蒸汽动力循环与制冷循环

第一节
锅炉
蒸汽动力循环
汽轮机
水泵 冷凝器
能量分析
• • Turbine 汽轮机 1 – 2 表示过热 蒸汽在汽轮机中的 可逆绝热膨胀过程， 对外所做轴功可由 膨胀前后水蒸汽的 焓值求出。
H Q Ws
Ws H H 2 H1kJ / kg
能量分析
•
H Q Ws
Condensor 冷凝器
• 把水看作是不可压 缩流体，则
WP VdP V P4 P3 kJ / kg
P4 P3
能量分析
•
H Q Ws
Boiler 锅炉
• 4 – 1 表示液体水在锅 炉中被等压加热汽化成 为过热蒸汽的过程。工 质在锅炉中吸收的热量
Q1 H H1 H 4kJ / kg
• 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)
•
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。
• 方法1 = 121.46+0.001004× (4000-4) =125.5kJ/kg H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)
•
方法2
已知 P4=4MPa, S4=S3=0. 4226kJ/(kg· K),查未饱和水性质表
2.5MPa H 20 ℃ 40 ℃ 86.30 0.2961 S H
(b)
T-S 图
(a) 工作原理图
图 8-5
二次抽气回热蒸汽动力循环装置
再热循环
过热器 再热器 1'
1
汽轮机
T
11 ’
5
锅炉
6
冷凝器
给水泵
发电机 2’
4
5 6
冷却水
3
22 ’
x2
3
x
2
(a) 工作原理图
(b) T-S图
S
目前超高压(蒸汽初压为13和24MPa或更高)的大型电 厂几乎毫无例外地采用再热循环
提高Rankine循环热效率的途径
carnot
T 6 9
TL 1 TH
降低冷凝器温度 提高锅炉温度
1 T 4 1 c
p1
p1
5' 5 2
x2 x2
Tm
10
5
4 3 8 图 8-3 平均吸热温度 2
x2
3
p2
2'
7
S
S 图 8-4 提高初压的 T-S 图
等效Carnot循环的平均吸热温度 Tm
例5-2
• 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）, 得 P2=0.008MPa, 查饱和水蒸气表
Hl=173.88kJ/(kg· K) Sl=0.5926kJ/(kg· K)
理想Rankine循环的热效率
Ws WP H1 H 2 H 3 H 4 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 Ws H1 H 2 Q1 H1 H 4 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。
Hg=2554.4kJ/kg
Sg=8.4746kJ/kg
Sl=0.4226kJ/(kg· K)
Vl=1.004cm3/g
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
• 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）
第二节
高温 环境
制冷循环
低温 环境
•如果循环的目的是从低温物体(如冷藏室、冷库等)不 断地取走热量，以维持物体的低温，称之为制冷循环；
•如果循环的目的是给高温物体(如供暖的房间)不断地 提供热量，以保证高温物体的温度，称之为热泵循环。
•
3.降低乏汽的压力
提高朗肯循化效率的方法：
• （二）采用再热循环 • （三）采用回热循环
回热循环
1
过热器 汽轮机 发电机
T
1
锅炉
α1 α2 7 6 8 3 9
水泵 2
4 7 9 3
冷却水 冷凝器 水泵 1
水泵 3
α1 5 α2 1-α1-α2
2
1-α 1
8
2 1-α1-α2
6
S
一号回热器 二号回热器
• • • •
乏气的湿度为 1-0.8573=0.1427 3点 0.008MPa饱和液体 H3=173.88kJ/(kg· K) S3=0.5926kJ/(kg· K) 4点 P4=7MPa, S4=S3=0.5926kJ/(kg· K)
• 查未饱和水性质表 5MPa H S H 7.5MPa S H 173.74 340.44 4MPa S 0.5698 1.0707
• （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(H3 – H2)=60 ×103 ×(121.5 - 2080.0) =-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
60103 2080.0 3307.1 PT m Ws mH 2 H1 3600 20452 kW
•
水泵消耗的理论功率
60103 125.5 121.5 N P m WP mH 4 H 3 3600 67kW
热效率
3600 PT N P 3600 20452 67 0.3844 6 Q1 190.9 10
•
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0.008MPa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5×104kW，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。
•
2 – 3 表示乏汽 在冷凝器中的等温 等压冷凝过程，放 出的热量。
Q2 H H3 H 2kJ / kg
能量分析
• • Pump 水泵 3 – 4 表示冷凝水 通过水泵由P3升压 至P4的可逆绝热压 缩过程，需要消耗 的轴功
WP H H 4 H3kJ / kg
H Q Ws
1与1'点的压力高低 ？
•
2. 提高蒸汽的压力
当蒸汽压力提高时，热效率提高、而汽 耗率下降。但是随着压力的提高，乏汽的干度 下降，即湿含量增加，因而会引起透乎机相对 内部效率的降低．还会使透平中最后几级的叶 片受到磨蚀，缩短寿命。乏汽的干度一般不应 低于0.88。另外，蒸汽压力的提高，不能超过 水的临界压力，而且设备制造费用也会大幅上 升。
第五章
蒸汽动力循环和制冷循环
• 第一节 • 第二节
蒸汽动力循环 制冷循环
将热能变为机械能必须通过循环才能完成，而组 成循环的热力过程主要是在热力原动机中进行的。 根据所采用工质的不同，热力原动机循环分为两 类：以蒸汽为工质的称为蒸汽动力循环，而以气体为 工质的则称为气体循环。 其中以蒸汽动力循环最为主要，其研究对象不是 原动机的结构与构件，而是工质所经历的状态及其变 化过程。
Hg=2577.0kJ/kg Sg=8.2287kJ/kg • • • •
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
• 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=2577.0 x2´+(1- x2´) 173.9 x2´ =0.8573
40 ℃ 80 ℃
171.97 0.5705 338.85 1.0720
174.18 0.5696 340.84 1.0704
0.5926 0.5698 H 4 173 .74 H4=181.33kJ/kg 1.0707 0.5698 340 .44 173 .74
• 水泵所消耗的功 WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg • 热效率
过程如T-S-图所示
（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）, 和水蒸气表得 P2=4kPa,S2=S1 =6.9041kJ/(kg· K) ,查饱 Hl=121.46kJ/(kg· K)
s
Ws 不 Ws 可
H1 H 2 H1 H 2
• 实际 Rankine 循环的热效率
H 3 H 4 H1 H 2 H1 H 2 H1 H 4 H1 H 4
例5-1 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。
W 811.4 7.45 0.2807 Q1 3045 .5 181.33
提高朗肯循化效率的方法：
（一）通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率
• 1. 提高蒸汽的过热温度 在相同的蒸汽压力下，提高蒸汽的过热温度时, 可提高平均吸热温度，增大作功量，提高循环的热效 率，并且可以降低汽耗率。同时乏气的干度增加，使 透平机的相对内部效率也可提高。但是蒸汽的最高温 度受到金属材料性能的限制，不能无限地提高，一般 过热蒸汽的最高温度以不超873K为宜。
5MPa S H 88.65 0.2956 87.71
4MPa S 0.2958 0.5709
169.77 0.5715
171.97 0.5705
171.09
0.4226 0.2958 H 4 87.71 0.5709 0.2958 171 .09 87.71
• H2=126.1kJ/kg
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。
1 3600 SSC kg / kJ kg / kW h W W
当对外作出的净功相同时，汽耗率大的装置其 尺寸相应增大。所以汽耗率的高低可用来比较装置 的相对尺寸大小和过程的经济性。
工质为水蒸气
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。
计算方法
• 确定各点参数： • 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;