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1、蒸汽动力循环和制冷循环蒸汽动力循环和制冷循环第1页，共51页，编辑于2022年，星期二6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环汽轮机水泵冷凝器锅炉第2页，共51页，编辑于2022年，星期二能量分析能量分析能量分析能量分析 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3页，共51页，编辑于2022年，星期二能量分析能量分析能量分析能量分析 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4页，共51页，编辑于2022年，星期二能量分析能量分析能量分析能
2、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5页，共51页，编辑于2022年，星期二Energy Analysis 能量分析能量分析能量分析能量分析 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6页，共51页，编辑于2022年，星期二理想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
3、指标。第7页，共51页，编辑于2022年，星期二汽耗率汽耗率 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。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8页，共51页，编辑于2022年，星期二工质为水蒸气工质为水蒸气 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9页，共51页，编辑于2022年，星期二计算方法计算方法状态点 1,根据P1、t1 值可查得 H1、S1值;状态点 2,S2=S1,根据P2
4、、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10页，共51页，编辑于2022年，星期二 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11页，共51页，编辑于2022年，星期二实际 Rankine 循环的热效
5、率第12页，共51页，编辑于2022年，星期二例例例例6-16-1 某某一一理理想想的的Rankine循循外外，锅锅炉炉的的压压力力为为4MPa，产产生生440过过热热蒸蒸汽汽,汽汽轮轮机机出出口口压压力力为为0.004MPa,蒸蒸汽流量汽流量60t/h,求求 （1）过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量；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；）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；）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。）循环的热效率。第13页，共51页，编辑于2022年，星期二（1）确定各点的
6、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/(kgK);2点（湿蒸汽）,P2=4kPa,S2=S1=6.9041kJ/(kgK),查饱和水蒸气表得 Hg=2554.4kJ/kg Hl=121.46kJ/(kgK)Sg=8.4746kJ/kg Sl=0.4226kJ/(kgK)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第14页，共51页，编辑于2022年，星期二
7、3点（饱和液体）P3=4kPa H3=Hl=121.46 kJ/kg S3=Sl=0.4226kJ/(kgK)4点（未饱和水）方法1 H4=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/(kgK),查未饱和水性质表 第15页，共51页，编辑于2022年，星期二H2=126.1kJ/kg2.5MPaH S5MPaH S4MPaH S20 86.30 0.2961 88.65 0.295640 169.77 0.5715171.97 0.570587.71 0.2958171.0
8、9 0.5709第16页，共51页，编辑于2022年，星期二（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17页，共51页，编辑于2022年，星期二 水泵消耗的理论功率水泵消耗的理论功率 热效率热效率第18页，共51页，编辑于2022年，星期二 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Q
9、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 t020 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5104kW，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19页，共51页，编辑于2022年，星期二1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.
10、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 6.2801=8.2287x2+(1-x2)0.5926 x2=0.7448第20页，共51页，编辑于2022年，星期二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
11、轮机作实际膨胀过程1-2所作的功 WsWs=sWR=-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x2H2=Hgx2+(1-x2)Hl2234.1=2577.0 x2+(1-x2)173.9 x2=0.8573第21页，共51页，编辑于2022年，星期二 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 5
12、MPaH S7.5MPaH S4MPaH S40 171.97 0.5705174.18 0.569680 338.85 1.0720340.84 1.0704173.74 0.5698340.44 1.0707H4=181.33kJ/kg第22页，共51页，编辑于2022年，星期二水泵所消耗的功水泵所消耗的功WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg热效率热效率第23页，共51页，编辑于2022年，星期二通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率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
13、提高蒸汽的过热温度 在在相相同同的的蒸蒸汽汽压压力力下下，提提高高蒸蒸汽汽的的过过热热温温度度时时,可可提提高高平平均均吸吸热热温温度度，增增大大作作功功量量，提提高高循循环环的的热热效效率率，并并且且可可以以降降低低汽汽耗耗率率。同同时时乏乏气气的的干干度度增增加加，使使透透平平机机的的相相对对内内部部效效率率也也可可提提高高。但但是是蒸蒸汽汽的的最最高高温温度度受受到到金金属属材材料料性性能能的的限限制制，不能无限地提高，一般过热蒸汽的最高温度以不超不能无限地提高，一般过热蒸汽的最高温度以不超873K为宜。为宜。第24页，共51页，编辑于2022年，星期二 2.提高蒸汽的压力 当蒸汽压力提
14、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25页，共51页，编辑于2022年，星期二6.2 6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀节流膨胀与作外功的绝热膨胀6.2.1节流膨胀 H=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26页，共51页，编辑于2022年，星期二J 0 节流后温度降低J=0 节流后温度不变J 0 节
15、流后温度升高理想气体 J=0 实际气体实际气体 J 值可为正值、负值或零值可为正值、负值或零第27页，共51页，编辑于2022年，星期二 6.2.2 作外功的绝热膨胀作外功的绝热膨胀 等熵膨胀效应系数等熵膨胀效应系数 s 必必为为正正值值。气气体体进进行行等等熵熵膨膨胀胀时时，对对外外做做功功，膨胀后气体温度总是下降。膨胀后气体温度总是下降。第28页，共51页，编辑于2022年，星期二6.3 制冷循环制冷循环高温高温 环境环境低温低温 环境环境第29页，共51页，编辑于2022年，星期二6.3.1 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环1 逆向逆向Carnot循环循环蒸发器冷凝器膨胀机q0q2压缩机
16、1234T1T2TS1234第30页，共51页，编辑于2022年，星期二循环的吸热量循环的吸热量q0=TL(S1-S4)循环的放热量循环的放热量 q2=TH(S3-S2)=-TH(S1-S4)HqWS制冷剂完成一个循环制冷剂完成一个循环 H0，净功为，净功为制冷系数制冷系数TLTHTS1234第31页，共51页，编辑于2022年，星期二 逆卡诺循环逆卡诺循环 逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。在在相相同同温温度度区区间间工工作作的的制制冷冷循循环环，以以逆逆卡卡诺诺循循环环的的制制冷冷系系数为最大。数为最大。制冷循环中，高温
17、下放热量大于低温下吸热量。制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。第32页，共51页，编辑于2022年，星期二 某某蒸蒸汽汽压压缩缩制制冷冷过过程程,制制冷冷剂剂在在5K吸吸收收热热量量QL,在在K放放出出热热量量-QH,压压缩缩和和膨膨胀胀过过程程是是绝绝热热的的，向向制制冷冷机机输输入入的的净净功功为为WN，判判断断下下列列情情况况是是 A可逆的可逆的 B 不可逆的不可逆的 C 不可能的不可能的 （1）QL=2000kJ WN=400kJ （2）QL=1000kJ QH=1500kJ （3）WN=100kJ QH=700kJ（1）该制冷过程是可逆的该制冷过程是可逆的 第33页，共51页，
18、编辑于2022年，星期二 （2）QL=1000kJ QH=1500kJ （3）WN=100kJ QH=700kJ 该制冷过程是不可逆的该制冷过程是不可逆的 该制冷过程是不可能的该制冷过程是不可能的 第34页，共51页，编辑于2022年，星期二2 单级蒸汽压缩制冷单级蒸汽压缩制冷蒸发盘管蒸发盘管冷冻室冷冻室冷凝盘管冷凝盘管压缩机压缩机毛细管毛细管第35页，共51页，编辑于2022年，星期二高温高温 环境环境低温低温 冷室冷室蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器第36页，共51页，编辑于2022年，星期二高温高温 环境环境低温低温 冷室冷室蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器第37页，共51页，编辑于2022年，星期二1
19、-2 可逆绝热压缩过程可逆绝热压缩过程 Ws=H2 H1 kJ/kg2-4 等压冷却、冷凝过程等压冷却、冷凝过程 q2=H4-H2kJ/kg4-5 节流膨胀过程节流膨胀过程 H5=H44-1 等压、等温蒸发过程等压、等温蒸发过程 q0=H1 H5 kJ/kg制冷系数制冷系数T0TTS12345焓值：查图、表或计算焓值：查图、表或计算第38页，共51页，编辑于2022年，星期二 若若制制冷冷剂剂的的“制制冷冷能能力力”为为Q0 kJ/h，那那么么，制制冷剂的循环量为冷剂的循环量为 压缩机消耗的功率压缩机消耗的功率第39页，共51页，编辑于2022年，星期二 某某压压缩缩制制冷冷装装置置，用用R1
20、34a作作为为制制冷冷剂剂，蒸蒸发发器器中中的的温温度度为为-25，冷冷却却器器中中的的压压力力为为1.0MPa，假假定定R134a进进入入压压缩缩机机时时为为饱饱和和蒸蒸汽汽，而而离离开开冷冷凝凝器器时时为为饱饱和和液液体体，压压缩缩过过程程按按绝绝热热可可逆逆计计算算，每每小时制冷量小时制冷量Q0为为1.67105 kJh-1。求：（求：（1）所需的制冷剂流率；）所需的制冷剂流率；（2）制冷系数。）制冷系数。1点点-25 饱和蒸汽饱和蒸汽 查表得查表得 H1231.9kJ/kg S1 0.9367kJ/(kgK)T0TTS12345第40页，共51页，编辑于2022年，星期二第41页，共5
21、1页，编辑于2022年，星期二 2点点 P2 1MPa，S2 S1 0.9367kJ/(kgK)查表得查表得 H2 278.7 kJ/kg T0TTS12345第42页，共51页，编辑于2022年，星期二第43页，共51页，编辑于2022年，星期二 4 点点 1MPa饱和液体饱和液体 查表得查表得 H4 104.2 kJ/kg T0TTS12345第44页，共51页，编辑于2022年，星期二第45页，共51页，编辑于2022年，星期二 H1231.9kJ/kg H2 278.7 kJ/kg H4 104.2 kJ/kg H5 H4T0TTS12345第46页，共51页，编辑于2022年，星期二
22、 T0TTS12345254第47页，共51页，编辑于2022年，星期二3 3 制冷剂制冷剂制冷剂制冷剂 RefrigerantsRefrigerants制冷剂的选择原则：制冷剂的选择原则：（1）潜热要大。）潜热要大。（2）操作压力要合适。即冷凝压力（高压）不要过高，）操作压力要合适。即冷凝压力（高压）不要过高，蒸发压力（低压）不要过低。蒸发压力（低压）不要过低。（3）化学稳定性、不）化学稳定性、不易燃、不分解、无易燃、不分解、无腐蚀性。腐蚀性。（4）价格）价格低低。（5）冷冻剂对环境应该无公害。）冷冻剂对环境应该无公害。第48页，共51页，编辑于2022年，星期二1 Conventional
23、 refrigerants:NH3CH3ClCO2C3H82 Chloro Fluoro Carbons CFCsCFCl3(R-11)CF2Cl2(R-12)第49页，共51页，编辑于2022年，星期二大气：大气：O2 2 OO+O2 O3 ozoneCFCs:CFCl3+UV light CCl2F+ClCl+O3 O2+ClOClO+O Cl+O2第50页，共51页，编辑于2022年，星期二3 Hydro Chloro Fluoro Carbons HCFCs:CHCl2F(R-22)CHCl2CF3(R-123)4(Hydro)Fluoro Carbons HFCs CF4(R-14)CHF3(R-23)CF3F3(R-116)CHF2CHF2(R-134a)第51页，共51页，编辑于2022年，星期二