第七章 蒸汽动力循环和制冷循环
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2018/10/12
前言
循环：
体系从初态开始，经历一系列的中间状态，又重 新回到初态，此封闭的热力学过程称为循环。
蒸汽动力循环：
是以水蒸汽为工质，将热连续地转变成功的过程， 其主要设备是各种热机。 产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂
冷冻循环：
是将热连续地由低温处输送到高温处的过程，其 主要设备是热泵。 耗功的过程。 -100 ℃以上为普冷， -100 ℃以下为深冷。
2
Q Ws
2018/10/12
§7.1 蒸汽动力循环
蒸汽动力循环原理
1
过 热 器 锅炉 冷 凝 器 水泵 透 平 机
蒸汽动力循环主要由水泵、锅 炉、透平机和冷凝器组成。
3 4水在水泵中被压缩升压。
4 1 进入锅炉被加热汽化，直 至成为过热蒸汽后。
1 2 进入透平机膨胀作功。
2 4
2 3 作功后的低压湿蒸汽进 入冷凝器被冷凝成水，再回到 水泵中，完成一个循环。
2018/10/12
前言
蒸汽动力循环的作用：
C， 300 atm 合成氨 N 2 3H2 400 2 NH3
•如何将1atm 300atm? •需要压缩机，消耗动力。 电 •中国60年代，1500~1800度电/吨NH3。 •中国70年代，仅10~30度电/吨NH3。 •这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。 •高温热源 废热锅炉，产生高压蒸汽 透平机 压缩机 (氢循环压缩机)
（H 3 H 4） （WS WP） （H 1 H 2） H1 H 4 Q1 WS H1 H 2 WP 0 Q1 H1 H 4
QR TdS
2018/10/12
用T-S图表示热和功
(2)容易计算热机循环时的效率 图中ABCDA表示任一可逆 循环。ABC是吸热过程，所吸 之热等于ABC曲线下的面积； CDA是放热过程，所放之 热等于CDA曲线下的面积。 热机所作的功W为闭合 曲线ABCDA所围的面积。
W Q1 Q2 Q1 Q1
闭 系U Q W
W Q
过 热 器 锅炉
12341 1 净功WN WS WP Q1 Q2 面积 Q可 逆 TdS
透 平 机
WS 膨胀功
1
Q1
2
冷 凝 器
T
Q2
4 3
WN Q2
Q1 2
4
水泵 WP压缩功
3
a
S
2018/10/12
b
理想Rankine循环
净功WN WS WP Q1 Q2
蒸 汽 作 功
理想Rankine循环
1
T
等 S4 压 缩 等压吸热 等 S 膨 胀
2
冷 凝 水压缩 器 水泵
4
3
蒸 汽 冷 凝 成 水
3ຫໍສະໝຸດ Baidu
相变
2
2018/10/12
S
卡诺循环的缺点
锅炉加热 1 泵 透 平 机 2 汽 +液 缺点之二: 对于泵易 产生气缚 现象 缺点之一: 透平机要求干度 X>0. 9 但2点的X<0.88 易损坏叶片2018/10/12 透平机后的乏气, 汽 +液
2018/10/12
§7.1.1 Rankine (朗肯)循环
原理
3 4 饱和水可逆绝热压缩过程。（等S） 4 1 高压水等压升温和汽化，等压吸热过程 1 2 过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。（等S） 2 3 湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。
1
水 加 热 至 过 热 锅炉 蒸 汽
透 平 机
结论:卡诺循环不 适合变热为功!
4
T
冷凝器 3
S
郎肯循环与卡诺循环的区别
（1）工质进汽轮机状态不同 （2）膨胀过程不同
卡诺循环：湿蒸汽
郎肯循环：干蒸汽
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 卡诺循环：气液共存
郎肯循环：饱和水
（4）压缩过程不同
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。
ABCDA的面积 循环热机的效率 ABC曲线下的面积
2018/10/12
用T-S图表示热和功的优点
T-S 图：既显示体系所吸取或释放的热 量；又显示体系所作的功。 p-V 图：只能显示所作的功。
2018/10/12
理想Rankine循环的热效率η 和气耗率SSC
评价动力循环的指标：热效率和气耗率。 1、热效率η ： 循环的净功与工质向高温热库吸收的热量之比
WS可逆绝 2 热膨胀功
Q1 4
水泵
冷 凝 器
Q2 H 23 H 3 H 2
Q2
WP H 34 H 4 H 3
P4
3
P3
V
水 dP
V水 （P4 P3 ）
2018/10/12
WP可逆绝热压缩功
Q1=面积1ba41
Q2=面积2ba32
循环过程 U 0
第七章内容
工作原理 循环中工质状态变化 §7.1.1 Rankine(朗肯)循环 能量转换计算 §7.1.2 Rankine循环的改进 循环过程热力学分析 §7.2 气体绝热膨胀制冷原理
§7.1 蒸汽动力循环
§7.2.1 节流膨胀 §7.2.2 对外作功的绝热膨胀
§7.3 制冷循环
§7.3.1 蒸汽压缩制冷循环 §7.3.2 吸收制冷循环
（5）工作介质吸热过程不同 卡诺循环：等温过程
2018/10/12 郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着 等压线变化
理想Rankine循环
1
过 热 器 锅炉 透 平 机
稳流体系 H Q Ws （ 1）
W HS1 H 4 Q1 H41
WS H12 H 2 H 1
2018/10/12
§7.1 蒸汽动力循环
稳定流动体系的热力学第一定理：
2 流体通过压缩机、膨胀机 ∵ u2≈0，g Z≈0，若绝热过程Q=0 Ws= H= H2-H1
高压高温蒸汽带动透平产生轴功。 （流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的 能量，称为轴功Ws。）
H gZ u
净功WN= IQ1（面积1ba41）-Q2（面积2ba32）I =面积12341
1
T
WN
4 3
2
Ql越大， Q2越小，做的净功 WN就越大。 Ql受锅炉中金属材料的极限的 限制，约550~600oC。 Q2受为环境温度的限制。
2018/10/12
a
S
b
用T-S图表示热和功
T-S图 ：温-熵图 T-S图的用处： (1)体系可逆地从状态A到状 态B,在T-S图上曲线AB下的 面积就等于体系在该过程中 的热效应，一目了然。
前言
循环：
体系从初态开始，经历一系列的中间状态，又重 新回到初态，此封闭的热力学过程称为循环。
蒸汽动力循环：
是以水蒸汽为工质，将热连续地转变成功的过程， 其主要设备是各种热机。 产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂
冷冻循环：
是将热连续地由低温处输送到高温处的过程，其 主要设备是热泵。 耗功的过程。 -100 ℃以上为普冷， -100 ℃以下为深冷。
2
Q Ws
2018/10/12
§7.1 蒸汽动力循环
蒸汽动力循环原理
1
过 热 器 锅炉 冷 凝 器 水泵 透 平 机
蒸汽动力循环主要由水泵、锅 炉、透平机和冷凝器组成。
3 4水在水泵中被压缩升压。
4 1 进入锅炉被加热汽化，直 至成为过热蒸汽后。
1 2 进入透平机膨胀作功。
2 4
2 3 作功后的低压湿蒸汽进 入冷凝器被冷凝成水，再回到 水泵中，完成一个循环。
2018/10/12
前言
蒸汽动力循环的作用：
C， 300 atm 合成氨 N 2 3H2 400 2 NH3
•如何将1atm 300atm? •需要压缩机，消耗动力。 电 •中国60年代，1500~1800度电/吨NH3。 •中国70年代，仅10~30度电/吨NH3。 •这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。 •高温热源 废热锅炉，产生高压蒸汽 透平机 压缩机 (氢循环压缩机)
（H 3 H 4） （WS WP） （H 1 H 2） H1 H 4 Q1 WS H1 H 2 WP 0 Q1 H1 H 4
QR TdS
2018/10/12
用T-S图表示热和功
(2)容易计算热机循环时的效率 图中ABCDA表示任一可逆 循环。ABC是吸热过程，所吸 之热等于ABC曲线下的面积； CDA是放热过程，所放之 热等于CDA曲线下的面积。 热机所作的功W为闭合 曲线ABCDA所围的面积。
W Q1 Q2 Q1 Q1
闭 系U Q W
W Q
过 热 器 锅炉
12341 1 净功WN WS WP Q1 Q2 面积 Q可 逆 TdS
透 平 机
WS 膨胀功
1
Q1
2
冷 凝 器
T
Q2
4 3
WN Q2
Q1 2
4
水泵 WP压缩功
3
a
S
2018/10/12
b
理想Rankine循环
净功WN WS WP Q1 Q2
蒸 汽 作 功
理想Rankine循环
1
T
等 S4 压 缩 等压吸热 等 S 膨 胀
2
冷 凝 水压缩 器 水泵
4
3
蒸 汽 冷 凝 成 水
3ຫໍສະໝຸດ Baidu
相变
2
2018/10/12
S
卡诺循环的缺点
锅炉加热 1 泵 透 平 机 2 汽 +液 缺点之二: 对于泵易 产生气缚 现象 缺点之一: 透平机要求干度 X>0. 9 但2点的X<0.88 易损坏叶片2018/10/12 透平机后的乏气, 汽 +液
2018/10/12
§7.1.1 Rankine (朗肯)循环
原理
3 4 饱和水可逆绝热压缩过程。（等S） 4 1 高压水等压升温和汽化，等压吸热过程 1 2 过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。（等S） 2 3 湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。
1
水 加 热 至 过 热 锅炉 蒸 汽
透 平 机
结论:卡诺循环不 适合变热为功!
4
T
冷凝器 3
S
郎肯循环与卡诺循环的区别
（1）工质进汽轮机状态不同 （2）膨胀过程不同
卡诺循环：湿蒸汽
郎肯循环：干蒸汽
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 卡诺循环：气液共存
郎肯循环：饱和水
（4）压缩过程不同
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。
ABCDA的面积 循环热机的效率 ABC曲线下的面积
2018/10/12
用T-S图表示热和功的优点
T-S 图：既显示体系所吸取或释放的热 量；又显示体系所作的功。 p-V 图：只能显示所作的功。
2018/10/12
理想Rankine循环的热效率η 和气耗率SSC
评价动力循环的指标：热效率和气耗率。 1、热效率η ： 循环的净功与工质向高温热库吸收的热量之比
WS可逆绝 2 热膨胀功
Q1 4
水泵
冷 凝 器
Q2 H 23 H 3 H 2
Q2
WP H 34 H 4 H 3
P4
3
P3
V
水 dP
V水 （P4 P3 ）
2018/10/12
WP可逆绝热压缩功
Q1=面积1ba41
Q2=面积2ba32
循环过程 U 0
第七章内容
工作原理 循环中工质状态变化 §7.1.1 Rankine(朗肯)循环 能量转换计算 §7.1.2 Rankine循环的改进 循环过程热力学分析 §7.2 气体绝热膨胀制冷原理
§7.1 蒸汽动力循环
§7.2.1 节流膨胀 §7.2.2 对外作功的绝热膨胀
§7.3 制冷循环
§7.3.1 蒸汽压缩制冷循环 §7.3.2 吸收制冷循环
（5）工作介质吸热过程不同 卡诺循环：等温过程
2018/10/12 郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着 等压线变化
理想Rankine循环
1
过 热 器 锅炉 透 平 机
稳流体系 H Q Ws （ 1）
W HS1 H 4 Q1 H41
WS H12 H 2 H 1
2018/10/12
§7.1 蒸汽动力循环
稳定流动体系的热力学第一定理：
2 流体通过压缩机、膨胀机 ∵ u2≈0，g Z≈0，若绝热过程Q=0 Ws= H= H2-H1
高压高温蒸汽带动透平产生轴功。 （流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的 能量，称为轴功Ws。）
H gZ u
净功WN= IQ1（面积1ba41）-Q2（面积2ba32）I =面积12341
1
T
WN
4 3
2
Ql越大， Q2越小，做的净功 WN就越大。 Ql受锅炉中金属材料的极限的 限制，约550~600oC。 Q2受为环境温度的限制。
2018/10/12
a
S
b
用T-S图表示热和功
T-S图 ：温-熵图 T-S图的用处： (1)体系可逆地从状态A到状 态B,在T-S图上曲线AB下的 面积就等于体系在该过程中 的热效应，一目了然。