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。
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。
第十一章 制冷循环
空气压缩制冷
制冷循环 吸附式制冷 Adsorption
蒸汽喷射制冷 半导体制冷 热声制冷,磁制冷
§11－1 空气压缩制冷循环
冷却水
3 冷却器
2
膨胀机
冷藏室
压缩机
4
1
p
3
pv图和Ts图
T
2
3
Reversed Brayton Cycle
逆勃雷登循环
2
T0
1
4
1
4
T2
1 2
2 3
v 绝热压缩 s 等压冷却 p
3 4
s 4 绝热膨胀 s 1 等压吸热 p
制冷系数
T
2
q2 q2 COP w q1 q2 cp (T1 T4 ) cp (T2 T3 ) cp (T1 T4 )
3
4
1
1 1 1 1 k 1 k 1 T2 T2 T3 1 p2 k 1 k -1 T1 T1 T4 -1 p1
第十一章
制冷（致冷）循环
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
制冷循环和制冷系数
空气压缩制冷循环装置
冷却水
3 冷却器
2
膨胀机
冷藏室
压缩机
4
1
蒸气压缩制冷空调装置
4
1-2：绝热压缩过程 2-4：定压放热过程 4-5：绝热节流过程 5-1：定压吸热过程
5
蒸气压缩制冷循环
制冷循环 吸附式制冷 Adsorption
蒸汽喷射制冷 半导体制冷 热声制冷,磁制冷
§11－1 空气压缩制冷循环
冷却水
3 冷却器
2
膨胀机
冷藏室
压缩机
4
1
p
3
pv图和Ts图
T
2
3
Reversed Brayton Cycle
逆勃雷登循环
2
T0
1
4
1
4
T2
1 2
2 3
v 绝热压缩 s 等压冷却 p
3 4
s 4 绝热膨胀 s 1 等压吸热 p
制冷系数
T
2
q2 q2 COP w q1 q2 cp (T1 T4 ) cp (T2 T3 ) cp (T1 T4 )
3
4
1
1 1 1 1 k 1 k 1 T2 T2 T3 1 p2 k 1 k -1 T1 T1 T4 -1 p1
第十一章
制冷（致冷）循环
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
制冷循环和制冷系数
空气压缩制冷循环装置
冷却水
3 冷却器
2
膨胀机
冷藏室
压缩机
4
1
蒸气压缩制冷空调装置
4
1-2：绝热压缩过程 2-4：定压放热过程 4-5：绝热节流过程 5-1：定压吸热过程
5
蒸气压缩制冷循环
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
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
第七章 压缩、膨胀、动力循环与制冷循环
7.1 气体的压缩与膨胀
2015-5-5
7.1 气体的压缩与膨胀
例 7-1现有1kmol的空气，其压力为0.1013MPa，温 度为27℃，如果压缩至0.5 MPa，求下列情况下压缩 空气终态的温度、压缩机消耗的轴功与压缩使气体放 出的热量（近似按可逆压缩过程计算）。
(1)等温压缩;
(2)绝热压缩; (3)多变压缩n=1.25;
2015-5-5
7.1 气体的压缩与膨胀
1.气体压缩－就压缩型式而言 压缩过程—将体积从 V2 压缩到V1，有如下三种途径：
(1) 一次等外压压缩
在外压为P1下，一次从V2压缩
到V1 ，环境对体系所作的功为：
W压缩 p （ ） 1 V 1 V2
2015-5-5
(2) 多次等外压压缩
化工生产中常用的压气机：
压缩机，鼓风机等。
虽然机构和工作原理不尽相同，但从热力学观点来看，气体 状态变化过程并无本质区别，都是消耗电能或机械能使气体 压缩生压的过程。 从热力学的角度又可分为:
2015-5-5
等温、绝热、多变三种过程。
7.1 气体的压缩与膨胀
在正常工况下都可视为稳流过程。因此压缩过程的 理论轴功可用稳流体系的热力学第一定律来描述（一般 忽略动能和势能）：
k 1 k p2 k Ws ( r ) RT1 1 (7 5) k 1 p1
或
k 1 k k p2 (7 6) Ws ( r ) pV 1 1 1 p1 k 1
p2 p1 p3 或 p2 p3 p1 p2
如采用m级压缩，各级压力分别为p1，p2， p3， ……，pm，pm+1，每级中间冷却器都将气体冷却到 初始温度，则使压缩机消耗的总功最小的各中间压力 满足： 2015-5-5
化工热力学6Chapter6蒸汽动力循环与制冷循环(New)
度下降,故压力一般不单独提高,通常乏汽干度≮88%,为安全起见,最好为饱 和蒸汽。
3.分析举例
Chapter 6.蒸汽动力循环与制冷循环 §6.1蒸汽动力循环
五、提高Rankine循环热效率的主要措施 (一)提高蒸汽的初参数即温度和压力 (二)提高冷凝器效率和尽可能降低冷却水的温度以便尽可能降低 乏汽压力 1.原理 （1）提高冷凝器效率目的是缩小工质与冷却水之间的传热温差 即缩小了传热推动力； （2）降低冷却水的温度的目的是在传热推动力不变的情况下降 低乏汽压力 2.限制 （1）冷凝器效率提高受冷凝器传热面积的限制即冷凝器投资的 限制； （2）冷却水的温度的降低受季节和地理位置的限制 (三)利用其它低温余热预热锅炉给水即提高锅炉进口的水温 原理：缩小工质在锅炉中与燃气之间的传热温差
6．汽耗率 SSC=m/N=60103/(2.045410466.87)=2.943 kg/(kWh)
10
1．例5-8 1.57MPa、484℃的过热水蒸气推动透平机作功，并在 0.0687MPa下排出。此透平机既不可逆也不绝热，输出的轴 功相当于可逆绝热膨胀功的85%。由于隔热不好，每kg蒸汽 有7.12kJ的热量散失于20℃的环境。此过程的理想功、损失 功和热力学效率。
四、计算举例
例 题 6-1(P135~137) 某 蒸 汽 动 力 循 环 按 朗 肯 循 环 工 作 , 锅 炉 压 力 为 4MPa, 产 生 440℃的过热蒸汽,乏汽压力为4kPa,蒸汽流量60吨/时，试按理想朗肯循环计 算①乏汽的干度;②汽轮机的理论功率;③水在锅炉中吸收的热;④水泵的理论 功率;⑤乏汽在冷凝器中放出的热;⑥循环的热效率;⑦循环的汽耗率。
NTid=m(h1h2)/3600=60103(3307.12079.87)/3600=2.0454104 kW 4．泵功率 NP=m(h4h3)/3600=60103(125.472121.46)/3600=66.87 kW
3.分析举例
Chapter 6.蒸汽动力循环与制冷循环 §6.1蒸汽动力循环
五、提高Rankine循环热效率的主要措施 (一)提高蒸汽的初参数即温度和压力 (二)提高冷凝器效率和尽可能降低冷却水的温度以便尽可能降低 乏汽压力 1.原理 （1）提高冷凝器效率目的是缩小工质与冷却水之间的传热温差 即缩小了传热推动力； （2）降低冷却水的温度的目的是在传热推动力不变的情况下降 低乏汽压力 2.限制 （1）冷凝器效率提高受冷凝器传热面积的限制即冷凝器投资的 限制； （2）冷却水的温度的降低受季节和地理位置的限制 (三)利用其它低温余热预热锅炉给水即提高锅炉进口的水温 原理：缩小工质在锅炉中与燃气之间的传热温差
6．汽耗率 SSC=m/N=60103/(2.045410466.87)=2.943 kg/(kWh)
10
1．例5-8 1.57MPa、484℃的过热水蒸气推动透平机作功，并在 0.0687MPa下排出。此透平机既不可逆也不绝热，输出的轴 功相当于可逆绝热膨胀功的85%。由于隔热不好，每kg蒸汽 有7.12kJ的热量散失于20℃的环境。此过程的理想功、损失 功和热力学效率。
四、计算举例
例 题 6-1(P135~137) 某 蒸 汽 动 力 循 环 按 朗 肯 循 环 工 作 , 锅 炉 压 力 为 4MPa, 产 生 440℃的过热蒸汽,乏汽压力为4kPa,蒸汽流量60吨/时，试按理想朗肯循环计 算①乏汽的干度;②汽轮机的理论功率;③水在锅炉中吸收的热;④水泵的理论 功率;⑤乏汽在冷凝器中放出的热;⑥循环的热效率;⑦循环的汽耗率。
NTid=m(h1h2)/3600=60103(3307.12079.87)/3600=2.0454104 kW 4．泵功率 NP=m(h4h3)/3600=60103(125.472121.46)/3600=66.87 kW
第8章 蒸汽动力循环与制冷循环2
8.4.1 逆向 逆向Carnot循环 循环
QH
冷凝器
T 2
压缩机
3
p2 TH 3 2 p1 4 1 S
膨胀机
4
QL
蒸发器
1
TL
S4 S1 (a) 逆Carnot循环制冷示意图 循环制冷示意图 图 图8-11 逆Carnot循环制冷过程 (b) T-S图 循环制冷过程
循环的制冷系数ξ 循环的制冷系数 特点 Carnot循环的制冷系数 C取决于高温和低温热源的 温度
二.蒸汽压缩制冷循环
工作原理及T 1. 工作原理及T-S图 主要设备有: 主要设备有: 压缩机 冷凝器 膨胀机(节流阀) 膨胀机(节流阀) 蒸发器 四部分组成. 四部分组成. 4
1
气 轮 机
2
锅炉 冷 凝 器
4
水泵
3
P1T1的高压高温蒸汽进入 气轮机等熵膨胀到状态2 气轮机等熵膨胀到状态2, 同时对外做功, 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, 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, 压力下的饱和水,放出的 热量由冷却水带走, 热量由冷却水带走,达到 状态3 状态3,饱和水经水泵升 压到P1进入锅炉, P1进入锅炉 压到P1进入锅炉,在锅炉 吸收热量, 吸收热量,使工质变化到 状态1 完成一个循环. 状态1,完成一个循环.
重点内容
1)Rankine循环的热力学分析方法,热效率,气 循环的热力学分析方法,热效率, 循环的热力学分析方法 耗率的概念与计算,以及Rankine的改进方法 耗率的概念与计算,以及 的改进方法 . 2)了解 2)了解Otto循环和Diesel循环燃气循环和燃气轮 了解Otto循环和 循环和Diesel循环燃气循环和燃气轮 机过程分析; 机过程分析; 3) 逆Carnot循环与蒸汽压缩制冷循环的基本组 循环与蒸汽压缩制冷循环的基本组 制冷系数和单位工质循环量的计算; 成,制冷系数和单位工质循环量的计算; 4) 热泵的基本概念和在工业生产中的应用; 热泵的基本概念和在工业生产中的应用; 5)了解深冷循环,掌握空气液化及其计算方法. 了解深冷循环, 了解深冷循环 掌握空气液化及其计算方法.
合工大-化工热力学-第六章_ 蒸汽动力循环与制冷循环
6.1.1
(a)
6
Rankine循环中各个过程经理想化（即忽略工 质的流动阻力与散热、动、位能变化）应用稳定流 动过程的能量平衡方程分析如下。
1~2过程：汽轮机中工质作等熵膨胀（即可逆绝
热膨胀），对外作功量
WS H H2 H1kJ / kg （工质）
（6-1）
图6-1
6.1.1
7
2~3过程：湿蒸汽在冷凝器中等压等温冷凝，
p1'
p1
至x’2) x’2< x2，这
不利汽轮机的操作。
x2 '
x2
6.1.1
19
然而，提高汽轮机的进汽温度可降低汽轮机 出口蒸汽湿度。所以，为了提高循环的热效率， 汽轮机的进汽温度和进汽压力一般是同时提高 的，现代蒸汽动力装置采用的进汽温度，压力 在往高参数方向发展。
H2O 的 pc 22.05MPa
降低了出口蒸汽的湿 度（干度提高）x2<x’2。 改进了汽轮机的操作条 件
第18 次课结束2010
T1
x2 x2 '
图6-2
6.1.1
18
假定汽轮机出口蒸汽压力及进汽温度不变，将进汽 压力由p1提高到p’1， 也能提高循环的平均吸热温度，有利于提高循环热
效率，
单一提高进汽压 力，汽轮机出口蒸 汽的湿度也随之增 加(见图6-3中由x2
（6-5b）
6.1.1
11
汽耗率是蒸汽动力装置中，输出1kW·h的净功所
消耗的蒸汽量。用SSC（Specific steam s kg consumption）表示
3600 SSC kg /(kW h) WS
h kJ
kg / kw h
3.1逆向卡诺循环
10
在可逆循环中，制冷系数
q0 ε= w
q0 ε = w + ∆w
'
ε >泵循环
• 区别主要有两点： 1. 两者的目的不同。 2. 两者的工作温区往 往有所不同。
12
用于表示热泵效率的指标称为热泵系数或供热系 热泵系数或供热系 数，其定义为：
QH ϕ= W
4
研究逆向可逆循环的目的 是为了寻找热力学上最完善的 制冷循环，作为评价实际循环 效率高低的标准。
5
逆向卡诺循环
6
在一定的热源温度下，需要怎样 来组织制冷机的工作循环，使获得单 位冷量所消耗的能量为最小，这是制 冷技术中一个很重要的问题。
7
q = q0 + w
根据热力学第一定律，可写出制冷 机的热平衡式：
q = q0 + w
(1—1)
式中 q、q0和w是传递、取出 的单位热量和消耗的单位机械功 （kJ／kg）。
8
根据热力系统，可逆变化过程中熵的变量等于零这一 热力学原理，可以写出逆向卡诺循环的熵变公式：
∆s系统 1 1 q q0 w + q0 q0 w = '− ' = − ' = ' + q0 ' − ' = 0 ' T T T T0 T T0 T 0
q0 T0' ε= = w T '−T0'
（1—4）
制冷系数是衡量制冷循环经济性的一个重要技术指标。 制冷系数是衡量制冷循环经济性的一个重要技术指标。 国外习惯上将制冷系数称为制冷机的性能系数COP 国外习惯上将制冷系数称为制冷机的性能系数COP Performance）。在给定的温度条件下， ）。在给定的温度条件下 （Coefficient of Performance）。在给定的温度条件下， 制冷系数越大，则循环的经济性越高 经济性越高。 制冷系数越大，则循环的经济性越高。
在可逆循环中，制冷系数
q0 ε= w
q0 ε = w + ∆w
'
ε >泵循环
• 区别主要有两点： 1. 两者的目的不同。 2. 两者的工作温区往 往有所不同。
12
用于表示热泵效率的指标称为热泵系数或供热系 热泵系数或供热系 数，其定义为：
QH ϕ= W
4
研究逆向可逆循环的目的 是为了寻找热力学上最完善的 制冷循环，作为评价实际循环 效率高低的标准。
5
逆向卡诺循环
6
在一定的热源温度下，需要怎样 来组织制冷机的工作循环，使获得单 位冷量所消耗的能量为最小，这是制 冷技术中一个很重要的问题。
7
q = q0 + w
根据热力学第一定律，可写出制冷 机的热平衡式：
q = q0 + w
(1—1)
式中 q、q0和w是传递、取出 的单位热量和消耗的单位机械功 （kJ／kg）。
8
根据热力系统，可逆变化过程中熵的变量等于零这一 热力学原理，可以写出逆向卡诺循环的熵变公式：
∆s系统 1 1 q q0 w + q0 q0 w = '− ' = − ' = ' + q0 ' − ' = 0 ' T T T T0 T T0 T 0
q0 T0' ε= = w T '−T0'
（1—4）
制冷系数是衡量制冷循环经济性的一个重要技术指标。 制冷系数是衡量制冷循环经济性的一个重要技术指标。 国外习惯上将制冷系数称为制冷机的性能系数COP 国外习惯上将制冷系数称为制冷机的性能系数COP Performance）。在给定的温度条件下， ）。在给定的温度条件下 （Coefficient of Performance）。在给定的温度条件下， 制冷系数越大，则循环的经济性越高 经济性越高。 制冷系数越大，则循环的经济性越高。
6 蒸汽动力循环
H Q Ws
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
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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T↗
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
μJ <0
致热区 P
29
4 积分节流效应
1 V TH V dp T Cp p1 T p
p2
（6-14）
积分节流效应的求法:三种 （1） 公式法
特点： –① 工质部分供热，部分作功 –② 供热量与乏汽无关 –③ 热电循环效率
QRH QH
QH H 1 H 7
Q RH H 6 H 2 ws 热效率 QH
ws H 1 H 2 (1 )H 2 H 3
ws Q h 能量利用参数 QH
为乏汽从汽轮机流出后进
入冷凝器，乏汽在冷凝器
2
锅炉
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
4
水泵
3
吸收热量，使工质变化到
状态1，完成一个循环。
3
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 循环是郎肯循环。
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。 （5）工作介质吸热过程不同 卡诺循环：等温过程 郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着 等压线变化
5
水
定压升温 沸点 定温定压汽化 饱和蒸汽 定压升温 过热蒸汽
∴
WS sWSR
7
(4)
水泵中工作介质的单位耗功量 kJ/kg
w p H H 4 H 3
w p vdp vp v p4 p3
(5) 热效率
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
定义：锅炉中所提供的热量中转化为净功的量 数学式：
T-S图
T 4 3 QL S
4
QH
T吸 T放
1 Ws
2
2.
郎肯循环
卡诺循环：湿蒸汽 郎肯循环：干蒸汽
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
（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
卡诺循环：气液共存
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
（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15104 kW,汽轮机作不可逆的绝热膨胀,其等熵效率为 0.75,而水泵可认为作可逆绝热压缩,试求:
6
α -αh
冷 凝 器
3
6 4 5
P’
7 2
αh
水泵
3
5
加热器
4
水泵
S
21
解：
22
6.2
节流膨胀与作外功的绝热膨胀
一. 节流膨胀过程
高压流体经过节流阀后迅速膨胀到低压的过程称为节 流膨胀。 1. 特点：等焓过程 由热力学第一定律：
1 2 H c gZ Q WS 2
Q=0（来不及传热）， Ws=0（不做功） 若忽略掉动能、位能的影响 ∴ΔH=0 对于H=f（T，P） ∵ P发生变化 ∴T也随之发生变化
T P H
H P H T
T P
24
H Cp T P
V dH C p dT [V T ]dp T P
dT 0
时，
H V V T P T T P
不产生温度效应
当μJ<0时，表示节流后压力下降，温度上升，
V V T 0 T P
致热
27
（ 3）
结论
节流膨胀过程的主要特征是等焓过程； 理想气体节流时温度不变，不能用于致
① ②
冷、致热；
③
真实气体节流效应取决于气体的状态，
在不同的状态下节流，具有不同的微分节流 效应值。
23
2. 微分节流效应（焦汤效应）
（1） 定义式 流体节流时，由于压力变化而引起的温度变化， 称为微分节流效应 数学式： ∵H=f（T，P） 节流过程：
T J P H
（6-12）
dH 0
H H dH dT dP T P P T
节流膨胀不同。
S V p T p T
（Maxwell第一关系式）
Cp S T T p
T S p S
V T T Cp
（6-16）
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。
31
二.对外作功的绝热膨胀
1. 可逆绝热膨胀 特点：等熵过程 (1) 微分等熵温度效应 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：
对卡诺循环： 对郎肯循环： 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
ws TL c 1 QH TH
ws H 1 H 2 H 1 H 2 QH H1 H 4 H1 H 3
(3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率
若p变化不太大，μJ为常数
TH J ( p2 p1 )
若p变化大，μJ不为常数，用式（6-14）计算，但很
麻烦，一般不用。
30
(2) T-S图法
T T1 T2
等H线
P1
TH T2 T1
P2
(3)
利用经验公式估算
S
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： 2 273 TH 0.29( p 2 p1 ) T 1
这说明了理想气体在
节流过程中温度不发
生变化
26
②
真实气体
有三种可能的情况，由定义式知
T J P H
当μJ>0时，表示节流后压力下降，温度也下降
V V T 0 T P
致冷
当μJ=0时，表示节流后压力下降，温度不变化
V V T 0 T P
S S dS dT dP 0 T p p T
32
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
0.004MPa,中间抽汽压力P’为0.13MPa,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。
20
1
汽轮机
T
锅 炉 P’ 7 α 热 用 户 2 1
12
1.再热循环
再热循环的热效率
w Q
T 1
s
wSH wSL w p QH QRH
wSH wSL QH QRH
P1
3
8 7
6 2 4
p2
p3
1
5
2 S
QR
H
3
wsh+wsL 4
结论：
（1）η 提高 （2）乏汽湿含量减少，干度增加。
13
1 1kg
2.回热循环
T
αkg
（6-13）
故
1 V J [V T ] CP T P
25
(2)节流膨胀致冷的可能性
① 对理想气体
T =0 J P H
∵ PV=RT
R V T P P
V=RT/P
R RT T J P P 0 Cp
(1)此动力循环中蒸汽的质量流量;
(2)汽轮机出口乏气的湿度; (3)循环的热效率.
9
例6-2
插图
1
t=320 ℃ 核 反 应 堆
汽轮机
T P1=7MPa t1=360 ℃
1
锅 炉
2
或 2’ 冷 凝 器
4 3 2 2’ P2=0.008MPa S
10
4 3
解:
11
一. 提高郎肯循环热效率的措施
,
H5 H4 H 2, H 4
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）
特点：
背压式汽轮机联合供电供热循环
① 冷凝器中冷却工质的介质为热用户的介质（不一定是冷
kJ/kg
QL H 2'3 H 3 H 2'
kJ/kg （理想）
QL H 23 H 3 H 2
(3) 汽轮机工作介质的单位产功量
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
μJ <0
致热区 P
29
4 积分节流效应
1 V TH V dp T Cp p1 T p
p2
（6-14）
积分节流效应的求法:三种 （1） 公式法
特点： –① 工质部分供热，部分作功 –② 供热量与乏汽无关 –③ 热电循环效率
QRH QH
QH H 1 H 7
Q RH H 6 H 2 ws 热效率 QH
ws H 1 H 2 (1 )H 2 H 3
ws Q h 能量利用参数 QH
为乏汽从汽轮机流出后进
入冷凝器，乏汽在冷凝器
2
锅炉
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
4
水泵
3
吸收热量，使工质变化到
状态1，完成一个循环。
3
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 循环是郎肯循环。
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。 （5）工作介质吸热过程不同 卡诺循环：等温过程 郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着 等压线变化
5
水
定压升温 沸点 定温定压汽化 饱和蒸汽 定压升温 过热蒸汽
∴
WS sWSR
7
(4)
水泵中工作介质的单位耗功量 kJ/kg
w p H H 4 H 3
w p vdp vp v p4 p3
(5) 热效率
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
定义：锅炉中所提供的热量中转化为净功的量 数学式：
T-S图
T 4 3 QL S
4
QH
T吸 T放
1 Ws
2
2.
郎肯循环
卡诺循环：湿蒸汽 郎肯循环：干蒸汽
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
（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
卡诺循环：气液共存
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
（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15104 kW,汽轮机作不可逆的绝热膨胀,其等熵效率为 0.75,而水泵可认为作可逆绝热压缩,试求:
6
α -αh
冷 凝 器
3
6 4 5
P’
7 2
αh
水泵
3
5
加热器
4
水泵
S
21
解：
22
6.2
节流膨胀与作外功的绝热膨胀
一. 节流膨胀过程
高压流体经过节流阀后迅速膨胀到低压的过程称为节 流膨胀。 1. 特点：等焓过程 由热力学第一定律：
1 2 H c gZ Q WS 2
Q=0（来不及传热）， Ws=0（不做功） 若忽略掉动能、位能的影响 ∴ΔH=0 对于H=f（T，P） ∵ P发生变化 ∴T也随之发生变化
T P H
H P H T
T P
24
H Cp T P
V dH C p dT [V T ]dp T P
dT 0
时，
H V V T P T T P
不产生温度效应
当μJ<0时，表示节流后压力下降，温度上升，
V V T 0 T P
致热
27
（ 3）
结论
节流膨胀过程的主要特征是等焓过程； 理想气体节流时温度不变，不能用于致
① ②
冷、致热；
③
真实气体节流效应取决于气体的状态，
在不同的状态下节流，具有不同的微分节流 效应值。
23
2. 微分节流效应（焦汤效应）
（1） 定义式 流体节流时，由于压力变化而引起的温度变化， 称为微分节流效应 数学式： ∵H=f（T，P） 节流过程：
T J P H
（6-12）
dH 0
H H dH dT dP T P P T
节流膨胀不同。
S V p T p T
（Maxwell第一关系式）
Cp S T T p
T S p S
V T T Cp
（6-16）
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。
31
二.对外作功的绝热膨胀
1. 可逆绝热膨胀 特点：等熵过程 (1) 微分等熵温度效应 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：
对卡诺循环： 对郎肯循环： 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
ws TL c 1 QH TH
ws H 1 H 2 H 1 H 2 QH H1 H 4 H1 H 3
(3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率
若p变化不太大，μJ为常数
TH J ( p2 p1 )
若p变化大，μJ不为常数，用式（6-14）计算，但很
麻烦，一般不用。
30
(2) T-S图法
T T1 T2
等H线
P1
TH T2 T1
P2
(3)
利用经验公式估算
S
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： 2 273 TH 0.29( p 2 p1 ) T 1
这说明了理想气体在
节流过程中温度不发
生变化
26
②
真实气体
有三种可能的情况，由定义式知
T J P H
当μJ>0时，表示节流后压力下降，温度也下降
V V T 0 T P
致冷
当μJ=0时，表示节流后压力下降，温度不变化
V V T 0 T P
S S dS dT dP 0 T p p T
32
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
0.004MPa,中间抽汽压力P’为0.13MPa,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。
20
1
汽轮机
T
锅 炉 P’ 7 α 热 用 户 2 1
12
1.再热循环
再热循环的热效率
w Q
T 1
s
wSH wSL w p QH QRH
wSH wSL QH QRH
P1
3
8 7
6 2 4
p2
p3
1
5
2 S
QR
H
3
wsh+wsL 4
结论：
（1）η 提高 （2）乏汽湿含量减少，干度增加。
13
1 1kg
2.回热循环
T
αkg
（6-13）
故
1 V J [V T ] CP T P
25
(2)节流膨胀致冷的可能性
① 对理想气体
T =0 J P H
∵ PV=RT
R V T P P
V=RT/P
R RT T J P P 0 Cp
(1)此动力循环中蒸汽的质量流量;
(2)汽轮机出口乏气的湿度; (3)循环的热效率.
9
例6-2
插图
1
t=320 ℃ 核 反 应 堆
汽轮机
T P1=7MPa t1=360 ℃
1
锅 炉
2
或 2’ 冷 凝 器
4 3 2 2’ P2=0.008MPa S
10
4 3
解:
11
一. 提高郎肯循环热效率的措施
,
H5 H4 H 2, H 4
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）
特点：
背压式汽轮机联合供电供热循环
① 冷凝器中冷却工质的介质为热用户的介质（不一定是冷
kJ/kg
QL H 2'3 H 3 H 2'
kJ/kg （理想）
QL H 23 H 3 H 2
(3) 汽轮机工作介质的单位产功量