化工热力学 蒸汽动力循环与制冷循环
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。
化工热力学课件 华东理工大学 第8章 蒸汽动力循环与制冷循环
第8章蒸汽动力循环与制冷循环内容概要
将热能变为机械能必须通过循环才能完成，而组成循环的热力过程主要是在热力原动机中进行的。
根据所采用工质的不同，热力原动机循环分为两类：以蒸汽为工质的称为蒸汽动力循环，而以气体为工质的则称为气体循环。
其中以蒸汽动力循环最为主要，其研究对象不是原动机的结构与构件，而是工质所经历的状态及其变化过程。
制冷循环是一种逆向循环。
逆向循环的目的
在于把低温物体(热源)的热量转移到高温物体(热源)去。
根据Clausius对热力学第二定律的描
等效循环的平均吸热温度
点的压力高低
1-α1
Jetta柴油车
内燃机是一个敞开系统
每一个循环都要从外界吸入工质，循环结束时将废气排于外界
与蒸汽动力循环
适合使用汽油
不同
依靠压缩后的高温空气使燃料着火燃烧，使现代高速柴油机既有定压加热又有定容加热
高温环境
水、
低温环境
图8-16 制冷机与热泵。
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.
化工热力学第六章 蒸汽动力循环与制冷循环
WS=(1-)(H3- H2)+(H2-H1)
6.1 蒸汽动力循环
ws 热效率 QH ws Qh 能量利用参数 QH
6 蒸汽动力循环与制冷循环
6.1 蒸汽动力循环 6.2 膨胀过程 6.3 制冷循环
6.2 膨胀过程
膨胀过程在实际当中经常遇到，如：高压流 体流经喷嘴、汽轮机、膨胀器及节流阀等 设备或装置所经历的过程，都是膨胀过程。 下面讨论膨胀过程的热力学现象。着重讨 论工业上经常遇到的节流膨胀和绝热膨胀 过程及其所产生的温度效应
⑵H1升高，因为水不可压缩耗功很少，一般 可忽略不计，但H1增加，必须使P1、t1增加， P1太大会使设计的强度出现问题，从而使制 造成本增加，提高效率的收益，并不一定 能弥补成本提高的花费。
6.1 蒸汽动力循环
卡诺循环要求等温吸热和等温放热以及等 熵膨胀和等熵压缩。在朗肯循环中，等温 放热、等熵膨胀和等熵压缩这三各过程基 本上能够与卡诺循环相符合，差别最大的 过程是吸热过程。现在主要问题是如何能 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效 率。显然改造不等温吸热是提高热效率的 关键，由此提出了蒸汽的再热循环和回热 循环。
6.1 蒸汽动力循环
1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图 3）朗肯循环 4）提高朗肯循环热效率的措施 5）应用举例
6.1 蒸汽动力循环
4）提高朗肯循环热效率的措施
要提高朗肯循环的热效率，首先必须找出影响热 效率的主要因素，从热效率的定义来看
对卡诺循环 对朗肯循环
ws TL c 1 QH TH
H ( )T P H ( )p T
H ( ) P CP T
6.2 膨胀过程
H ( )T T J ( ) H P P CP
化工热力学6.4~6.5制冷1
6.4制冷循环
6.4.2 吸收制冷循环
冷凝器 3 Q 冷却水 H 节 流 阀 4 蒸发器 1
2
QH Q 解 吸 器 3 冷凝器 2
换热器
节流阀
压缩机
蒸发器
吸 收 器 冷却水 泵 4 Q0
1
Q0
6.4制冷循环
6.4.2 吸收制冷循环
吸收制冷装置的经济技术指标用热能利用系数 ξ 表示 Q0
Q
6.5 深度冷冻循环
林德循环（LindeCycle） 1-2 常温T1、常压P1的气体经过压缩至高压P2（由 于压缩比很大，实际上是多级压缩组成的，可视为等 温压缩），高压气体经冷却器冷至常温T1（2）。 2-3 经换热器冷却到适当的温度（点3）。 3-4 经节流阀膨胀变为压力为P1的气液混合物(4) 4-5 送入气液分离器，饱和液体(0)沉降于分离器 底部，未液化的气体（点5）送入热交换器与点2的 高压气体换热，自身温度回升返回到压缩机。
TL一定时，TH ， ，功耗增加； TH 一定时，TL ， ，功耗越大； 液体在膨胀机内膨胀不能实现。
6.4制冷循环
6.4.1 蒸汽压缩制冷循环
冷凝、冷却器 3 T 2 (饱和l) 4 压缩机 4 (饱和g) 3 等焓线 等压线 过热蒸气 2
节流阀
5 蒸发器
1
5 (湿蒸汽)
1
(饱和g) S
氨-水吸收制冷循环压力：再生器压力由冷凝器 中氨冷凝温度决定，吸收器压力由蒸发器液氨蒸发 压力决定；温度：再生和吸收温度分别由热源和冷 却水温度决定。即分别由其他给定条件决定，因此 浓、稀氨水的浓度不能随意变动。 优点：直接利用热能，且品位较低。
6.4制冷循环
6.4.2 吸收制冷循环
蒸汽动力循环与制冷循环
3
冷凝器(等压)
QL
T
c
TH
4
1
透平
WS
2
特征：透平机与水泵处于 两相区操作，均易产生“ 浸湿”、“气蚀”而损坏 1 设备。
TL
3
2
T-S图表达
S
8.1 蒸汽动力循环－Rankine循环过程分析
8.1.1 Rankine循环
1
组成
循环过程
过热器
汽轮机
锅炉
T
1
2
冷
凝
4
器
4
3
水
3
泵
(a) 工作原理图
(b) T-S图
SSC 3600 kg kWh-1
WN
提高Rankine循环热效率的途径
carnot
1 TL TH
降低冷凝器温度 提高锅炉温度
平均吸热温度
T 10 5
Tm
1
6 9
T
1' 1
c
4'
5'
p1
4
p1
5
4
3
2
x2
8
7S
图 8-3 图 图 图 图 图 图
等效Carnot循环的平均吸热温度 Tm
热机 将热能转化为机械能等动力的装置
工厂、 交通工具、 居民、办公用电
热力循环过程 热机的工作循环 蒸汽动力循环 燃气动力循环 制冷 获得并保持低于环境温度的操作
制冷循环 输入外功实现从低温环境吸热排向高 温环境的循环
蒸汽动力循环
蒸汽压缩制冷循环
Carnot循环过程描述
QH
4 WC 水泵
锅炉(等压)
一号回热器
二号回热器
化工热力学_Chapter6-01
May 31, 2009主要内容6.1 蒸汽动力循环6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀6.3 制冷循环循环定义体系从初态开始，经历一系列中间状态后，又回到初态，此封闭的热力学过程称为循环，如热机或制冷机组，其工质所经历的是循环过程。
蒸汽动力循环是以水为工质，将燃料化学能连续不断转换成机械能的热力循环，为大型的化工石化工业企业提供动力、加热及工艺用蒸汽。
制冷循环则是通过消耗能量来实现热由低温传向高温的逆向循环，也广泛应用于化工生产过程中以及日常生活中。
汽轮机水泵冷凝器锅炉6.1 蒸汽动力循环6.1.1 Rankine 循环及其热效率Rankine 循环：最简单的蒸汽动力循环，包括锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵。
1-2: 可逆绝热膨胀2-3: 等压等温冷凝3-4: 可逆绝热压缩4-1: 等压升温汽化21(/)s W H H H kJ kg =Δ=−sW Q H +=Δ汽轮机水泵冷凝器锅炉Rankine 循环能量平衡分析汽轮机（Steam Turbine ）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。
232(/)Q H H H kJ kg =Δ=−汽轮机水泵冷凝器锅炉冷凝器（Condenser ）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。
()4343(/)p P p W Vdp V p p kJ kg ==−∫43(/)P W H H H kJ kg =Δ=−汽轮机水泵冷凝器锅炉水泵（Pump ）3–4 表示冷凝水通过水泵由p 3升压至p 4的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功为：水可以看作是不可压缩流体，有kg /kJ H H H Q 411−==Δ汽轮机水泵冷凝器锅炉锅炉（Boiler ）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：水蒸汽工质循环中工质水蒸汽并不是理想气体，相关性质不能用理想气体方程计算，需要通过热力学图表，如水蒸汽的焓熵图或实际流体的状态方程求得！¾状态点1，根据p 1、t 1值可查得H 1、S 1值;¾状态点2，S 2=S 1 ,根据p 2、S 2值可查得H 2、t 2值;¾状态点3，p 3=p 2 ,查p 3下的饱和液体可得H 3、V 3、S 3值;¾状态点4，p 4=p 1, S 4=S 3, 根据p 4、S 4可查得H 4值; 或H 4=H 3+W p =H 3+V(p 4-p 3)计算方法汽轮机水泵冷凝器锅炉例6-1：蒸汽动力装置按Rankine循环工作，锅炉的压力为4MPa，产生440℃的过热蒸汽，汽轮机出口压力为0.004MPa，蒸汽流量60 t/h，求：（1）过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量；（2）乏汽的湿度以及乏汽在冷凝器放出热量；（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。
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。
化工热力学 第六章 蒸汽动力循环与制冷循环
蒸汽动力循环与制冷循环
1
6.1
蒸汽动力循环
一. 蒸汽动力循环为正向卡诺循环 二. 蒸汽动力循环
1. 工作原理及T-S图 蒸汽动力循环的主要设备有： 透平机（汽轮机）
冷凝器
水泵 锅炉、过热器等组成 工作介质一般为水
2
1
气 轮 机
P1T1的高压高温蒸汽进入 气轮机等熵膨胀到状态2，
同时对外做功，2点状态
8
4.
应用举例
例6-1～6-2]例6-1自看
[P135-138
例6-2 某核动力循环如图所示，锅炉从温度为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做功后于0.008MPa压力下排出（点2），乏
气在冷凝器中向环境温度 t0=20 ℃ 下进行定压放热变为饱和水
20
4.应用举例
[P140-143
例6-3~6-4]例6-3自看
例6-4某化工厂采用如下的蒸汽动力装置以同时提供动力和热能。
已知汽轮机入口的蒸汽参数为3.5MPa,435 ℃,冷凝器的压力为 0.004MPa,中间抽汽压力P’为1.3MPa,抽汽量为10kg/s,其中一部
分进入加热器,将锅炉给水预热到抽汽压力P’下的饱和温度,其余
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。
32
二.对外作功的绝热膨胀
1. 可逆绝热膨胀 特点：等熵过程 (1) 微分等熵膨胀温度效应系数 定义式：
T s p S
（6-15）
(2) 等熵膨胀致冷的可能性 对于定组成单相体系，自由度为2，S=f（T，P） 对于等熵过程：
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
第6章 蒸汽动力循环和制冷循环
1→2可逆绝热压缩过程
Ws=H2- H1kJ/kg
2→3等压冷却、冷凝过程
q2=H3-H2kJ/kg
3→4节流膨胀过程
H3=H4
4→1等压、等温蒸发过程
q0=H1- H4kJ/kg
J/h，那么，制冷剂的循环量为
②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。
③制冷循环中，高温物体放热量大于低温物体吸热量。
例6-3
6.3.2单级蒸汽压缩制冷
蒸汽压缩制冷循环是由低压蒸汽的压缩，高压蒸汽的冷却冷凝，高压液体的节流膨胀和湿蒸汽的定压蒸发这四步构成。理想的逆卡诺循环中1-2和3-4过程在实际运行中是有困难的，这是因为在湿蒸汽区域压缩和膨胀会在压缩机和膨胀机的气缸中形成液滴，产生“液击”现象，容易损坏机器；同时在压缩机气缸里的液滴的迅速蒸发会使压缩机的有效容积减少。
当蒸汽压力提高时，热效率提高、而汽耗率下降。但是随着压力的提高，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，设备制造费用也会因蒸汽压力的提高而大幅上升。
6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
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。
实际朗肯循环的热效率
例6-1例6-2
通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率
第五章 蒸汽动力循环与制冷循环
实际制冷量
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） ③功耗 W 液化循环装置的功量消耗是用于对气体 的压缩。如果按理想气体的可逆等温压 缩考虑，对体系所作轴功为
S
RT1 P2 WS = ln P ηT 1
ηT——压缩机的等温压缩效率，一般按经验可取0.59
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 比功 W x
H1 − H 9
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 若考虑不完全热交换损失q2 和系统的冷 损失q3，实际的液化量为
x=
(H 1 − H 2 ) + (1 − M )(H 3 − H 4 ) − q 2 − q3
H1 − H 9
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） ⑵制冷量q0 理论制冷量： 实际制冷量：
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 理想情况 P
WSR = RT1 ln
2
实际情况
P 1
− (1 − M − (1 − M )(H 3 − H 4 )ηm ηT P 1 RT1 P2 = ln − η S (1 − M )(H 3 − H 4 ' )ηm ηT P 1
5.5 深度冷冻循环
克劳德循环（CLAUDE Cycle ） 3）应用举例 P157 例6-11
第五章 蒸汽动力循环与制冷循环
5.1 蒸汽动力循环 5.2 制冷循环 5.3 气体的压缩 5.4 膨胀过程 5.5 深度冷冻循环
5.5 深度冷冻循环
林德循环（Linde Cycle） 实例 P155 例6-10
5.5 深度冷冻循环
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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
H V T V
P T
T P
故
J
1 CP
[V
T V T
] P
（6-13）
26
(2)节流膨胀致冷的可能性
① 对理想气体
J
T P H
=0
3. 郎肯循环过程的热力学计算
(1) 工作介质在锅炉中吸热量
QH H 41 H1 H 4 kJ/kg
(2) 工作介质在冷凝器中排放的热量
QL H 2'3 H 3 H 2'
kJ/kg
QL H 23 H 3 H 2
(3) 汽轮机工作介质的单位产功量
（理想）
ws H12' H 2' H1
QH
QH
H1 H6
抽气量α取回热器作能量衡算
H
2
H5
(1
)H5
H4
H5 H4
H
2
H4
结论：
（1）减少了工作介质吸热过程的温差（不可逆），由TH-T4 减少到TH-T6
（2）热效率提高，但设备成本提高。
15
3. 热电循环
分为两种： （1） 背压式汽轮机联合供电供热循环
特点： ① 冷凝器中冷却工质的介质为热用户的介质（不一定是冷
S p
T
V T
p
（Maxwell第一关系式）
S C p T p T
T V
S
T p
S
T Cp
T 0 Cp 0
（6-16）
V 0 T p
∴μS恒大于0
34
将（6-16）式与（6-13）式比较，得
S
J
V Cp
∵ 任何气体均有V>0 Cp>0
∴ S J 恒大于零.
32
二.对外作功的绝热膨胀
1. 可逆绝热膨胀
特点：等熵过程
(1) 微分等熵膨胀温度效应系数
定义式：
s
T p
S
(2) 等熵膨胀致冷的可能性
（6-15）
对于定组成单相体系，自由度为2，S=f（T，P）
对于等熵过程：
dS
S T
p
dT
S p
T
dP
0
33
T p
S
S p
T
S T
p
说明了任何气体在任何状态下 经绝热膨胀，都可致冷。这与 节流膨胀不同。
卡诺循环：等温过程
郎肯循环：不可逆吸热过程，沿 5 着等压线变化
1—2’ 对应于汽轮 T
机
1
2’—3 冷凝器进行
，在冷凝器里冷却水把工
4
作介质的热量带走使其由
3
2 2’
气体转变为液体。 3—4 水泵中进行
S
4—1 锅炉进行，
水 定压升温沸点 定温定压汽化饱和蒸汽水在定锅压炉升温中恒过压热加热蒸。汽 6
郎肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在
（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 （4）压缩过程不同
（5）工作介质吸热过程不同
卡诺循环：气液共存
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 略掉工作介质水的摩擦与散热，可 简化为可逆过程。
ws H12 H 2 H1
∵
s
WS WSR
H1 H2' H1 H2
kJ/kg （理想）
∴ WS sWSR
7
(4) 水泵中工作介质的单位耗功量
wp H H 4 H 3
kJ/kg
由于液态水的不可压缩性，水泵中工作介质耗功量可按下列式近似 计算
wp
P4 P3
Vdp
Vp
V p4
p3
c
ws QH
1 TL TH
ws H1 H 2 H1 H 2
QH H1 H 4 H1 H3
要使η↑：
(1) H2↓，降低压力P2（汽轮机出口蒸汽压力）
(2) H1↑，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度
(3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率
12
1.再热循环
再热循环的热效率
ws wSH wSL wp wSH wSL
蒸汽动力循环与制冷循环
1
6.1 蒸汽动力循环
一. 蒸汽动力循环为正向卡诺循环 二. 蒸汽动力循环
1. 工作原理及T-S图
蒸汽动力循环的主要设备有：
透平机（汽轮机）
冷凝器
水泵
锅炉、过热器等组成
工作介质一般为水
2
锅炉
4
1
气 轮 机
2
冷 凝 器
3
水泵
P1T1的高压高温蒸汽进入 气轮机等熵膨胀到状态2， 同时对外做功，2点状态 为乏汽从汽轮机流出后进 入冷凝器，乏汽在冷凝器 中放出汽化潜热而变为该 压力下的饱和水，放出的 热量由冷却水带走，达到 状态3，饱和水经水泵升 压到P1进入锅炉，在锅炉 吸收热量，使工质变化到 状态1，完成一个循环。
Q
QH QRH
QH QRH
T
8 7 6
1 P1 3 p2
2 p3
45
S
1
2
wsh+wsL 34
QR
H
结论： （1）η提高
（2）乏汽湿含量减少，干度增加。
13
2.回热循环 1
1kg
T
αkg
(1-α)kg
1
2’
2
水
6
αkg
2’
5
(1-α)kg
6
3
4
3
2
5
4
S
14
回热循环的热效率：
ws wp QH QL 1 (1)(H3 H2)
∵ PV=RT
V=RT/P
V R T P P
T R RT
J
P P 0 Cp
这说明了理想气体在 节流过程中温度不发 生变化
27
② 真实气体 有三种可能的情况，由定义式知
J
T P H
当μJ>0时，表示节流后压力下降，温度也下降
V T V 0
致冷
T P
当μJ=0时，表示节流后压力下降，温度不变化
S
热效率 ws
QH
能量利用参数 ws QRH
QH
20
4.应用举例
[P140-143 例6-3~6-4]例6-3自看 例6-4某化工厂采用如下的蒸汽动力装置以同时提供动力和热能。
已知汽轮机入口的蒸汽参数为3.5MPa,435 ℃,冷凝器的压力为 0.004MPa,中间抽汽压力P’为1.3MPa,抽汽量为10kg/s,其中一 部分进入加热器,将锅炉给水预热到抽汽压力P’下的饱和温度, 其余提供给热用户,然后冷凝成饱和水返回锅炉循环使用。已知 该装置的供热量是50103kJ/h.试求此蒸汽动力循环装置的热效 率与能量利用系数。
29
3 转化点，转化曲线
转化点： 当
J
T P H
0
时，（T，P）所对应的点。
➢转化曲线:将各转化点 联结起来所组成的曲线. ➢在 转 化 曲 线 左 侧 ， 等 焓 线 上 ， 随 P↘ ， T↘ ， μJ >0，致冷区 ➢在 转 化 曲 线 右 侧 ， 等 焓 线 上 ， 随 P↘ ， T↗ ， μJ <0，致热区 ➢转化线上, μJ =0
p1
p2
T
V T
p1
Cp
p dp
② 理想气体的积分等熵温度效应ΔTS
36
对于理想气体
绝热可逆过程
k 1
T2 T1
p2 p1
k
k 1
T2
T1
p2 p1
k
k 1
k1
Ts
T2
T1
T1
p2 p1
k
T1
T1
p2 p1
k