后再将低温低压蒸汽排出。
蒸汽动力循环广泛应用于发电厂、热电联产等领域。
2. 气体轮机循环气体轮机循环是以气体为工作物质的循环系统。
它通过燃烧燃料产生高温高压气体，然后通过气轮机将热能转化为机械能，再将低温低压气体排出。
气体轮机循环广泛应用于航空、船舶、石油化工等领域。
3. 制冷循环制冷循环是将热能从低温源吸收，然后通过压缩工质将热能排放到高温源的过程。
它广泛应用于制冷设备、空调系统等领域。
制冷循环的基本原理是利用工质在不同温度下的相变特性，通过压缩和膨胀过程实现热能的转移。
4. 混合循环混合循环是将两种或多种循环系统相结合，以提高能量转换效率的一种方法。
例如，蒸汽动力循环与气体轮机循环的结合，可以充分利用燃料能量，提高发电效率。
总之，热力学循环是热力学工程中的重要组成部分，通过将热能转化为机械能，实现能源的高效利用。
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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。
计算方法
蒸 汽 动 力 循 环
• 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, P3=P2 ，查P3下的饱和液体可得 H3、 V3 、S3值; • 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)
W.J.M. Rankine , 1820--1872
74 41 12 23 饱和水可逆绝热压缩过程。（等S） 高压水等压升温和汽化，可逆吸热过程 过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。（等S） 湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。
蒸 汽 作 功
1
水 加 热 至 过 热 锅炉 蒸 汽
2018/12/10
实际与理想Rankine循环的比较
T
PH 4 2 1 5’ 6 6’ S1 5 4’ S’4 5” S’5 3 PL
S
Q1 Q2 WN
理想循环 12344’6’1 54’ 6’65 1234561
实际循环 12345’5’’6’1 5’5’’ 6’65’ 12345’61
蒸 汽 动 力 循 环
水泵
冷 凝 器
Q2 H 23 H3 H 2
WP H 34 H 4 H 3
P4
Q2
3
P3
V
水 dP
V水 （P4 P3 ）
WP可逆绝热压缩功
Q1=面积1ba41
Q2=面积2ba32
循环过程 U 0
闭 系U Q W
W Q
过 热 器 锅炉
理想Rankine循环
透 平 机
1
T
等 S4 压 缩 可逆吸热 等 S 膨 胀
2
水压缩
冷 凝 器
4
水泵
3
蒸 汽 冷 凝 成 水
3
相变
2
S
7.1.1 Rankine (朗肯)循环
2、理想朗肯循环的定量计算方法
我们的任务：讨论循环的热工性能，包括：
要计算循环中吸收热量Q1、放出的热量Q2； 对外作出的功WS、从外界得到的功WP； 计算出循环热效率及汽耗率。 注意：蒸汽动力循环装置除启动、停机、发生事故 等外，正常工作时，工质处于稳定流动过程。
汽轮机
水 泵
冷凝器
Q1 H H1 H 4 kJ / kg
卡诺循环的缺点
4 锅炉加热 1 泵 透 平 机 2 汽+液 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 X>0. 9 但2点的X<0.88 易损坏叶片 透平机后的乏气, 汽+液
结论:卡诺循环不 适合变热为功!
2.5MPa
H 20 ℃ 86.30 S 0.2961 0.5715 H
5MPa
S 0.2956 0.5705 H 88.65 171.97
4MPa
S
87.71 171.09
0.2958 0.5709
40 ℃ 169.77
0.4226 0.2958 H 4 87.71 0.5709 0.2958 171.09 87.71
1 净功WN WS WP Q1 Q2 面积12341 Q可 逆 TdS
透 平 机
WS 膨胀功
1
Q1
2
冷 凝 器
T
Q2
4 3
WN Q2
Q1 2
4
水泵 WP压缩功
3
a
S
b
理想Rankine循环的热效率
蒸 汽 动 力 循 环
Ws WP H1 H 2 H 3 H 4 Q1 H1 H 4
蒸 汽 动 力 循 环
3点（饱和液体） 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
实际Rankine循环的热效率η
（WS ,透平,不 WP ’ ） （H 1 H 2’ ） Q1 H1 H 4 WP ’ 0
3 ）在透平机中对外做功 WS H 2’ H1 1 ）在锅炉中吸热量 Q1 H1 H 4’ 4 ）在水泵中消耗功 WP H 4’ H3 2 ）在冷凝器中放热量 Q2 H 3 H 2’
60 103 2080.0 3307.1 PT mWs mH 2 H1 3600 20452kW
汽轮机
WP H H 4 H 3 kJ / kg
把水看作是不可压缩流体， 则
水泵 冷凝器
WP VdP V P4 P3 kJ / kg
P4 P3
蒸 汽 动 力 循 环
能量分析
H Q Ws
锅炉
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
1 3600 SSC kg / kJ 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。
热效率↑，汽耗率↓，表明：循环越完善。
蒸 汽 动 力 循 环
工质为水蒸气
• 因为水蒸汽不是理想气体，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。
T
冷凝器 3
S
郎肯循环与卡诺循环的区别
（1）工质进汽轮机状态不同
卡诺循环：湿蒸汽
郎肯循环：干蒸汽
（2）膨胀过程不同
卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程 卡诺循环：气液共存 郎肯循环：饱和水
（3）工质出冷凝器状态不同
（4）压缩过程不同
卡诺循环：等熵过程 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。 卡诺循环：等温过程
实际Rankine循环
5 ）等熵效率 S
Q1吸热
WS ,不 WS ,可
1
H 1 H 2' H1 H 2
4’ T
Q2（放热）
6 ）热效率
（WS WP） Q1
3
2 2’ S
H 1 H 2’ 0.3 ~ 0.4 H 1 H 4’
7 ）气耗率：SSC 3600 / Ws （Kg . Kw 1 .h 1 ）
（5）工作介质吸热过程不同
郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着 等压线变化
理想Rankine循环
1
过 热 器 锅炉 透 平 机
稳流体系
H Q Ws （ 1 ）
W HS1 H 4 Q1 H41
WS Q H H 2H 1 21
WS可逆绝 2 热膨胀功
Q1 4
7.1蒸汽动力循环
蒸汽动力循环原理
1
蒸汽动力循环主要由水泵、 锅炉、透平机和冷凝器组成。
34水在水泵中被压缩升压。 41 进入锅炉被加热汽化，直 至成为过热蒸汽后。 12 进入透平机膨胀作功。 23 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。
锅炉
透 平 机
2
4
实际Rankine循环
等熵效率ηs
H 12' H 1 H 2'
1 4 4’
S，透平
WS ,透平,不 WS ,透平,可
S，泵
WS ,泵,可 WS ,泵,不
T （H 4 H 3） （H 4' H 3）
H 1 H 2' H1 H 2
3
S
2 2’