化工热力学第七章 蒸汽动力循环和制冷循环
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9.第七章 蒸汽动力循环和制冷循环
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。
第7章 压缩、膨胀、蒸汽动力循环与制冷循环
第七章压缩、膨胀、蒸汽动力循环与制冷循环本章学习目的通过本章的学习，掌握蒸汽动力循环和制冷循环的基本原理和基本计算方法。
本章主要内容（1） 气体的压缩和膨胀在热力装置中的作用和功量的计算。
（2） 工业上获得低温和冷量的两种方法。
（3） Rankine循环的热力过程及热效率的计算。
（4） 再热循环和回热循环的原理。
（5） 制冷循环的基本概念和计算。
（6） 蒸汽压缩制冷循环在Sp−图上的工作过程、各过程的特点及计算。
T−图和H（7） 化工生产中常见的制冷设备。
（8） 制冷过程中对制冷剂的基本要求。
热能和功之间的相互转化通常是借助于工质在循环过程中的状态变化而实现的。
据循环效果及进行方向的不同，可以把循环分为正向循环和逆向循环。
将热能转化为机械能的循环为正向循环，也叫动力循环，这种循环是产功的过程，其主要设备是各种热机；将热能从低温热源传给高温热源的循环为逆向循环，也叫制冷循环，这种循环是耗功的过程，其主要设备是各种制冷机。
这两类循环都是由工质的吸热、放热、压缩和膨胀四个过程所组成。
目前，分析和讨论这两类循环均采用稳定流动系统的热力学第一定律。
这种方法以能量的数量为立足点，从能量转化的数量关系来评价循环的经济性，以热效率为其指标。
基于这两类循环遵循以上相同的原则，因此把它们放在同一章里讨论。
本章主要介绍这两类循环的工作原理和基本的热力学计算。
7.1 气体的压缩压缩机、鼓风机等是化工生产中常用的压气机，它是借助于机械能或电能，来实现气体由低压到高压的状态变化。
各类压气机的结构和工作原理虽然不同，但从热力学观点来看，气体状态变化过程并没有本质的不同，都是消耗外功，使气体压缩升压的过程，在正常工况下都可以视为稳定流动过程。
气体的压缩，一般有等温、绝热、多变三种过程，又分单级和多级压缩。
对于稳定流动体系，压缩过程的理论轴功可用稳定流动系统的热力学第一定律来描述。
在忽略动能和势能的情况下，有∆=（7-1）W S−HQ此式具有普遍意义，适用于任何介质的可逆和不可逆过程。
工程热力学-第七章水蒸气性质和蒸汽动力循环-课件
§7-1 水蒸气的饱和状态
汽化: 由液态变成气态的物理过程 (不涉及化学变化)
蒸发：汽液表面上的汽化
沸腾：表面和液体内部同时发生的汽化
(气体和液体均处在饱和状态下)
饱和状态：汽-液平衡共存的状态 汽化与凝结的动态平衡
饱和状态
饱和状态：汽化与凝结的动态平衡
饱和温度Ts 饱和压力ps
一一对应
放掉一些水，Ts不变， ps？
ts 0
cp'dt
h'h0
水的液体热随压力提高而增大
2. 饱和水的定压汽化阶段
在维持压力不变的条件下，对饱和水继续加热， 水开始沸腾发生相变而产生蒸汽。沸腾时温度保
持不变，仍为饱和温度ts
在这个水的液－汽相变过程中，所经历的状态是 液、汽两相共存的状态，称为湿饱和蒸汽，简称 为湿蒸汽。 随着加热过程的继续，水逐渐减少，蒸汽逐渐增 加，直至水全部变为蒸汽，称为干饱和蒸汽或饱 和蒸汽。 对干饱和蒸汽除压力和温度外的状态参数均加上 一上角标“″”，如v″、h″和s″
1 2
s
朗肯循环热效率的计算
t
wnet q1
wT,12wP,30 q1
h
一般很小，占0.8~1%，有时 忽略泵功
t (h1hh 21 ) h (h 00h3)1h h1 2 h h0 3
0 3
1 2
s
§ 7-6 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
新汽温度对循环 热效率的影响 T
T1'
T1
提高新汽温度T1， 使得朗肯循环平 T m 1
均吸热温度提高， T m 1
循环热效率提高
0
3
1
1
2 2 s
§ 7-6 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
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
蒸汽动力循环和制冷循环
第七章蒸汽动力循环和制冷循环0、引言蒸汽动力循环：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。
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。
7.1．蒸汽动力循环一、蒸汽动力循环基本原理主要由水泵、锅炉、透平机和冷凝器组成。
4→1水进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽。
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，回到水泵中。
3→4水在水泵中被压缩升压，再回到锅炉中，完成一个循环。
二、朗肯循环及其热效率原理：朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，主要由：水泵、锅炉、透平机和冷凝器组成。
1、理想朗肯循环3→4饱和水可逆绝热压缩过程。
（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）。
气体压缩式制冷机以气体为制冷剂,由压缩机、冷凝器、回热器、膨胀机和冷箱等组成(图1) 。
经压缩机压缩的气体先在冷凝器中被冷却，向冷却水（或空气）放出热量，然后流经回热器被返流气体进一步冷却,并进入膨胀机绝热膨胀,压缩气体的压力和温度同时下降。
气体在膨胀机中膨胀时对外作功，成为压缩机输入功的一部分。
同时膨胀后的气体进入冷箱，吸取被冷却物体的热量，即达到制冷的目的。
此后，气体返流经过回热器，同压缩气体进行热交换后又进入压缩机中被压缩。
气体制冷机都应采用回热器，这不但能提高制冷机的经济性而且可以降低膨胀机前压缩气体的温度，因而降低制冷温度。
气体制冷机能达到的制冷温度范围较宽，从高于0℃到低于-100℃；制冷温度较高时其经济性较差,但当制冷温度低于-90℃时其经济性反而高于蒸气制冷机。
压缩式制冷机蒸气压缩式制冷机由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构和一些辅助设备组成。
这类制冷机的制冷剂在常温和普通低温下能够液化，在制冷机的工作过程中制冷剂周期性地冷凝和蒸发。
七 蒸汽动力循环与制冷循环
山西农业大学工程技术学院
3.3 乏汽压力对热效率的影响
T
T1
5 4’ 4 3 6 1
ηt
0.48 0.47
0.46
0.45 0.44 0.43
T0
3'
2
2
0.42 0.41 0.40
背压
s3’ s3
s1
s
p2 ( kPa)
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设初温T1＝定值，初压p1＝定值 降低乏汽的压力p2→与乏汽压力 相应的饱和温度也随着降低，放热 过程2'-3'要比原过程2-3有较低的放 热温度，即T2‘＜T2。虽然这时加热 过程的起点T0也降低为T0’，但它对 整个加热过程的平均加热温度影响 很小。
山西农业大学工程技术学院
例题分析
3) 循环净功 w0=wT-wp=1332.6-3.1=1329.5kJ/kg 4) 循环热效率 循环吸热：q1 =3568.6-140.9=3427.7KJ/kg 故 =0.39=39% 5）循环热耗率： qt=3600/ηt=3600/0.39=9230.77KJ/(kw.h) 6）循环汽耗率： d=3600/w0=3600/1329.5=2.71kg/KWh
提高循环热效率的途径
改变循环参数
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提高初温度t1 提高初压力p1 降低乏汽压力p2 再热循环 回热循环 联合循环 热电联产 燃气-蒸汽联合循环 新型动力循环
改变循环形式
联合循环
…...
IGCC PFBC-CC
三 再热循环
山西农业大学工程技术学院
再热概念：当蒸汽在汽轮机中膨胀作功而压力降低到某个 中间压力时，把蒸汽从汽轮机引出，送至再热器重新加热， 使蒸汽的温度再次达到较高的温度，然后送回汽轮机的低 压汽缸，进一步膨胀作功。 再热循环—具有再热的循环。 再热循环目的：提高汽轮机排汽干度，为初压提高创造条 件；提高循环热效率。 1. 再热循环组成系统图和T-S图
《工程热力学》热力学第七章蒸汽动力循环steam power cycle
水蒸气动力循环系统
过热器 汽轮机 T
1.
5
锅
炉
发电机 4
2.
3
凝汽器
4
3
给水泵
1
6
2 s
第7 章
7-2 朗肯循环
P232~263
水蒸气动力循环系统的简化 简化（理想化）：
1 汽轮机 1→2 汽轮机 s 膨胀
锅
2→3 凝汽器 p 放热
炉
发电机 3→4 给水泵 s 压缩
4
2
4→1 锅炉 p 吸热
凝汽器
0.746
h′ = 151.47kJ / kg
h′′ = 2566.48kJ / kg
h2b = x2bh′′ + (1 − x2b )h′ = 2566.48× 0.746 + (1− 0.746) ×151.47 = 1953.0kJ / kg
汽耗率 热效率
d = 3600 = 3600 = 2.663kg / kW.h wnet 1352
第七章 蒸汽动力循环 Steam Power Cycles
第7 章
7-1 概述
P232~263
4 1
3
2
第7 章
基基本本内内容 容
7-1 概述
P232~263
简单朗肯循环 再热循环 抽汽回热循环
q1 (T1 ), q2 (T2 ),
wnet , d ,ηt
目的
掌握蒸汽动力循环热力学分析 方法，提高循环热效率。
(h1 − hb ) + (ha − h2 ) (h1 − h4 ) + (ha − hb )
第7 章
7-4 蒸汽再热循环
蒸汽再热循环图
化工热力学第六章 蒸汽动力循环和制冷循环解读
2019/4/16
§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
§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
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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。
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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
蒸汽动力循环和制冷循环PPT52页
蒸汽动力循环和制冷循环
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
谢谢！
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
谢谢！
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
第七章_压缩、膨胀、蒸汽动力循环与制冷循环
气体压缩过程的变化规律以及理论功耗的计算 （1）等温压缩 对理想气体，pV=RT，等温过程的焓变为0，所以
Ws ( r ) p2 Q Vdp RT1 ln p1 p1
p2
(7 2a)
（2）绝热压缩—Q=0
Ws ( r ) H Vdp
p1 p2
对理想气体，pVk=常数， 代入上式得：
第七章
压缩、膨胀、蒸汽动力 循环与制冷循环
前言
热能和功之间如何实现互相转化？——通过工质 在循环过程中的状态变化而实现的。 循环的种类： 1.动力循环（正向循环）—将热能转化为机械能 的循环。这种循环是产功的过程，其主要设备是 各种热机。 2..制冷循环（逆向循环）—将热能从低温热源转 给高温热源的循环。制冷循环是耗功的过程，其 主要设备是各种制冷机。
流体通过节流阀门或多孔塞，如节流膨胀或绝热闪
蒸过程。
1、特点：
（1）节流过程进行得很快，可以认为过程为绝热。
（2）节流过程不对外作功。
（ 3）节流过程是典型的不可逆过程，节流后流体 的熵必定增加 S2>S1 。 （4）节流过程是等焓过程。 （5）利用节流过程，获得低温和冷量。 （6）理想气体节流后温度不变。
膨胀机，设备复杂 使用时不能有液滴 大、中型气体液化
§ 7.3 蒸汽动力循环
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。 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
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 ℃以上为普冷， -100 ℃以下为深冷。
T2 p2 T1 p1
蒸汽动力循环与制冷循环
第一节
锅炉
蒸汽动力循环
汽轮机
水泵 冷凝器
能量分析
• • 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。
H Q Ws
Ws H H 2 H1kJ / kg
能量分析
•
H Q Ws
Condensor 冷凝器
• 把水看作是不可压 缩流体，则
WP VdP V P4 P3 kJ / kg
P4 P3
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
Q1 H H1 H 4kJ / kg
• 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)
•
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。 • 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。
• 方法1 = 121.46+0.001004× (4000-4) =125.5kJ/kg H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)
•
方法2
已知 P4=4MPa, S4=S3=0. 4226kJ/(kg· K),查未饱和水性质表
2.5MPa H 20 ℃ 40 ℃ 86.30 0.2961 S H
蒸汽动力循环与制冷循环分解共62页
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
蒸汽动力循环与制冷循环分解
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
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矿大(北京)化工热力学第七章 压缩、膨胀、蒸汽动力循环和制冷循环
' ws' m(h2 h1 ) 3.70 10 3 (332 442) 4.184 1.70KW
' QH m(h3 h2 ) 3.70 10 3 (82.72 442) 4.184 5.56kJ / s
以冷凝器压力1.2Mpa时， TH 30 C
习题课
一、判断题
（√） 1、如果物质没有相变的性质，就不能实现动力和制冷循环。 2、制冷循环可产生低温，同时不能产生高温。 （×）
3、对动力循环来说，热效率越高，做功越大；对制冷循环来 说，制冷系数越大，耗功越少。 （× ）
4、热泵循环与制冷循环的原理实质上是相同的。 （ √ ） 5、蒸汽压缩制冷循环过程中，制冷剂蒸发吸收的热量一定等 （ × ） 于制冷剂冷却和冷凝放出的热量。 6、蒸汽动力循环中，若将膨胀做功后的乏气直接送人锅炉中 使之吸热变为新蒸汽，从而避免在冷凝器中放热，可大大提高 热效率。 （×）
Ws Wp 951.063+4.0123 0.3562 Q41 2658.553915 Ws Wp 1202.45 4.0.544
R T V 4 4 RT PV 6 . 4 10 6 . 4 10 P J 0 Cp PC p Cp Cp
节流膨胀后，温度升高
2、用热效率为30%的热机来拖动制冷系数为4的制 冷机，试问制冷剂从被冷物料每带走1KJ热量需要 向热机提供多少热量？
QL 解： 制冷系数 WS
h1 h2 332 420 0.8 ' ' h1 h2 332 h2
s
h1 h4 332 82.72 2.27 ' 442 332 h2 h1
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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
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.
60 103 N P mW P m( H 4 H 3 ) (121.46 125.472) 3600 66.8kW
6）循环的理论热效率η
（WS WP） 3600 （PT N P） 热效率 Q1 Q1 3600 （ 20452 66.8 ） 38.4% 6 190.9 10
2 2’
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’
2 ）Q2 H 3 H 2
3 ）WS H 1 H 2
4 ）WP H 3 H 4
V（ ） 3 P3 P4
2
S
WS W P 热效率 =36% Q1 气耗率SSC =3600/WN =3.29 （Kg.kw-1.h-1）
例3： 同例2，但透平机的等熵效率为0.85。
•如何将1atm 300atm? •需要压缩机，消耗动力。 电 •中国60年代，1500~1800度电/吨NH3。 •中国70年代，仅10~30度电/吨NH3。 •这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。 •高温热源 废热锅炉，产生高压蒸汽 透平机 压缩机 (氢循环压缩机)
卡诺循环的缺点
4 锅炉加热
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℃。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η，气耗率SSC，并试对此循环作热力学 分析。
1 5
T 4 3
解： 1 ）Q1 H 1 H 4
(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
5 T 4
吸热
1
解： 1 ）Q1 H1 H4 3 ）WS H2 H1
4 ） W H H P 4 3 2 ）Q2 H3 H2
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
工作原理 循环中工质状态变化 能量转换计算 循环过程热力学分析
本章目的
研究循环中热、功转换的效果及其影响 因素，探求提高能量转换效率的途径。
本章内容
讨论蒸汽动力循环的热效率、循环功以 及循环中各过程工质状态函数的变化； 制冷循环与获得低于环境温度的操作过 程的热力学分析。
循环：
前言
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。
5点(饱和水)
P5 40 10 Pa H5 H5
5 SL
1087 .3kJ / kg
计算：1）过热蒸汽每小时从锅炉中的吸热量Q1
Q1 m( H1 H 4 ) 60 103 ( 3307 .1 125.472) 190.9 106 kJ / h
2）乏气每小时在冷凝器中放出的热量Q2
WS ,透平,不 H H 2' 解：S，透平 1 0.85 WS ,透平,可 H1 H 2
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 4
水泵
冷 凝 器
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。
3
§7.1.1 Rankine (朗肯)循环
原理
3 4 饱和水可逆绝热压缩过程。（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） 1 2 3 湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。 透 平 机 冷 凝 水压缩 器
结论:卡诺循环不 适合变热为功!
1
透平机后的乏气, 汽+液
T
泵
透 平 机 2 汽+液
冷凝器 3 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
S
§7.3 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
V（ ） 3 P4 P3
（WS WP） 5 ）热效率 Q1
3
Q2（放热）
2
S
6）气耗率SSC =3600/-WN
各状态点的焓值如何确定？
状态点1：根据P1,T1 值查蒸汽表直接得H1,S1 状态点2：根据P2和S2=S1可得H2 注意：状态点2是湿蒸汽H2= xH2g+（1-x) H2L P1 1 状态点3：根据P3=P2，且是饱 和点，查蒸汽表直接得H3, S3 5 P2 和V3 3 2 状态点4：根据S4=S3, 得S4； 根据P4=P1和 WP H 4 H 3 V（ ） 3 P4 P3 得H4
闭 系U Q W
W Q
1 净功WN WS WP Q1 Q2 面积12341
过 热 器 锅炉 透 平 机
WS
Q可 逆 TdS
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
净功WN WS WP Q1 Q2
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 ℃以上为普冷， -100 ℃以下为深冷。
前言
蒸汽动力循环的作用：
C， 300 atm 合成氨 N 2 3H2 400 2 NH3
WS H12 H 2 H1
WS可逆绝 2 热膨胀功
Q1 4
水泵
冷 凝 器
Q2 H 23 H 3 H 2
Q2
WP H 34 H 4 H 3
P4
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
S
实际与理想Rankine循环的比较
理想循环
T
PH 4 2 3
实际循环 12345’5’’6’1 5’5’’ 6’65’ 12345’61
Q1 Q2 WN
PL
12344’6’1 54’ 6’65 1234561
1
5’ 6 6’ 5 4’
S1
S’4
5” S’5
S
例1 某蒸汽动力装置按理想Rankine循环工作, 锅炉压力 为 40×105Pa, 产 生 440℃ 的 过 热 蒸 汽 , 乏 气 压 力 为 0.04×105Pa, 蒸汽流量为60t/h, 试求:
蒸 汽 作 功
水 加 热 至 过 热 锅炉 蒸 汽
理想Rankine循环 1
等 S 膨 胀
2
4
水泵
3
蒸 汽 冷 凝 成 水
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.
60 103 N P mW P m( H 4 H 3 ) (121.46 125.472) 3600 66.8kW
6）循环的理论热效率η
（WS WP） 3600 （PT N P） 热效率 Q1 Q1 3600 （ 20452 66.8 ） 38.4% 6 190.9 10
2 2’
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’
2 ）Q2 H 3 H 2
3 ）WS H 1 H 2
4 ）WP H 3 H 4
V（ ） 3 P3 P4
2
S
WS W P 热效率 =36% Q1 气耗率SSC =3600/WN =3.29 （Kg.kw-1.h-1）
例3： 同例2，但透平机的等熵效率为0.85。
•如何将1atm 300atm? •需要压缩机，消耗动力。 电 •中国60年代，1500~1800度电/吨NH3。 •中国70年代，仅10~30度电/吨NH3。 •这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。 •高温热源 废热锅炉，产生高压蒸汽 透平机 压缩机 (氢循环压缩机)
卡诺循环的缺点
4 锅炉加热
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℃。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η，气耗率SSC，并试对此循环作热力学 分析。
1 5
T 4 3
解： 1 ）Q1 H 1 H 4
(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
5 T 4
吸热
1
解： 1 ）Q1 H1 H4 3 ）WS H2 H1
4 ） W H H P 4 3 2 ）Q2 H3 H2
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
工作原理 循环中工质状态变化 能量转换计算 循环过程热力学分析
本章目的
研究循环中热、功转换的效果及其影响 因素，探求提高能量转换效率的途径。
本章内容
讨论蒸汽动力循环的热效率、循环功以 及循环中各过程工质状态函数的变化； 制冷循环与获得低于环境温度的操作过 程的热力学分析。
循环：
前言
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。
5点(饱和水)
P5 40 10 Pa H5 H5
5 SL
1087 .3kJ / kg
计算：1）过热蒸汽每小时从锅炉中的吸热量Q1
Q1 m( H1 H 4 ) 60 103 ( 3307 .1 125.472) 190.9 106 kJ / h
2）乏气每小时在冷凝器中放出的热量Q2
WS ,透平,不 H H 2' 解：S，透平 1 0.85 WS ,透平,可 H1 H 2
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 4
水泵
冷 凝 器
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。
3
§7.1.1 Rankine (朗肯)循环
原理
3 4 饱和水可逆绝热压缩过程。（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） 1 2 3 湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。 透 平 机 冷 凝 水压缩 器
结论:卡诺循环不 适合变热为功!
1
透平机后的乏气, 汽+液
T
泵
透 平 机 2 汽+液
冷凝器 3 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
S
§7.3 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
V（ ） 3 P4 P3
（WS WP） 5 ）热效率 Q1
3
Q2（放热）
2
S
6）气耗率SSC =3600/-WN
各状态点的焓值如何确定？
状态点1：根据P1,T1 值查蒸汽表直接得H1,S1 状态点2：根据P2和S2=S1可得H2 注意：状态点2是湿蒸汽H2= xH2g+（1-x) H2L P1 1 状态点3：根据P3=P2，且是饱 和点，查蒸汽表直接得H3, S3 5 P2 和V3 3 2 状态点4：根据S4=S3, 得S4； 根据P4=P1和 WP H 4 H 3 V（ ） 3 P4 P3 得H4
闭 系U Q W
W Q
1 净功WN WS WP Q1 Q2 面积12341
过 热 器 锅炉 透 平 机
WS
Q可 逆 TdS
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
净功WN WS WP Q1 Q2
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 ℃以上为普冷， -100 ℃以下为深冷。
前言
蒸汽动力循环的作用：
C， 300 atm 合成氨 N 2 3H2 400 2 NH3
WS H12 H 2 H1
WS可逆绝 2 热膨胀功
Q1 4
水泵
冷 凝 器
Q2 H 23 H 3 H 2
Q2
WP H 34 H 4 H 3
P4
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
S
实际与理想Rankine循环的比较
理想循环
T
PH 4 2 3
实际循环 12345’5’’6’1 5’5’’ 6’65’ 12345’61
Q1 Q2 WN
PL
12344’6’1 54’ 6’65 1234561
1
5’ 6 6’ 5 4’
S1
S’4
5” S’5
S
例1 某蒸汽动力装置按理想Rankine循环工作, 锅炉压力 为 40×105Pa, 产 生 440℃ 的 过 热 蒸 汽 , 乏 气 压 力 为 0.04×105Pa, 蒸汽流量为60t/h, 试求:
蒸 汽 作 功
水 加 热 至 过 热 锅炉 蒸 汽
理想Rankine循环 1
等 S 膨 胀
2
4
水泵
3
蒸 汽 冷 凝 成 水