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1、工作原理 循环中工质状态变化 能量转换计算 循环过程热力学分析,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率的途径。,本章内容,讨论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；,制冷循环与获得低于环境温度的操作过程的热力学分析。,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
2、冷， -100 以下为深冷。,前言,如何将1atm 300atm? 需要压缩机，消耗动力。,中国60年代，15001800度电/吨NH3。 中国70年代，仅1030度电/吨NH3。 这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。,蒸汽动力循环的作用：,电,高温热源,废热锅炉，产生高压蒸汽,压缩机 (氢循环压缩机),透平机,卡诺循环的缺点,锅炉加热,4,1,2,3,透平机后的乏气, 汽+液,汽+液,泵,冷凝器,透平机,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X0. 9 但2点的X0.88 易损坏叶片,结论:卡诺循环不适合变热为功!,流体通过压缩机、膨胀机,7.3 蒸汽动力循环,稳定流
3、动体系的热力学第一定理：, u20，g Z0，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。）,7.1 蒸汽动力循环,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。,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。,锅炉,水泵,原理,水压缩,水加热至过热蒸汽,蒸汽作功,蒸汽冷凝 成水,理想Rankine循环,等S膨胀,等S压缩,可逆吸热,相变,3
4、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 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）。,7.1.1 Rankine (朗肯)循环,WS可逆绝热膨胀功,Q1,Q2,WP可逆绝热压缩功,稳流体系,理想Rankine循环,WS 膨胀功,Q1,Q2,WP压缩功,a,b,Q2,WN,Q1,Q1=面积1ba41,Q2=面积2ba32,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550600oC。 Q2受为环境温度的限制。,净功WN= IQ1（面积1ba41）-Q2（面积2ba32）I
5、 =面积12341,a,b,理想Rankine循环,WN,理想Rankine循环的热效率 和气耗率SSC,2、气耗率SSC：Specific Steam Consumption 作出1kW.h净功消耗的蒸气公斤数。,评价动力循环的指标：热效率和气耗率。,1、热效率： 循环的净功与工质向高温热库吸收的热量之比,1,2,3,4,实际Rankine循环,2,4,2 2,4 4,1 2，4 4理想朗肯循环（等熵） 1 2，4 4实际朗肯循环（不等熵）,实际上，工质在汽轮机和水泵中不可能是完全可逆的，即不可能作等熵膨胀或等熵压缩。,这个不可逆性可用等熵效率s来表示。,等熵效率s的定义：“对膨胀作功过程，
6、不可逆绝热过程的做功量与可逆绝热过程的做功量之比。,1,2,3,4,2,4,等熵效率s,实际Rankine循环的热效率,实际Rankine循环,Q2（放热）,Q1吸热,实际Rankine循环,实际与理想Rankine循环的比较,例1 某蒸汽动力装置按理想Rankine循环工作, 锅炉压力为40105Pa, 产生440的过热蒸汽, 乏气压力为0.04105Pa, 蒸汽流量为60t/h, 试求: (1) 过热蒸汽每小时从锅炉中的吸热量与乏气每小时在冷凝器中放出的热量和乏气的湿度 (2) 汽轮机作出的理论功率与泵消耗的理论功率. (3) 循环的热效率和气耗率,1,T,S,2,3,4,5,6）气耗率S
7、SC =3600/-WN,Q2（放热）,Q1 吸热,状态点1：根据P1,T1 值查蒸汽表直接得H1,S1,1,2,3,4,5,各状态点的焓值如何确定？,P1,P2,状态点3：根据P3=P2，且是饱和点，查蒸汽表直接得H3, S3和V3,状态点4：根据S4=S3, 得S4； 根据P4=P1和 得H4,状态点2：根据P2和S2=S1可得H2 注意：状态点2是湿蒸汽H2= xH2g+（1-x) H2L,2点(湿蒸汽),1点(过热蒸汽）,3点(饱和液体),4点(未饱和水),5点(饱和水),计算：1）过热蒸汽每小时从锅炉中的吸热量Q1,2）乏气每小时在冷凝器中放出的热量Q2,3）乏气的湿度,4）汽轮机作
8、出的理论功率PT,1-X=1-0.805=0.195,5）泵消耗的理论功率NP.,6）循环的理论热效率,7）气耗率SSC,例2 有一理想Rankine(朗肯)循环，在40bar和0.08bar的压力之间操作，锅炉产生的是 400的过热蒸气，冷凝器所用的冷却水的温度为25。求1）Q1，Q2；2）透平作的理论功和水泵消耗的理论功，3）热效率，气耗率SSC，并试对此循环作热力学分析。,1,2,3,4,5,气耗率SSC =3600/WN =3.29 （Kg.kw-1.h-1）,=36%,例3： 同例2，但透平机的等熵效率为0.85。,1,2,3,4,2,5,=30.6%,SSC =3600/WN =3
9、.871 （Kg.kw-1.h-1）,由上式计算出H2 其它计算同例1,提高循环的热效率的措施,(1)提高蒸气过热温度,提高蒸气过热温度的影响,提高循环的热效率的措施,(2)提高蒸汽压力,提高循环的热效率的措施,(3)降低乏气压力（背压）,1、降低背压时所增加的功比增加的热量大，因而提高了整个循环的热效率。,2、降低背压会降低乏气的干度，应注意。,7.1.2 Rankine循环的改进,1、回热循环：,1,6,1Kg,1-,锅炉,透平机,水泵,冷凝器,过热器,2,3,4,1,回热 加热器,水泵,2,2,1-,5,6,1Kg,抽出部分蒸汽Kg到回热加热器,回热循环与Rankine循环比较,优点：
10、(1)提高了水在锅炉中吸热的温位，从而增加了蒸汽有效能量，做功本领变大。 (2)整个循环的工质只有一部分通过冷凝器排往自然环境的有效能减少。 (3)减少锅炉热负荷和冷凝器换热面积，节省金属材料。,缺点： 1）中压蒸气和水在水加热器中不可逆混合，损失了部分有效能。 2）设备增加。,总之，利大于弊！,现代蒸汽动力循环普遍采用这种方式。根据需要，可分为多次。,回热循环的计算,计算关键：利用质量守衡和能量守衡计算抽气量。,例题7-3,2、再热循环,7.3.2 Rankine循环的改进,两级透平机；提高了干度。,3、热电循环 使高压蒸汽膨胀做功到某一压力，再提供乏气或 乏气的热量，这种即提供动力又提供热
11、量的循环称为热电循环。 化工生产中，不仅需要动力，还需要不同品位的 热量，所以既提供能量，又提供动力的热电循环 更适用（Rankine循环只提供动力）,7.3.2 Rankine循环的改进,背压式汽轮机联合供电供热循环,背压式汽轮机联合供电供热循环特点： 冷凝器中冷却工质的介质为热用户的介质，不一定是冷却水，冷凝温度由供热温度决定，QL得以利用； 排气压力受供热温度影响，较朗肯循环排气压力高,热电循环效率,抽气式汽轮机联合供电供热循环,抽气式汽轮机联合供电供热循环特点： 工质部分供热,部分作功； 供热量与乏汽无关； 热电循环效率为：,WS=(1-)(H3- H2)+(H2-H1),制冷循环,制
12、冷循环：利用机械功使热量从低温高温的过程。 利用制冷循环达到两种目的： 1）制冷 使指定的空间保持低于环境的温度，热量从低温空间转移到高温环境。夏天的房间、冰箱。 制冷机 2）加热 使指定的空间保持高于环境的温度，热量从低温环境转移到高温空间。冬天的房间。 热泵,夏天,低温房间,高温环境,热量,制冷机,冬天,高温房间,低温环境,热量,热泵,应用：,7.4 制冷循环,7.4.1 蒸汽压缩制冷循环 7.4.2 吸收制冷循环 7.4.3 热泵的工作原理,消耗外功,消耗热能,7.4.1蒸汽压缩制冷循环,蒸汽压缩制冷循环是由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成。制冷循环的工质采用低沸点物质作为制冷剂。如：
13、氟里昂R22（CHClF2）的Tb=-40.80 ，N2 的Tb=-195.75 利用制冷剂在冷凝器中的液化和在蒸发器中的汽化，实现在高温下排热，低温下吸热过程。,q0,q2,冰箱冷冻室提供q0,通过冰箱散热片向大气排出q2,7.4.1蒸汽压缩制冷循环,理想制冷循环(可逆制冷)即为逆卡诺循环。 四个可逆过程构成：,1-2：绝热可逆压缩, 从T1升温至T2，等熵过程，消耗外功WS 2-3： 等温可逆放热(q2）； 3-4： 绝热可逆膨胀，从T2降温至T1，等熵过程，对外作功 4-1：等温可逆吸热(q0）,S,T,3,2,1,4,T1,T2,1、逆向卡诺循环,压 缩 机,蒸发器,节 流 阀,冷凝器
14、,WS,q0,q2,7.3.1 蒸汽动力循环,蒸汽动力循环原理,逆卡诺循环的缺点： （1）12和34的过程会形成液滴，在压缩机和膨胀机的气缸中产生“液击”现象，容易损坏机器； （2）实际过程难以接近四个可逆过程； 问题：如何改进？,1、逆向卡诺循环,2、蒸汽压缩制冷循环,蒸汽压缩制冷循环由四步构成： 12 低压蒸汽的压缩 24 高压蒸汽的冷凝 45 高压液体的节流膨胀，P ，T 51低压液体的蒸发,蒸汽压缩制冷循环对逆卡诺循环的改进： 1）把绝热可逆压缩过程12安排在过热蒸汽区，使湿蒸汽变为干气。即“干法操作”。 2）把原等熵膨胀过程改为45的等焓节流膨胀过程，节流阀的设备简单、操作易行。,T
15、1=T5=蒸发温度,T3=T4=冷凝温度,节流膨胀 （等H）,等S膨胀,2,4,1,3,5,q0,q2,3、蒸汽压缩制冷循环几个重要指标,1）单位制冷量q0(在蒸发器中吸收的热量),T,S,3,2,1,4,循环的H = 0，故,例6 试求工作于两个恒温热库高温TH和低温TL间的理想制冷循环即逆向卡诺(Carnot)循环的放热量q2，制冷量q0以及制冷系数C。,TH,TL,结论： 逆向卡诺循环的制冷系数C仅是温度(蒸发温度TL和冷凝温度TH的函数，与工质性质无关。 在相同温度区间TL, TH 工作的任何制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数C为最大。 它可作为一切实际循环的比较标准。,例7 有一氨冷冻循环装置，其制冷能力（冷冻量）为105 kJh-1，蒸发温度-15，冷凝温度30 。假设压缩机绝热可逆运行，求1）制冷剂的循环量；2）压缩机功耗和处理的蒸气量；3）冷凝器热负荷；4）节流阀后制冷剂中蒸气的含量；5）循环制冷系数；6） C,解：关键是要确定1,2,3,4,5点的状态,单级蒸汽压缩制冷循环图,温熵图,压焓图,由氨的饱和蒸汽表查取有关数据： 1点： T1=-15 H1=1664kJ/kg； S1=9.021kJ/kgK v1=0.506m3/kg,
