第7章 蒸汽动力循环与制冷循环

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第七章 动力循环与制冷循环
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7.1
蒸汽动力循环
4. 实际Rankine循环的热效率
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。
• 状态点1： 根据p1、t1 值可查得 H1、S1值;
• 状态点2: S2=S1 ,根据p2、S2 值可查得 H2、t2值;
• 状态点3： p3=p2 ,查p3下的饱和液体可得H3、V3 、S3值; • 状态点4：p4=p1, S4=S3, 根据p4、S4可查得 H4值; 或 H4=H3+Wp=H3+V(p4-p3)
(4) 4→1: 水在锅炉中等压Biblioteka Baidu温和等 压汽化，工质吸热
Q1 H H1 H 4
热效率：
kJ / kg(工质)
• 经济性指标分析 (热效率、汽耗率)

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Ws WP Q1
H1 H 2 H 3 H 4
H1 H 4
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第七章 动力循环与制冷循环
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7.1
蒸汽动力循环
（3）工质出冷凝器状态不同，卡诺循环为汽液共存，朗 肯循环为饱和水; (4) 压缩过程不同，卡诺循环为等熵过程，朗肯循环为不 可逆绝热过程，若忽略掉工质水的摩擦与散热可简化为可逆 过程； (5) 工质吸热过程不同，卡诺循环为等温过程，朗肯循环 为不可逆过程，沿着等压线变化。
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7.1
蒸汽动力循环
• 3点（饱和液体）: p3=4kPa H3= Hl =121. 46 kJ/kg S3=Sl=0.4226kJ/(kg· K) • 4点（未饱和水）: 方法1 H4=H3+Wp=H3+V(p4-p3) = 121.46+0.001004× (4000-4)=125.5kJ/kg 方法2 已知 p4=4MPa, S4=S3=0. 4226kJ/(kg· K),查未饱和 水性质表
为它产功最大。 • ������ ������ 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 ② 绝热可逆过程实际难以实现。
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水量不能超过10%，水泵不能带入蒸汽进泵；
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7.1
蒸汽动力循环
7.1.2 Rankine (朗肯) 循环
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7.1
蒸汽动力循环
3. 理想Rankine循环的热效率
忽略工质的流动阻力与温差传热，将朗肯循环理想化。 • 能量分析 (应用稳流过程的能量平衡方程) (1) 1→2: 汽轮机中工质等熵膨胀， 对外做功
WS H H 2 H1
kJ / kg(工质)
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第七章 动力循环与制冷循环
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本章目录
7.1 蒸汽动力循环
7.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀 7.3 制冷循环
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7.1
蒸汽动力循环
7.1 蒸汽动力循环
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7.1
蒸汽动力循环
7.1.1 蒸汽动力循环与正向卡诺循环
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7.1
蒸汽动力循环
【解】根据给定条件，查水蒸汽压表确定有关参数：
• 1点(过热蒸汽): 根据p1=7MPa、t1 =360 ℃,查过热 水蒸气表得 H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kg· K); • 2点(湿蒸汽): p2=0.008MPa, 查饱和水蒸气表得 Hg=2577.0kJ/kg Hl=173.88kJ/(kg· K) Sg=8.2287kJ/kg Sl=0.5926kJ/(kg· K) 汽轮机作等熵膨胀 S2=S1 =6.2801kJ/(kg· , K) S2=Sgx2+(1-x2)Sl 6.2801=8.2287x2+(1-x2) × 0.5926 x2=0.7448
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7.1
蒸汽动力循环
H2=Hgx2+(1-x2)Hl =2577.0× 0.7488+(1-0.7488) ×173.88=1963.7 汽轮机作等熵膨胀过程1-2所作的理论功 WR WR=H2-H1=1963.7-3045.5= -1081.8kJ/kg 汽轮机作实际膨胀过程1-2´所作的功 Ws Ws=ηsWR=-1081.8 ×0.75= - 811.4kJ/kg Ws=H2´ - H1 H2´ = H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg 汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为x2´ H2´=Hgx2´+(1-x2´)Hl 2234.1=2577.0x2´+(1- x2´) 173.9 x2´ =0.8573
第七章
蒸汽动力循环 和制冷循环
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第七章 动力循环与制冷循环
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本章目的： 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。 主要内容： ������ 1. 蒸汽动力循环的热效率、循环功以及循环中各过程工 质状态函数的变化； ������ 2.制冷循环与获得低温的操作过程热力学分析； ������ 3.深冷原理与过程的热力学分析。 学习要求： 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。
1. Rankine循环的构成 Rankine循环是蒸汽动力循环，主要设备有：透平机、 冷凝器、水泵、锅炉四部分，工作介质一般为水。
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7.1
蒸汽动力循环
p 1 、T 1 的高温高压蒸汽进入透平机等熵膨胀到状态2，
对外作功，2点状态为乏汽(低压下的湿蒸汽)，从透平机流
(2) 2→3: 湿蒸汽在冷凝器中等温等 压冷凝，放热
Q2 H H 3 H 2
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kJ / kg(工质)
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7.1
蒸汽动力循环
(3) 3→4: 饱和水在水泵中绝热压缩， 消耗压缩功
WP H H 4 H 3
kJ / kg(工质)
定压升温
沸点
定温定压汽化
饱和蒸汽
定压升温
过热蒸汽
绝热压缩
等熵膨胀 等温冷凝
水
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湿蒸汽
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第七章 动力循环与制冷循环
7.1
蒸汽动力循环
2. 与卡诺循环的比较
⑴工质进汽轮机时状态不同，卡诺循环为湿汽，朗肯循 环为干气；
⑵ 膨胀过程不同，卡诺循环为等熵过程，朗肯循环为不 可逆绝热过程；
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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图表为：
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7.1
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
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7.1
蒸汽动力循环
实际过程产功
等熵过程产功 ≤1
等熵效率： S=
s
Ws 不 Ws 可
H1 H 2 H1 H 2
实际Rankine热效率：
H1 H 2 H 3 H 4 H1 H 2
3
热效率
3600PT N P 360020452 67 0.3844 6 Q1 190.9 10
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7.1
蒸汽动力循环
[例7-2] 在某核动力循环装置，锅炉温度为 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作功后于0.008M Pa压力下排出(点2)， 乏气在冷凝器中向环境温度 t0＝20 ℃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5×10 4kW，汽轮 机作不可逆的绝热膨胀，其等熵效率为0. 75，水泵作等 熵压缩。试求： (1)蒸气的质量流量； (2)乏气的湿度； (3)循环的热效率。
1 3600 SSC kg / kJ kg / kW h W W
热效率越高、汽耗率越低，表明循环约完善。
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7.1 • 计算方法
蒸汽动力循环
因为水蒸气不是理想气体，气体的性质不能用理想气体
方程计算，需要通过热力学图表或实际流体的状态方程求得。
60 103 2080.0 3307.1 PT mWs mH 2 H1 3600 20452kW
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7.1
蒸汽动力循环
•
水泵消耗的理论功率
60 10 125.5 121.5 N P mWP mH 4 H 3 3600 67kW
7.1
蒸汽动力循环
Ws H1 H 2 Q1 H1 H 4
蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量
热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功量时所消 耗的能量的多少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。 汽耗率： 作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率， 用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。
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7.1
蒸汽动力循环
（1）确定各点的参数 • 1点(过热蒸汽)： 根据p1=4MPa、t1 =440 ℃,查过热水蒸 气表 得 H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kg· K); • 2点(湿蒸汽): p2=4kPa,S2=S1 =6.9041kJ/(kg· ,查饱和水 K) 蒸气表得 Hg=2554.4kJ/kg Hl=121.46kJ/(kg· K) Sg=8.4746kJ/kg Sl=0.4226kJ/(kg· Vl=1.004cm3/g K) 2点处的干度为x 8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041 x=0.8050 H2=2554.4× 0.805+(1-0.805) ×121.46=2080.0
如25℃、4MPa的 H：
H 86.30 4.0－2.5 ， ＝87.71 H 88.65 86.30 5.0－2.5
0.4226 0.2958 H 4 87.71 0.5709 0.2958 171.09 87.71
H4=127.1kJ/kg
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7.1
蒸汽动力循环
（2）计算 过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量 • Q1=m(H1 - H4)=60 ×103 ×(3307.1 - 125.5) =190.9 ×106kJ/h • 乏气在冷凝器放出的热量 Q2=m(H2 - H3)=60 ×103 ×(2080.0 - 121.5) =117.5 ×106kJ/h 乏气的湿度为 1-x=1-0.805=0.195 • 汽轮机作出的理论功率
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。
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7.1
• 基本过程
蒸汽动力循环
1-2′：对应于汽轮机(蒸汽膨胀)；������ 2′-3：冷凝器中进行，蒸汽等温等压冷 凝为液体； 3-4：水泵进行（压缩）； 4-1 ：锅炉进行，水在锅炉中恒压加热。 水
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7.1
蒸汽动力循环
2.5MPa H S 5MPa H 88.65 S 0.2956 4MPa(插值) H S 87.71 0.2958
20 ℃
86.30 0.2961
40 ℃
169.77 0.5715
171.97
0.5705
171.09
0.5709
H1 H 4 H1 H 4
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第七章 动力循环与制冷循环
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7.1
蒸汽动力循环
【例7-1】某一理想的Rankine循外，锅炉的压力为4MPa， 产生440℃过热蒸汽,汽轮机出口压力为0.004MPa,蒸汽流 量60t/h,求 （1） 过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量； （2）乏气的湿度以及乏气在冷凝器放出热量； （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。 【解】该循环在T-S图上的表示如 右图。