第六章蒸汽动力循环和制冷循环
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第六章 蒸汽动力循环
和制冷循环
2020/9/1
第六章内容
§6.1 蒸汽动力循环 工作原理
§6.1.1 Rankine(朗肯)循循环环中工质状态变化 §6.1.2 Rankine循环的改能进量转换计算
§6.2 气体绝热膨胀制循冷环原过理程热力学分析
§6.2.1 节流膨胀
§6.2.2 对外作功的绝热膨胀
蒸 汽 作 功
蒸 汽 冷 凝 成 水
理想Rankine循环
T 等S 4
压
缩3
1
等
可逆吸热
S
膨
Leabharlann Baidu
胀
相变 2
2020/9/1
S
卡诺循环的缺点
T
缺点之二: 对于泵易 产生气缚
现象
锅炉加热
4
1
透
泵
平 机
冷凝器
3
2
汽+液
S
结论:卡诺循环不 适合变热为功!
透平机后的乏气, 汽+液
缺点之一: 透平机要求干度
X>0. 9 但2点的X<0.88
Q2受为环境温度的限制。
a Sb
2020/9/1
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。
QR TdS
2020/9/1
用T-S图表示热和功
(2)容易计算热机循环时的效率
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。
2020/9/1
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
WP）（H1
H 2）（H 3
H
）
4
Q1
（5）工作介质吸热过程不同 卡诺循环：等温过程
郎肯循环：不可逆吸热过程，20沿20/9着/1 等压线变化
理想Rankine循环
稳流体系 H Q Ws （1）
1
Q1 H41 WHS1 H4
过 热 器
锅炉 Q1 4
透 平
WS Q HH212H1
机
WS可逆绝
2 热膨胀功 Q2 H23 H3 H2
•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)
2020/9/1
§6.1 蒸汽动力循环
稳定流动体系的热力学第一定理：
H gZ u2 2 Q Ws 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
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。 2020/9/1
前言
蒸汽动力循环的作用：
合成氨N2 3H2 400 C，300atm2NH3
•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。
2020/9/1
§6.1.1 Rankine (朗肯)循环
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，可逆吸热过程
原理 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）。
水
加
热
至
过
锅炉
热 蒸
汽
4
1
透 平 机
2
冷 凝 水压缩 器
水泵 3
实际Rankine循环
1
实际上，工质在汽轮机和水泵
冷
凝 器
Q2
WP H34 H4 H3
水泵
3
WP可逆绝热压缩功
P4
V水dP V水（P4 P3）
P3
2020/9/1
Q1=面积1ba41 Q2=面积2ba32
循环过程U 0
闭系U Q W
W Q
1 净功WN WS WP Q1 Q2 面积12341
过 热
透
WS
器
平 机
膨胀功
Q可逆 TdS
易损坏叶片 2020/9/1
郎肯循环与卡诺循环的区别
（1）工质进汽轮机状态不同 卡诺循环：湿蒸汽
郎肯循环：干蒸汽
（2）膨胀过程不同
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。
能量，称为轴功Ws。）
2020/9/1
§6.1 蒸汽动力循环
蒸汽动力循环原理
蒸汽动力循环主要由水泵、锅 炉、透平机和冷凝器组成。
1
过 热 器 锅炉
4
透 平 机
2
冷 凝 器
水泵
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 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。
§6.3 制冷循环
§6.3.1 蒸汽压缩制冷循环
§6.3.2 吸收制冷循环
2020/9/1
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
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
循环热机的效率
ABCDA的面积 ABC曲线下的2020/面9/1 积
用T-S图表示热和功的优点
1
锅炉 Q1 4
2
冷
T4
WN
凝
器
Q2
3 Q2 Q1 2
水泵
3
WP压缩功
aS
b2020/9/1
理想Rankine循环
净功WN WS WP Q1 Q2
净功WN= IQ1（面积1ba41）-Q2（面积2ba32）I =面积12341
1
T4
WN
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。
H1 H4
WP 0
WS H1 H2
Q1 H1 H4
2、气耗率SSC：Specific Steam Consumption
作出1kW.h净功消耗的蒸气公斤数。
SSC 3600/Ws （Kg.Kw1.h1）
2020/9/1
1 2，4 4理想朗肯循环（等熵） 1 2’，4 4’实际朗肯循环（不等熵）
和制冷循环
2020/9/1
第六章内容
§6.1 蒸汽动力循环 工作原理
§6.1.1 Rankine(朗肯)循循环环中工质状态变化 §6.1.2 Rankine循环的改能进量转换计算
§6.2 气体绝热膨胀制循冷环原过理程热力学分析
§6.2.1 节流膨胀
§6.2.2 对外作功的绝热膨胀
蒸 汽 作 功
蒸 汽 冷 凝 成 水
理想Rankine循环
T 等S 4
压
缩3
1
等
可逆吸热
S
膨
Leabharlann Baidu
胀
相变 2
2020/9/1
S
卡诺循环的缺点
T
缺点之二: 对于泵易 产生气缚
现象
锅炉加热
4
1
透
泵
平 机
冷凝器
3
2
汽+液
S
结论:卡诺循环不 适合变热为功!
透平机后的乏气, 汽+液
缺点之一: 透平机要求干度
X>0. 9 但2点的X<0.88
Q2受为环境温度的限制。
a Sb
2020/9/1
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。
QR TdS
2020/9/1
用T-S图表示热和功
(2)容易计算热机循环时的效率
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。
2020/9/1
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
WP）（H1
H 2）（H 3
H
）
4
Q1
（5）工作介质吸热过程不同 卡诺循环：等温过程
郎肯循环：不可逆吸热过程，20沿20/9着/1 等压线变化
理想Rankine循环
稳流体系 H Q Ws （1）
1
Q1 H41 WHS1 H4
过 热 器
锅炉 Q1 4
透 平
WS Q HH212H1
机
WS可逆绝
2 热膨胀功 Q2 H23 H3 H2
•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)
2020/9/1
§6.1 蒸汽动力循环
稳定流动体系的热力学第一定理：
H gZ u2 2 Q Ws 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
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。 2020/9/1
前言
蒸汽动力循环的作用：
合成氨N2 3H2 400 C，300atm2NH3
•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。
2020/9/1
§6.1.1 Rankine (朗肯)循环
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，可逆吸热过程
原理 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）。
水
加
热
至
过
锅炉
热 蒸
汽
4
1
透 平 机
2
冷 凝 水压缩 器
水泵 3
实际Rankine循环
1
实际上，工质在汽轮机和水泵
冷
凝 器
Q2
WP H34 H4 H3
水泵
3
WP可逆绝热压缩功
P4
V水dP V水（P4 P3）
P3
2020/9/1
Q1=面积1ba41 Q2=面积2ba32
循环过程U 0
闭系U Q W
W Q
1 净功WN WS WP Q1 Q2 面积12341
过 热
透
WS
器
平 机
膨胀功
Q可逆 TdS
易损坏叶片 2020/9/1
郎肯循环与卡诺循环的区别
（1）工质进汽轮机状态不同 卡诺循环：湿蒸汽
郎肯循环：干蒸汽
（2）膨胀过程不同
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。
能量，称为轴功Ws。）
2020/9/1
§6.1 蒸汽动力循环
蒸汽动力循环原理
蒸汽动力循环主要由水泵、锅 炉、透平机和冷凝器组成。
1
过 热 器 锅炉
4
透 平 机
2
冷 凝 器
水泵
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 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。
§6.3 制冷循环
§6.3.1 蒸汽压缩制冷循环
§6.3.2 吸收制冷循环
2020/9/1
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
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
循环热机的效率
ABCDA的面积 ABC曲线下的2020/面9/1 积
用T-S图表示热和功的优点
1
锅炉 Q1 4
2
冷
T4
WN
凝
器
Q2
3 Q2 Q1 2
水泵
3
WP压缩功
aS
b2020/9/1
理想Rankine循环
净功WN WS WP Q1 Q2
净功WN= IQ1（面积1ba41）-Q2（面积2ba32）I =面积12341
1
T4
WN
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。
H1 H4
WP 0
WS H1 H2
Q1 H1 H4
2、气耗率SSC：Specific Steam Consumption
作出1kW.h净功消耗的蒸气公斤数。
SSC 3600/Ws （Kg.Kw1.h1）
2020/9/1
1 2，4 4理想朗肯循环（等熵） 1 2’，4 4’实际朗肯循环（不等熵）