化工热力学第六章 蒸汽动力循环与制冷循环

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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
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 )
6源自文库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。
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
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
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
( 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
6.2 膨胀过程

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
Q1 = ΔH = H1- H 4 KJ/Kg
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


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
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 蒸汽动力循环
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。
6.2 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
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 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
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
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

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
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
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
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
6.1 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
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)
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
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。
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
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。
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
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