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1、化工热力学动力循环1第1页，本讲稿共47页6 蒸汽动力循环和制冷循环蒸汽动力循环和制冷循环l 本章目的：本章目的：介绍介绍蒸汽动力循环和制冷循环蒸汽动力循环和制冷循环的构成、原的构成、原理及热力计算。理及热力计算。l 要求：要求：1）熟悉、掌握蒸汽动力循环和制冷循环的）熟悉、掌握蒸汽动力循环和制冷循环的构成、原构成、原理理及在及在T-S图图上的表示。上的表示。2）熟悉、掌握循环装置的有关热力计算及气体压缩）熟悉、掌握循环装置的有关热力计算及气体压缩功功计算的方法、步骤。计算的方法、步骤。3）了解热转化为功装置）了解热转化为功装置提高热效率的方法、措施。提高热效率的方法、措施。第2页，本讲稿共4
2、7页6 蒸汽动力循环和制冷循环蒸汽动力循环和制冷循环 4）了解）了解热热-电电装置的装置的节能原理节能原理，背压式透平和凝气背压式透平和凝气式透平的使用。式透平的使用。5）熟悉）熟悉等熵膨胀和节流膨胀等熵膨胀和节流膨胀的的原理及同异原理及同异。6）了解）了解深冷液化分离装置的方法原理。深冷液化分离装置的方法原理。第3页，本讲稿共47页6 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 6.2 制冷循环制冷循环 6.3 气体的压缩气体的压缩 6.4 膨胀过程膨胀过程 6.5 深度冷冻循环深度冷冻循环 第4页，本讲稿共47页 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 6.1
3、.1 理想郎肯循环理想郎肯循环(Rankine Cycle)6.1.2 实际郎肯循环实际郎肯循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施第5页，本讲稿共47页 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环(Rankine Cycle)6.1.2 实际郎肯循环实际郎肯循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施第6页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环 获得动力的能源获得动力的能源：太阳能、风能、潮汐能、：太阳能、风能、潮汐能、水力能、核能、燃料等。转化为电能、机械能。水力能、核能、
4、燃料等。转化为电能、机械能。蒸汽动力循环装置：蒸汽动力循环装置：热能热能-蒸汽蒸汽-机械能机械能-电能电能的转变过程。化工生产中主要是综合用能、节能、的转变过程。化工生产中主要是综合用能、节能、降低能耗、降低成本、提高经济效益。降低能耗、降低成本、提高经济效益。第7页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环 郎肯循环的构成：郎肯循环的构成：锅炉水预热器、锅炉、蒸汽过热器、透锅炉水预热器、锅炉、蒸汽过热器、透平机（涡轮膨胀机）、冷却冷凝器、水泵平机（涡轮膨胀机）、冷却冷凝器、水泵等。等。工质：工质：水水压力：压力：高压高压P1，低压，低压P2。第8页，
5、本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环 1 郎肯循环的基本原理郎肯循环的基本原理123过热器过热器锅炉锅炉水预热器水预热器冷却冷凝器冷却冷凝器透评机透评机泵泵456WsQHQ0WP0ST1234567S4S1P1P2第9页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环（1）1234，高压水，高压水(P1)等压下（自状态点等压下（自状态点1）经过）经过软水预热器、锅炉、蒸汽过热器软水预热器、锅炉、蒸汽过热器吸收热量，吸收热量，成为高温高压的过热蒸汽（状态点成为高温高压的过热蒸汽（状态点4）（2）4-5高温高压过热蒸
6、汽（高温高压过热蒸汽（4）进入）进入透平机透平机绝热可绝热可逆膨胀过程，逆膨胀过程，(P1P2)对外做功对外做功WS。（3）5-6 乏汽在乏汽在冷却冷凝器冷却冷凝器中冷凝为低压下的饱和中冷凝为低压下的饱和水（水（6）。）。第10页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环（4）6-1 冷凝水用泵加压冷凝水用泵加压(P2P1)返回锅炉返回锅炉循环。循环。整个循环过程整个循环过程12345612 循环过程的热力计算（循环过程的热力计算（1kg工质）工质）（1）1 4过程自高温热源过程自高温热源吸收的热量吸收的热量 （2）4 5透平透平作轴功作轴功WSR第1
7、1页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环 （3）5 6乏汽乏汽冷却冷凝冷却冷凝放出热量放出热量 （4）6 1冷凝水冷凝水升压升压消耗功消耗功 若作为不可压缩性流体若作为不可压缩性流体 第12页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环（5）循环过程中工质作出的）循环过程中工质作出的净功净功相当于面积相当于面积1234S4S11-面积面积56S1S45=面积面积1234561。（6）循环过程的）循环过程的热效率热效率0ST1234567S4S1P1P2第13页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环
8、6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环 若忽略泵功作若忽略泵功作近似计算近似计算第14页，本讲稿共47页（7）汽耗率汽耗率(Specific steam consumption)输出输出单位量的功所消耗的蒸汽量。单位量的功所消耗的蒸汽量。6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环 解题思路：解题思路：根据题意绘制根据题意绘制T-S图图 确定各状态点确定各状态点 确确定各状态的定各状态的H,S 进行热力计算。进行热力计算。第15页，本讲稿共47页 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环(Rankine Cycle)6.1.2 实际郎肯循环实
9、际郎肯循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施第16页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.2 实际郎肯循环实际郎肯循环 0ST12345 567S4S1P1P21（1）泵加压为）泵加压为熵增熵增过程过程,由由于泵功小，可忽略不计。于泵功小，可忽略不计。（2）透平机膨胀）透平机膨胀熵增熵增过程过程,等熵效率等熵效率表示表示 一般一般0.80-0.90（3）外部）外部机械损失机械损失 ：一般一般0.86-0.96第17页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.2 实际郎肯循环实际郎肯循环 因此，考虑以上各项损失，循环过程可输出的功为：因此
10、，考虑以上各项损失，循环过程可输出的功为：相应实际汽耗率要高些。相应实际汽耗率要高些。第18页，本讲稿共47页 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 6.1.1 理想郎肯循环理想郎肯循环(Rankine Cycle)6.1.2 实际郎肯循环实际郎肯循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施第19页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施从上式可见从上式可见 其中：其中：s s、m m主要取决于透平机的结构和机主要取决于透平机的结构和机械加工等因素，因此，从工艺角度主要考虑提高械加工等因素，因此，从工艺角度主要
11、考虑提高RanRan。第20页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施1.提高蒸汽的过热温度提高蒸汽的过热温度 0ST1234567S4S1P1P245T第21页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施2.提高锅炉压力提高锅炉压力0ST1234567S4S1P1P24第22页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施3.降低乏汽冷凝压力降低乏汽冷凝压力 向低温热源排放热量减少，向低温热源排放热量
12、减少，所以热效率提高。所以热效率提高。但乏汽压力受冷却水温但乏汽压力受冷却水温度的影响。如当压力为度的影响。如当压力为0.004246MPa时，相应冷时，相应冷凝温度为凝温度为300C。也可采用预热锅炉给水。也可采用预热锅炉给水。0ST1234567S4S1P1P2第23页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施4.采用回热循环采用回热循环 所谓回热循环所谓回热循环-用抽出的部分蒸汽预热锅炉给水，使水的用抽出的部分蒸汽预热锅炉给水，使水的低温预热阶段在锅炉外的回热预热器中进行的循环过程。低温预热阶段在锅炉外的回热预热器中进行的
13、循环过程。是是目前采用较多的，有单级和多级回热循环。目前采用较多的，有单级和多级回热循环。回热循环、再热循环、热回热循环、再热循环、热-电循环等。电循环等。背压式透平背压式透平-乏汽压力大于乏汽压力大于0.1MPa。凝汽式透平凝汽式透平-乏汽压力小于乏汽压力小于0.1MPa。第24页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施4.采用回热循环采用回热循环123过热器过热器锅炉锅炉水预热器水预热器冷却冷凝器冷却冷凝器透评机透评机泵泵456WsQHWP2Q0开式回热预热器开式回热预热器泵泵16WP140ST1234567S4S1P1P
14、2P1416第25页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施4.采用回热循环采用回热循环 抽汽系数：抽汽系数：以以1kg进入透平机的蒸汽为基准，对回热预热进入透平机的蒸汽为基准，对回热预热器作能量衡算。假设保温良好，则器作能量衡算。假设保温良好，则dH=0 0ST1234567S4S1P1P2P1416第26页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施123过热器过热器锅炉锅炉水预热器水预热器冷却冷凝器冷却冷凝器透评机透评机泵泵456WsQHWP2Q0开式回热
15、预热器开式回热预热器泵泵16WP140ST1234567S4S1P1P2P1416第27页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施4.采用回热循环采用回热循环 过程的热效率或称热利用系数过程的热效率或称热利用系数或或第28页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施 采用采用回热和再回热和再热热相结合的循环。相结合的循环。这是目前大这是目前大型蒸汽动力循环型蒸汽动力循环装置采用较多的装置采用较多的循环过程。循环过程。0ST1234567S4S1P1P2P1416
16、S4第29页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施5.热热-电循环装置电循环装置123过热器过热器锅炉锅炉水预热器水预热器背压式背压式透评机透评机泵456WsQHQLWP工艺加热器工艺加热器123过热器过热器锅炉锅炉水预热器水预热器抽凝式抽凝式透评机透评机泵泵456WsQHWP2Q0开式回热预热器开式回热预热器泵泵16WP14工工艺艺加加热热器器QL冷冷却却冷冷凝凝器器第30页，本讲稿共47页 设有开式设有开式回热预热器回热预热器（工艺加热（工艺加热蒸汽冷凝液）蒸汽冷凝液）的热的热-电循电循环过程。环过程。0ST123456
17、7S4S1P1P2P14161-第31页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环6.1.3 提高郎肯循环热效率的措施提高郎肯循环热效率的措施6.热电循环装置热电循环装置 热电循环装置的经济性用热量利用系数热电循环装置的经济性用热量利用系数表示表示注意：注意：这是一个笼统的概念，衡量热这是一个笼统的概念，衡量热-电装置的经济性电装置的经济性时，要同时提供时，要同时提供和和的数值。的数值。第32页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环应用举例应用举例 有一同时供给动力和热能相结合的循环装置，将有一同时供给动力和热能相结合的循环装置，将10.0MPa、833K的过热蒸汽，引入透平机
18、的的过热蒸汽，引入透平机的高压缸高压缸中，绝热可逆膨胀至中，绝热可逆膨胀至1.0MPa抽出部分干蒸汽，流量为抽出部分干蒸汽，流量为3.0kgS-1用于用于工艺加热工艺加热。剩余的蒸汽再过热到。剩余的蒸汽再过热到773K，然后在透平的然后在透平的低压缸低压缸中可逆绝热膨胀到中可逆绝热膨胀到0.005MPa。如。如果需要的动力为果需要的动力为5000kw，试计算：所需蒸汽量；再试计算：所需蒸汽量；再热吸收的热量；此装置的热量利用系数热吸收的热量；此装置的热量利用系数。假设工艺加。假设工艺加热器和冷却冷凝器得到的均为饱和水，分别用泵加压回锅热器和冷却冷凝器得到的均为饱和水，分别用泵加压回锅炉，水泵的
19、功耗忽略不计。炉，水泵的功耗忽略不计。第33页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环解：解：1.循环过程循环过程的的T-S示意图示意图 ykgS-1 3kgS-1123247586T0S10.0MPa 833K1.0MPa 773K0.005MPa5000kw(y-3)kgS-1第34页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环2.由水蒸汽性质表查各状态点的热力学函数由水蒸汽性质表查各状态点的热力学函数 状态点状态点2：10.0MPa、833KH2=3500KJKg-1 S2=6.756KJKg-1K-1 状态点状态点3、8：1.0MPa 2-3为等熵过程为等熵过程H3=286
20、0KJKg-1 H8=763KJKg-1 S2=S 3=6.756KJKg-1K-1 状态点状态点2：1.0MPa 773KH2=3587KJKg-1 S2=7.898KJKg-1K-1第35页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 状态点状态点4：0.005MPa 2-4为等熵过程为等熵过程H7=2561KJKg-1 H5=138KJKg-1 S2=S4=7.898KJKg-1K-1 S7=8.394KJKg-1K-1 S5=0.476KJKg-1K-1 状态点状态点4为低压下的湿蒸汽，根据熵平衡式为低压下的湿蒸汽，根据熵平衡式第36页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循
21、环 ykgS-1 3kgS-1123247586T0S10.0MPa833K1.0MPa 773K0.005MPa5000kw第37页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第38页，本讲稿共47页 ykgS-1 3kgS-1123247586T0S10.0MPa833K1.0MPa 773K0.005MPa5000kw6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第39页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环3.计算：计算：所需蒸汽量：所需蒸汽量：ykgS-1第40页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 再热所吸收的热量：再热所吸收的热量：循环装置的热利用系数循环装置的热利用
22、系数：工质水吸收的总热量工质水吸收的总热量 Q=QQ=QH H+Q+QRHRH求求H1（忽略泵功）（忽略泵功）第41页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 ykgS-1 3kgS-1123247586T0S10.0MPa833K1.0MPa 773K0.005MPa5000kw第42页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环工艺加热器利用的热量：工艺加热器利用的热量：第43页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 ykgS-1 3kgS-1123247586T0S10.0MPa833K1.0MPa 773K0.005MPa5000kw第44页，本讲稿共47页6 蒸
23、汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环 6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 6.2 制冷循环制冷循环 6.3 气体的压缩气体的压缩 6.4 膨胀过程膨胀过程 6.5 深度冷冻循环深度冷冻循环 第45页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环思考题：思考题：1.理想蒸汽动力循环装置主要由哪几个单元设备组成理想蒸汽动力循环装置主要由哪几个单元设备组成？2.试在试在H-S图和图和P-H图上表示出郎肯循环过程。图上表示出郎肯循环过程。3.降低乏汽压力可提高循环过程的热效率，但要注降低乏汽压力可提高循环过程的热效率，但要注意什麽问题？意什麽问题？4.热热-电循环装置为什麽多采用回热、再热相结合
24、，电循环装置为什麽多采用回热、再热相结合，并使用抽凝式透平机？并使用抽凝式透平机？第46页，本讲稿共47页6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环作业：作业：6-1 一郎肯循环蒸汽动力装置，锅炉供给一郎肯循环蒸汽动力装置，锅炉供给2.45MPa 4300C的过热蒸汽，流量为的过热蒸汽，流量为25200Kgh-1，乏汽压力为，乏汽压力为0.0135MPa，冷却水温度为，冷却水温度为210C。假设透平机和泵均。假设透平机和泵均为绝热可逆过程，冷却冷凝器出口为饱和液体。试求：为绝热可逆过程，冷却冷凝器出口为饱和液体。试求：1）透平所做的功；）透平所做的功；2）泵功；）泵功；3）每公斤工质从锅炉）每公斤工质从锅炉所吸收的热量；所吸收的热量；4）若抽出）若抽出13800kgh-1、0.29 MPa的蒸汽作他用，余下的蒸汽继续膨胀到的蒸汽作他用，余下的蒸汽继续膨胀到0.0135 MPa，求透平作的功；，求透平作的功；5）若工质在锅炉沸点）若工质在锅炉沸点2230C吸热，吸热，在在210C冷凝放热，求最大功。冷凝放热，求最大功。第47页，本讲稿共47页