动力循环和制冷循环

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:
18
1
汽轮机
T
锅 炉 P’ 2 热 用 户 α
3
(1-α)kg
1 7 6 α 1-α 2
7
冷 凝 器
4
5
4
3
6 水泵 加热器
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5 水泵
S
19
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
∴
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：
2’
(1-α)kg
2 水 6 αkg
1
2’
5 4
3
(1-α)kg
6
3
2
5
4
S
14
回热循环的热效率：

ws w p QH
(1 )( H 3 H 2 ) QH QL 1 QH H1 H 6
抽气量α取回热器作能量衡算
H 2 H 5 (1 )H 5 H 4
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
ws H 12' H 2' H 1 ws H12 H 2 H1
∵
kJ/kg （理想）
H1 H 2 ' WS s WSR H1 H 2
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
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
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。
(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
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
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
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
V 0 T p
33
T 0
Cp 0
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）
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
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
3 2 2’
作介质的热量带走使其由 气体转变为液体。 3 —4 S 水泵中进行
4—1
锅炉进行，
水在锅炉中恒压加热。
6
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
(2) 工作介质在冷凝器中排放的热量
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
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
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：
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 , 大于 大气压力；

③ 热电循环效率 =循环热效率+提供热用户的热量/输入的总
热量。

QL QH
16
1 汽轮机
T
WS qH
4 3
锅 炉 2 4
1
qL
3
2
S
17
（2） 抽气式汽轮机联合供电供热循环
第六章
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
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
,
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
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

ws w p QH
H 2 H 1 H 4 H 3
H1 H 4
w p ws ws QH
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），
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
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。

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
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
（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
28
3 转化点，转化曲线
转化点： 当
T J 0 P H
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. T μJ =0 T↘ μJ >0 致冷区
图示：
在 转 化 曲 线 左 侧 ， 等
焓线上，随P↘，T↘， μJ >0，致冷区
等 H线