9.第七章 蒸汽动力循环和制冷循环

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!
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
W.J.M. Rankine , 1820--1872
7.1.1 Rankine (朗肯)循环
原理
34 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
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
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’
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源自文库
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。
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。
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。
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 ）
60 103 2080.0 3307.1 PT mWs mH 2 H1 3600 20452kW
某一理想的Rankine循环，锅炉的压力为4MPa， 产生440℃过热蒸汽，汽轮机出口压力为 0.004MPa，蒸汽流量为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； （4）循环的热效率。
（3）汽轮机作出的理论功率和水泵消耗的理论功率；
蒸 汽 动 力 循 环
（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
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
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
7.1蒸汽动力循环
蒸汽动力循环的应用实例
[问题]：如何将1atm→300atm? 需要压缩机，消耗动力。
中国60年代，1500→1800度电/吨NH3。
中国70年代，仅10→30度电/吨NH3。 生产过程能耗的下降，是由于合成氨工艺中，合理利 用反应热，即：
高温热源→通过废热锅炉，产生高压蒸汽 →由透平机直接带动压缩机。
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)
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 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
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
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’
能量分析
蒸 汽 动 力 循 环
H Q Ws
锅炉
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。
汽轮机
水泵 冷凝器
Ws H H 2 H1kJ / kg
能量分析
蒸 汽 动 力 循 环
H Q Ws
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
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。
• H4=126.1kJ/kg
蒸 汽 动 力 循 环
（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) =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
（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) Sg=8.4746kJ/kg Sl=0.4226kJ/(kg· K) Vl=1.004cm3/g 2点处的干度为x 8.4746x+(1–x)0.4226=6.9041 x=0.8050 H2=2554.4×0.805+(1– 0.805)×121.46=2080.0kJ/kg
第七章 蒸汽动力循环和制冷循环
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。
引 言
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。
-100℃以上为普冷，-100℃以下为深冷。
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
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。 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 H 2 Q1 H1 H 4
汽耗率
蒸 汽 动 力 循 环
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。