蒸汽动力循环与制冷循环

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1、第六章第六章蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环6.1 蒸汽动力循环6.1 蒸汽动力循环6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀6.3 制冷循环6.4 深冷循环（气体液化循环）深冷循环（气体液化循环）6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环本章目的与内容?目的：研究热、功转换过程的效果和影 响因素，寻求能量转换的效率的方法。?内容：?（1） 蒸汽动力循环及热力学分析（1） 蒸汽动力循环及热力学分析?（2） 制冷循环及热力学分析（2） 制冷循环及热力学分析?（3） 深冷和热泵的原理及热力学分析（3） 深冷和热泵的原理及热力学分析本章要求及重点、难点?（1）熟练了解并掌握简单Rankin

2、e循环的T-S图及计 算。?（2）了解Rankine循环的改进措施。?（3）了解节流膨胀和等熵膨胀的原理和应用。?（4）熟练了解并掌握单级蒸汽压缩制冷循环的T-S图 及计算。?（5）了解吸收制冷循环和热泵的原理及应用。 重点：简单Rankine循环和单级蒸汽压缩制冷循环 难点：节流膨胀和等熵膨胀的原理6.1 蒸汽动力循环6.1 蒸汽动力循环?一. 蒸汽动力循环为正向卡诺循环一. 蒸汽动力循环为正向卡诺循环?二. 蒸汽动力循环二. 蒸汽动力循环1. 工作原理及T-S图1. 工作原理及T-S图蒸汽动力循环的主要设备有：透平机（汽轮机）冷凝器水泵锅炉、过热器等组成工作介质一般为水蒸汽动力循环的主要设

3、备有：透平机（汽轮机）冷凝器水泵锅炉、过热器等组成工作介质一般为水水泵水泵锅炉锅炉1234P P1 1T T1 1的高压高温蒸汽进入气轮机等熵膨胀到状态2，同时对外做功，2点状态为乏汽从汽轮机流出后进入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潜热而变为该压力下的饱和水，放出的热量由冷却水带走，达到状态3，饱和水经水泵升压到P的高压高温蒸汽进入气轮机等熵膨胀到状态2，同时对外做功，2点状态为乏汽从汽轮机流出后进入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潜热而变为该压力下的饱和水，放出的热量由冷却水带走，达到状态3，饱和水经水泵升压到P1 1进入锅炉，在锅炉吸收热量，使工质变化到状态1，完成一个循进入锅炉，在锅炉吸收

4、热量，使工质变化到状态1，完成一个循环。环。气 轮 机冷 凝 器气 轮 机冷 凝 器T-S图T-S图QHQLWsTT吸吸T放放S问题在于：1）湿蒸汽对汽轮机 和水泵有浸蚀作用， 汽轮机带水量不得超 过10%，水泵不能带 入蒸汽进泵；2）绝热可逆过程实 际上难以实现。第一个具有实际 意义的蒸汽动力循环 是朗肯循环。问题在于：1）湿蒸汽对汽轮机 和水泵有浸蚀作用， 汽轮机带水量不得超 过10%，水泵不能带 入蒸汽进泵；2）绝热可逆过程实 际上难以实现。第一个具有实际 意义的蒸汽动力循环 是朗肯循环。1234（1）工质进汽轮机状态不同（2）膨胀过程不同（1）工质进汽轮机状态不同（2）膨胀过程不同2.

5、 朗肯(Rankine)循环2. 朗肯(Rankine)循环（3）工质出冷凝器状态不同（4）压缩过程不同（5）工作介质吸热过程不同（3）工质出冷凝器状态不同（4）压缩过程不同（5）工作介质吸热过程不同朗肯循环：饱和水朗肯循环：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。郎肯循环：不可逆吸热过 程，沿着等压线变化卡诺循环：气液共存卡诺循环：等熵过程卡诺循环：等温过程朗肯循环：饱和水朗肯循环：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。郎肯循环：不可逆吸热过 程，沿着等压线变化卡诺循环：气液共存卡诺循环：等熵过程卡诺循环：等温过程卡诺循环：湿蒸汽

6、卡诺循环：等熵过程朗肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在朗肯循环：干蒸汽朗肯循环：不可逆绝热过程卡诺循环：湿蒸汽卡诺循环：等熵过程朗肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在朗肯循环：干蒸汽朗肯循环：不可逆绝热过程锅炉锅炉水泵水泵冷 凝 器冷 凝 器透 平 机透 平 机2413原理原理水压缩水压缩水 加 热 至水 加 热 至 过 热 蒸 汽过 热 蒸 汽蒸 汽 作 功蒸 汽 作 功蒸 汽 冷 凝 成蒸 汽 冷 凝 成 水水理想理想Rankine循环循环123TS4等等 S 膨 胀膨 胀等等 S 压 缩压 缩可逆吸热可逆吸热相变相变蒸汽动力循环蒸汽动力循环主要由主要由水泵水泵、锅

7、炉锅 炉、透平机透平机和和冷凝器冷凝器组成。组成。理想朗肯循环理想朗肯循环锅炉锅炉透 平 机透 平 机水泵水泵冷 凝 器过 热 器冷 凝 器过 热 器2341WWS S膨胀功膨胀功膨胀功膨胀功Q1Q2WP压缩功压缩功123TS4ab Q2WNQ121 + + = =HQWSSWHQ = =14141HH = =12HH = =00理想理想Rankine循环循环43 = =HWP34HH = =dPVPP = =43水水）（）（水水34PPV=1 12 2对应于汽轮机2对应于汽轮机23冷凝器进行，在冷凝器里冷却水把工作介质的热量带走使其由气体转变为液体。33冷凝器进行，在冷凝器里冷却水把工作介质

8、的热量带走使其由气体转变为液体。34水泵中进行加压44水泵中进行加压41锅炉进行，水在锅炉中恒压加热。1锅炉进行，水在锅炉中恒压加热。122 34水水过热蒸汽饱和蒸汽沸点定压升温定温定压汽化定压升温ST3. 朗肯循环过程的热力学计算3. 朗肯循环过程的热力学计算4141HHHQH= 233 2HHHQL=2323HHHQL=1212HHHws=1212HHHws=2121 HHHHWWSRS s= SRsSWW=(1) 工作介质在锅炉中吸热量(1) 工作介质在锅炉中吸热量kJ/kgkJ/kg(2) 工作介质在冷凝器中排放的热量kJ/kg（理想）(2) 工作介质在冷凝器中排放的热量kJ/kg（理

9、想）(3) 汽轮机工作介质的单位产功量（理想）kJ/kg(3) 汽轮机工作介质的单位产功量（理想）kJ/kg34HHHwp=()=34ppvpvvdpwp() ()HsspHpsQwwwHHHHHH Qww=+=+=ppQ413412(4) 水泵中工作介质的单位 耗功量(4) 水泵中工作介质的单位 耗功量kJ/kg由于液态水的不可压缩性，水泵中工作介质耗功量可按下列 式近似计算(5) 热效率由于液态水的不可压缩性，水泵中工作介质耗功量可按下列 式近似计算(5) 热效率定义：锅炉中所提供的热量中转化为净功的量定义：锅炉中所提供的热量中转化为净功的量数学式：数学式：4. 应用举例4. 应用举例?P

10、135-138 例6-16-2例6-1自学P135-138 例6-16-2例6-1自学例6-2例6-2 某核动力循环如图所示，锅炉从温度为320 的核反应堆吸入热量Q某核动力循环如图所示，锅炉从温度为320 的核反应堆吸入热量Q1 1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做功后于0.008MPa压力下排出（点2），乏气在冷凝器中向环境温度 t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做功后于0.008MPa压力下排出（点2），乏气在冷凝器中向环境温度 t0 0=20 下进行定压放热变为饱和水（点3），然后经泵返回锅炉（点4）完

11、成循环，已知汽轮机的额定功率为1510=20 下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15104 4kW,汽轮机作不可逆的绝热膨胀,其等熵效率为0.75,而水泵可认为作可逆绝热压缩,试求:(1)此动力循环中蒸汽的质量流量;(2)汽轮机出口乏气的湿度;(3)循环的热效率.kW,汽轮机作不可逆的绝热膨胀,其等熵效率为0.75,而水泵可认为作可逆绝热压缩,试求:(1)此动力循环中蒸汽的质量流量;(2)汽轮机出口乏气的湿度;(3)循环的热效率.例6-2 插图例6-2 插图核反应堆核反应堆锅炉锅炉汽轮机汽轮机t=320 t=320 1 12 2或2或23

12、 34 4冷凝器冷凝器P1=7MPa t1=360 P1=7MPa t1=360 2222134134T TS SP2=0.008MPaP2=0.008MPa?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/(kgK);?2点（湿蒸汽）, P2=0.008MPa, 查饱和水蒸气表得?Hg=2577.0kJ/kg Hl=173.88kJ/(kgK)?Sg=8.2287kJ/kg Sl=0.5926kJ/(kgK)?汽轮机作等熵膨胀 S2=S1 =6.2801kJ/(kgK),?S2=Sgx2+(1-x2)Sl?6

13、.2801=8.2287x2+(1-x2) 0.5926 ?x2=0.7448解:?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=sWR=-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

14、=2577.0 x2+(1- x2) 173.9 x2=0.8573?乏气的湿度为 1-0.8573=0.1427 ?3点 0.008MPa饱和液体?H3=173.88kJ/(kgK)S3=0.5926kJ/(kgK)?4点 P4=7MPa, S4=S3=0.5926kJ/(kgK)?查未饱和水性质表?5MPa H S7.5MPa H S4MPa H S40 171.97 0.5705174.18 0.569680 338.85 1.0720340.84 1.0704173.74 0.5698340.44 1.0707741734434074173 569800707156980592604

15、.H . =H4=181.33kJ/kg?水泵所消耗的功水泵所消耗的功?WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg 热效率热效率()28070331815304545748111. QW=+=一. 提高朗肯循环热效率的措施一. 提高朗肯循环热效率的措施HLHs cTT Qw=131214121 HHHH HHHH QwHs =对卡诺循环：对朗肯循环：要使：对卡诺循环：对朗肯循环：要使：(3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率(3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率(1) H(1) H2 2，降低压力P，降低压力P2 2（汽轮机出口蒸汽压力）（汽轮机出口蒸汽压力）(2) H(2) H1 1，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度1.再热循环1.再热循环7 7p2P1Tp32S54p32S5413636QRHwsh+wsL 43243218再热循环的热效率再热循环的热效率RHHSLSHRHHpSLSHs QQww QQwwwQw+=（2）乏汽湿含量减少，干度增加。（2）乏汽湿含量减少，干度增加。结论：（1）提高结论：（1）提高2.回热循