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
H V 又 ( )T V T ( ) p P T
H V ( )T T ( ) p V T P T J ( )H P CP CP
第六章
蒸汽动力循环与制冷循环
Engines and Refrigeration
6 蒸汽动力循环与制冷循环
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果的途径。 内容： 1.讨论蒸汽动力循环的热效率、功以及循环中各工 质状态的变化 2.制冷循环的热力学分析 要求：掌握工作原理、工质状态变化、能量转换 计算、能量转换效果热力学分析
显然，热效率越高，汽耗率越低，表明循环越完 善
6.1 蒸汽动力循环
计算步骤： a.先将蒸汽动力循环过程在T-S图上表示出来 b.确定各点的状态，并查出H, S值 c.计算能量变化，热效率，汽耗率
6.1 蒸汽动力循环
一般已知： p1，t1 ，p2 各点H、S具体的确定方法如下： 状态点1，根据p1、t1值查表得H1、S1值； 状态点 2 ，根据 p2,, 而 S2=S1 ，根据p2 时的饱和水和饱 和水蒸汽的熵，计算出干度。可得H2、t2； 状态点 3 ，根据 p3=p2 ，等压线与饱和液体线的交点， 可确定H3、S3； 状态点4，p4=p1，S4=S3；由p4、S4值可确定H4、S4值。
6.1 蒸汽动力循环
为抽气系数 ，可通过对回热器的能量分析求得， 不考虑散热损失。
ΔH＝Q+Ws=0
(H5－H2)＋(1－)(H5-H4）＝0
H5 H 4 H '2 H 4
6.1 蒸汽动力循环
对于整个循环进行能量衡算： ΔH＝0＝Q1+Q2+WS+WP Q1=H1-H6 WS=(1-)(H2- H2)+(H2-H1) Q2＝(1－)(H3-H2）
qL H3 H 2
qH H1 H 4
6.1 蒸汽动力循环
③热电循环 抽气式汽轮机联合供电供热循环
6.1 蒸汽动力循环
抽气式汽轮机联合供电供热循环 特点：⑴工质部分供热,部分作功； ⑵供热量与乏汽无关； ⑶热电循环效率为：

QH H1 H 7
QRH QH
QRH ( H 6 H 2 )
T J P H
6.2 膨胀过程
节流过程实际上是由于压力变化而引起温度 变化的过程，是一个等焓过程
H f (T , P)
H H dH ( ) p dT ( )T dP T P
6.2 膨胀过程
因节流前后的焓值不变，dH=0，上式可写为：
T ( )H P
6.1 蒸汽动力循环
正向卡诺循环： 工质吸热温度大于工质排热温度 正向卡诺循环是动力循环，是最理想的情况， 因为它产功最大。
6.1 蒸汽动力循环
卡诺循环产功最大，但实际上很难实现， 问题在于： ①湿蒸汽对汽轮机和水泵有侵蚀作用，汽 轮机带水量不能超过10%，水泵不能带 入蒸汽进泵； ②绝热可逆过程实际难以实现。
b）对真实气体 有三种可能的情况 由定义式
V T ( ) p V J T CP
μ J >0 表示节流后温度下降，压力减小，温度降低
V V T 0 T P
致冷
6.2 膨胀过程
μJ=0, 节流后温度不变；
V T ( ) p V 0 T
μJ<0, 节流后温度升高；
6.2 膨胀过程
1）节流膨胀过程 将高压流体经一节流阀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 u 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
6.2 膨胀过程
②微分节流效应（焦汤效应）（ JouleThomson） 定义：流体节流时，由于压力的变化而引起温 度的变化称为节流效应。节流时微小压力的变 化所引起的温度变化，称为微分节流效应。数 学式为
P1、T1的高温高压蒸汽进入汽轮机等熵膨胀到状 态2，对外作功，2点状态为乏汽，从汽轮机流出 进入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潜热QL， 而变为该压力下的饱和水，放出的热量QL由冷却 水带走，达到状态3，饱和水经水泵压到P1进入 锅炉，锅炉吸收热量QH，使工质变化到状态1， 完成一个循环。
6.1 蒸汽动力g
⑵工质在冷凝器中排放的热量
Q2= ΔH = H3－H2 KJ/Kg
6.1 蒸汽动力循环
⑶汽轮机中工质的单位产功量
WSR=H2 －H1
WS H1 H 2' s WSR H1 H 2
KJ/Kg KJ/Kg
WS= ΔH =H2 ′－H1
∵
∴
6.1 蒸汽动力循环
①回热循环：利用蒸汽的热来加热锅炉给水，这
样就大大减少了温差传热不可逆因素，从而使 热效率提高，使该循环向卡诺循环靠近了一步。
6.1 蒸汽动力循环
高压水6经锅炉加热至过热蒸汽1；过热蒸汽经 汽轮机作功，抽出一部分蒸汽 2 进回热器 （ ），其它蒸汽（ 1 － ）在透平中继续作 功，至湿蒸汽2，经冷凝器冷凝至饱和水3， 经水泵加压至未饱和水4，进入回热器，与2 蒸汽交换至两者温度都达到较高水温 5 ，经 水泵加热至6经锅炉，完成一个循环。
6.2 膨胀过程
即
V T ( ) p V T J CP
6.2 膨胀过程
③节流膨胀制冷的可能性 a）对理想气体
∵ PV=RT V=RT/P
R V T P P
R RT T J P P 0 Cp
说明理想气体在节流过程中温度不发生变化
6.2 膨胀过程
WS sWSR
6.1 蒸汽动力循环
⑷水泵中工质的单位耗功量
Wp=ΔH=H4－H3 KJ/Kg
由于液态水的不可压缩性，水泵中工质的耗功 量可按下式进行计算
wp H H 4 H 3
kJ/kg
6.1 蒸汽动力循环
⑸热效率 定义：锅炉中所给的热量中转化为净功的量。

(Ws W p ) Q1
6.1 蒸汽动力循环
②热电循环
使高压蒸汽膨胀做功到某一压力，再提供乏 气或乏气的热量，这种即提供动力又提供 热量的循环称为热电循环。 化工生产中，不仅需要动力，还需要不同品 位的热量，所以既提供能量，又提供动力 的热电循环更适用（Rankine循环只提供动 力）
6.1 蒸汽动力循环
③热电循环
背压式汽轮机联合供电供热循环
V T ( ) p V 0 制热 T
6.2 膨胀过程
小结 ⑴节流过程的主要特征是等焓； ⑵理想气体节流时温度不变，不能用于制冷 或制热； ⑶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。
6.2 膨胀过程
③转化点，转化曲线 由于真实气体的节流效应值随着状态的不同 而发生变化，所以在实际当中，要产生制 冷效应，必须选择适当的节流前状态，使 其节流效应系数大于0。欲达到这一目的， 首先要找到转化点。所谓转化点就是节流 效应系数为0时的温度、压力所对应的点
ws H1 H 2 H1 H 2 QH H1 H 4 H1 H 3
6.1 蒸汽动力循环
提高热效率 ⑴H2降低，H2一般受压力P2及对应压力下的 饱和温度的限制，一般以大气温度为极限， t2不可能小于大气温度，况且，当P2一定， H3也就一定了。
6.1 蒸汽动力循环
6.1 蒸汽动力循环
在回热加热器中抽出的蒸汽与经过冷凝压缩后的未 饱和水进行热量交换，从而提高了吸热温度，使 热效率升高。回热循环的热效率为：
- (WS WP ) Q1 Q2 Q2 (1 )(H 3 H 2 ) 1 1 H1 H 6 Q1 Q1 Q1
小结：①减少了工质吸热过程的温差，由T1－T4 减少到T1－T6 ②热效率提高，但设备成本也增加。
6.1 蒸汽动力循环
背压式汽轮机联合供电供热循环
特点：
⑴冷凝器中冷却工质的介质为热用户的介质， 不一定是冷却水，冷凝温度由供热温度决定， QL得以利用； ⑵排气压力受供热温度影响，较朗肯循环排 气压力高
6.1 蒸汽动力循环
⑶热电循环效率
WS qH
qL 循环中所作功＋所利用 热量 WS q L ＝ 循环中输入总热量 qH 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
6.1 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
1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环
高温向低温传热是自发过程，是产功过程， 正向卡诺循环是由两个可逆等温过程和两个可逆 绝热过程组成的，用T-S图表示为
6.1 蒸汽动力循环
3-4：耗功过程，饱和液体水在水泵中升压， 可认为可逆绝热压缩 4-1 ：工质吸热过程，等压升温、汽化过 程。在锅炉中进行
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
6.1 蒸汽动力循环
朗肯循环过程热力学计算
⑴工质在锅炉中的吸热量
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
3）朗肯循环 Rankine 朗肯循环的原理：也是由四个部分组成
6.1 蒸汽动力循环
朗肯循环的过程为： 1-2′：产功过程，在汽轮机中进行 若忽略的工质的摩擦与散热，此过程可简化为可逆 绝热膨胀（等熵膨胀） 2′-3：乏气放热过程，等温等压冷凝放热 在冷凝器中进行，在冷凝器里，冷却水把工 质的热量带走，使其转变为饱和液体
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
2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图 蒸汽动力循环的主要设备有：汽轮机、冷凝器、水泵、锅 炉四部分，工作介质一般为水。
6.1 蒸汽动力循环
( H1 H 2 ) ( H 3 H 4 ) H1 H 4
wp ws ws QH
6.1 蒸汽动力循环
⑹气耗率
定义：输出1kwh的净功所消耗的蒸汽量 SSC （specific steam consumption）。
3600 SSC kg /(kW h) Ws