蒸汽动力循环和制冷循环

蒸汽动力循环和制冷循环第一页，共五十一页，2022年，8月28日6.1蒸汽动力循环汽轮机水泵冷凝器锅炉第二页，共五十一页，2022年，8月28日能量分析

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。

汽轮机水泵冷凝器锅炉第三页，共五十一页，2022年，8月28日能量分析

Condensor冷凝器

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。

汽轮机水泵冷凝器锅炉第四页，共五十一页，2022年，8月28日能量分析

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，需要消耗的轴功把水看作是不可压缩流体，则

汽轮机水泵冷凝器锅炉第五页，共五十一页，2022年，8月28日EnergyAnalysis能量分析

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

汽轮机水泵冷凝器锅炉第六页，共五十一页，2022年，8月28日理想Rankine循环的热效率蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量

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。第七页，共五十一页，2022年，8月28日汽耗率作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用SSC(SpecificSteamConsumption)表示。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。第八页，共五十一页，2022年，8月28日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。第九页，共五十一页，2022年，8月28日计算方法状态点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;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)第十页，共五十一页，2022年，8月28日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。第十一页，共五十一页，2022年，8月28日实际Rankine循环的热效率第十二页，共五十一页，2022年，8月28日例6-1

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。第十三页，共五十一页，2022年，8月28日（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）,P2=4kPa,S2=S1=6.9041kJ/(kg·K)

,查饱和水蒸气表得Hg=2554.4kJ/kgHl=121.46kJ/(kg·K)

Sg=8.4746kJ/kgSl=0.4226kJ/(kg·K)

Vl=1.004cm3/g2点处的干度为x8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041x=0.8050H2=2554.4×0.805+(1-0.805)×121.46=2080.0第十四页，共五十一页，2022年，8月28日3点（饱和液体）P3=4kPaH3=Hl=121.46kJ/kgS3=Sl=0.4226kJ/(kg·K)4点（未饱和水）方法1H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)=121.46+0.001004×(4000-4)=125.5kJ/kg方法2已知P4=4MPa,S4=S3=0.4226kJ/(kg·K),查未饱和水性质表第十五页，共五十一页，2022年，8月28日H2=126.1kJ/kg2.5MPaHS5MPaHS4MPaHS20℃86.300.296188.650.295640℃169.770.5715171.970.570587.710.2958171.090.5709第十六页，共五十一页，2022年，8月28日（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(H2-H3)=60×103×(2080.0-121.5)=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

第十七页，共五十一页，2022年，8月28日

水泵消耗的理论功率

热效率第十八页，共五十一页，2022年，8月28日例6-2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。第十九页，共五十一页，2022年，8月28日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）,P2=0.008MPa,查饱和水蒸气表得Hg=2577.0kJ/kgHl=173.88kJ/(kg·K)

Sg=8.2287kJ/kgSl=0.5926kJ/(kg·K)

汽轮机作等熵膨胀S2=S1=6.2801kJ/(kg·K)

,S2=Sgx2+(1-x2)Sl6.2801=8.2287x2+(1-x2)×0.5926x2=0.7448第二十页，共五十一页，2022年，8月28日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WRWR=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WsWs=ηsWR=-1081.8×0.75=-811.4kJ/kg

Ws=H2´-H1H2´=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´)Hl2234.1=2577.0x2´+(1-x2´)173.9x2´=0.8573第二十一页，共五十一页，2022年，8月28日乏气的湿度为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

5MPaHS7.5MPaHS4MPaHS40℃171.970.5705174.180.569680℃338.851.0720340.841.0704173.740.5698340.441.0707H4=181.33kJ/kg第二十二页，共五十一页，2022年，8月28日水泵所消耗的功WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg热效率第二十三页，共五十一页，2022年，8月28日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。第二十四页，共五十一页，2022年，8月28日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。第二十五页，共五十一页，2022年，8月28日6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀6.2.1节流膨胀

ΔH=0流体进行节流膨胀是，由于压力变化而引起的温度变化称为节流效应或Joule-thomson效应第二十六页，共五十一页，2022年，8月28日μJ﹥0节流后温度降低μJ=0节流后温度不变μJ﹤0节流后温度升高理想气体μJ=0实际气体μJ值可为正值、负值或零第二十七页，共五十一页，2022年，8月28日

6.2.2作外功的绝热膨胀

等熵膨胀效应系数μs必为正值。气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体温度总是下降。第二十八页，共五十一页，2022年，8月28日6.3制冷循环高温环境低温环境第二十九页，共五十一页，2022年，8月28日6.3.1蒸汽压缩制冷循环1逆向Carnot循环蒸发器冷凝器膨胀机q0q2压缩机1234T1T2TS1234第三十页，共五十一页，2022年，8月28日循环的吸热量q0=TL(S1-S4)循环的放热量q2=TH(S3-S2)=-TH(S1-S4)⊿H＝q＋WS制冷剂完成一个循环⊿H＝0，净功为制冷系数TLTHTS1234第三十一页，共五十一页，2022年，8月28日

逆卡诺循环

逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。在相同温度区间工作的制冷循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最大。制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。

第三十二页，共五十一页，2022年，8月28日

某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在２5０K吸收热量QL,在３００K放出热量-QH,压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的净功为WN，判断下列情况是

A可逆的B不可逆的C不可能的（1）QL=2000kJWN=400kJ

（2）QL=1000kJQH=－1500kJ

（3）WN=100kJQH=－700kJ（1）该制冷过程是可逆的

第三十三页，共五十一页，2022年，8月28日

（2）QL=1000kJQH=－1500kJ

（3）WN=100kJQH=－700kJ该制冷过程是不可逆的

该制冷过程是不可能的

第三十四页，共五十一页，2022年，8月28日2单级蒸汽压缩制冷蒸发盘管冷冻室冷凝盘管压缩机毛细管第三十五页，共五十一页，2022年，8月28日高温环境低温冷室蒸发器冷凝器第三十六页，共五十一页，2022年，8月28日高温环境低温冷室蒸发器冷凝器第三十七页，共五十一页，2022年，8月28日1-2可逆绝热压缩过程Ws=H2－H1kJ/kg2-4等压冷却、冷凝过程q2=H4-H2kJ/kg4-5节流膨胀过程H5=H44-1等压、等温蒸发过程q0=H1－H5kJ/kg制冷系数T0TTS12345焓值：查图、表或计算第三十八页，共五十一页，2022年，8月28日若制冷剂的“制冷能力”为Q0kJ/h，那么，制冷剂的循环量为

压缩机消耗的功率第三十九页，共五十一页，2022年，8月28日某压缩制冷装置，用R134a作为制冷剂，蒸发器中的温度为-25℃，冷却器中的压力为1.0MPa，假定R134a进入压缩机时为饱和蒸汽，而离开冷凝器时为饱和液体，压缩过程按绝热可逆计算，每小时制冷量Q0为1.67×105

kJ·h-1。求：（1）所需的制冷剂流率；（2）制冷系数。

1点-25℃饱和蒸汽查表得H1＝231.9kJ/kgS1＝0.9367kJ/(kg·K)T0TTS12345第四十页，共五十一页，2022年，8月28日第四十一页，共五十一页，2022年，8月28日

2点P2

＝1MPa，S2

＝S1

＝0.9367kJ/(kg·K)

查表得H2

＝278.7kJ/kg

T0TTS12345第四十二页，共五十一页，2022年，8月28日第四十三页，共五十一页，2022年，8月28日

4点1MPa饱和液体查表得H4

＝104.2kJ/kg

T0TTS12345第四十四页，共五十一页，2022年，8月28日第四十五页，共五十一页，2022年，8月28日

H1＝231.9kJ/kgH2

＝278.7kJ/kgH4

＝104.2kJ/kgH5

＝H4T0TTS1