第六章蒸汽動力循環與制冷循環

6.1蒸汽動力循環

一.蒸汽動力循環為正向卡諾循環二.蒸汽動力循環

1.工作原理及T-S圖蒸汽動力循環的主要設備有：透平機（汽輪機）冷凝器水泵鍋爐、過熱器等組成工作介質一般為水水泵鍋爐1234P1T1的高壓高溫蒸汽進入氣輪機等熵膨脹到狀態2，同時對外做功，2點狀態為乏汽從汽輪機流出后進入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潛熱而變為該壓力下的飽和水，放出的熱量由冷卻水帶走，達到狀態3，飽和水經水泵升壓到P1進入鍋爐，在鍋爐吸收熱量，使工質變化到狀態1，完成一個循環。

氣輪機冷凝器T-S圖QHQLWsTT吸T放S

問題在于：（1）濕蒸汽對汽輪機和水泵有浸蝕作用，汽輪機帶水量不得超過10%，水泵不能帶入蒸汽進泵；（2）絕熱可逆過程實際上難以實現。第一個具有實際意義的蒸汽動力循環是郎肯循環。1234（1）工質進汽輪機狀態不同（2）膨脹過程不同2.郎肯循環（3）工質出冷凝器狀態不同（4）壓縮過程不同（5）工作介質吸熱過程不同郎肯循環：飽和水郎肯循環：不可逆絕熱過程，若忽略掉工作介質水的摩擦與散熱，可簡化為可逆過程。郎肯循環：不可逆吸熱過程，沿著等壓線變化卡諾循環：濕蒸汽卡諾循環：等熵過程卡諾循環：氣液共存卡諾循環：等熵過程卡諾循環：等溫過程郎肯循環也是由四個步驟組成，與卡諾循環不同表現在郎肯循環：干蒸汽郎肯循環：不可逆絕熱過程1—2’

對應于汽輪機

2’—3冷凝器進行，在冷凝器里冷卻水把工作介質的熱量帶走使其由氣體轉變為液體。

3—4

水泵中進行

4—1鍋爐進行，水在鍋爐中恒壓加熱。122’34ST水

3.郎肯循環過程的熱力學計算

∴(1)工作介質在鍋爐中吸熱量kJ/kg(2)工作介質在冷凝器中排放的熱量kJ/kg（理想）(3)汽輪機工作介質的單位產功量（理想）kJ/kg∵

(4)水泵中工作介質的單位耗功量

kJ/kg由于液態水的不可壓縮性，水泵中工作介質耗功量可按下列式近似計算(5)熱效率定義：鍋爐中所提供的熱量中轉化為凈功的量數學式：4.應用舉例例6-2

某核動力循環如圖所示，鍋爐從溫度為320℃

的核反應堆吸入熱量Q1產生壓力為7MPa、溫度為360℃

的過熱蒸汽（點1），過熱蒸汽經汽輪機膨脹做功后于0.008MPa壓力下排出（點2），乏氣在冷凝器中向環境溫度t0=20℃

下進行定壓放熱變為飽和水（點3），然后經泵返回鍋爐（點4）完成循環，已知汽輪機的額定功率為15104kW,汽輪機作不可逆的絕熱膨脹,其等熵效率為0.75,而水泵可認為作可逆絕熱壓縮,試求:(1)此動力循環中蒸汽的質量流量;(2)汽輪機出口乏氣的濕度;(3)循環的熱效率.補充例題:某蒸汽動力裝置產生的過熱蒸汽壓力為8600kPa，溫度為5000C。此蒸汽進入透平機絕熱膨脹作功，透平排出乏氣壓力為10kPa。乏氣進入冷凝器全部冷凝為飽和液態水，然后泵入鍋爐。試求：（1）理想朗肯循環的熱效率；（2）已知透平和泵的等熵效率為0.75，試求在上述條件下實際動力循環的熱效率；（3）設計要求實際動力循環輸出的軸功率為8000kW，試求蒸汽的流量以及鍋爐和冷凝器的傳熱速率。分析：循環過程輸出的凈功工質從高溫熱源所吸收的熱實際輸出軸功率循環過程輸出的凈功鍋爐和冷凝器的傳熱速率，即單位時間鍋爐和冷凝器所傳遞的熱量。解：首先根據題意畫出循環的T-S圖。

從水蒸汽表可查得8600kPa，5000C的過熱蒸汽的h2=3390.9kJ·kg-1，s2=6.6858kJ·kg-1·K-1。（1）過熱蒸汽在透平中為等熵膨脹過程，因此：點２為濕蒸汽，所以：查壓力為10kPa，溫度為45.830C飽和水蒸氣表得：Ｘ2=0.80467同理：透平等熵膨脹作出的可逆軸功為：已知：h4=hl=191.83kJ·kg-1所以，冷凝過程的傳熱量為：水泵所消耗的可逆軸功：查飽和水蒸氣表得：v4=1010m3·kg-1根據熱力學第一定律得：鍋爐的吸熱量為：朗肯循環提供的凈功為：朗肯循環的熱效率為：（2）已知透平的等熵效率為0.75所以：水泵耗功為：所以：鍋爐吸收的熱量為：輸出凈功：實際循環的熱效率：（3）一.

提高郎肯循環熱效率的措施對卡諾循環：對郎肯循環：(3)使吸熱過程向卡諾循環靠近，以提高熱效率

要使η↑：(1)H2↓，降低壓力P2（汽輪機出口蒸汽壓力）(2)H1↑，提高汽輪機進口蒸汽的壓力或溫度1.再熱循環7QRHwsh+wsL4321p2P1Tp32S541368再熱循環的熱效率（2）乏汽濕含量減少，干度增加。

結論：（1）η提高1234562’1kgαkg(1-α)kgTS123456水2’αkg(1-α)kg2.回熱循環（2）熱效率提高，但設備成本提高。回熱循環的熱效率：抽氣量α取回熱器作能量衡算結論：（1）減少了工作介質吸熱過程的溫差（不可逆），由TH-T4

減少到TH-T63.

熱電循環分為兩種：（1）

背壓式汽輪機聯合供電供熱循環特點：①冷凝器中冷卻工質的介質為熱用戶的介質（不一定是冷卻水）冷凝溫度由供熱溫度決定，QL得以利用；②排氣壓力受供熱溫度影響，較郎肯循環排氣壓力高,大于大氣壓力；③熱電循環效率=循環熱效率+提供熱用戶的熱量/輸入的總熱量。鍋爐汽輪機12342134TSqLqHWS（2）

抽氣式汽輪機聯合供電供熱循環特點：①工質部分供熱，部分作功②供熱量與乏汽無關③熱電循環效率

TS12345671冷凝器汽輪機熱用戶鍋爐水泵水泵加熱器234567P’αα1-α(1-α)kg4.應用舉例例6-4某化工廠采用如下的蒸汽動力裝置以同時提供動力和熱能。已知汽輪機入口的蒸汽參數為3.5MPa,435℃,冷凝器的壓力為0.004MPa,中間抽汽壓力P’為0.13MPa,抽汽量為10kg/s,其中一部分進入加熱器,將鍋爐給水預熱到抽汽壓力P’下的飽和溫度,其余提供給熱用戶,然后冷凝成飽和水返回鍋爐循環使用。已知該裝置的供熱量是50103kJ/h.試求此蒸汽動力循環裝置的熱效率與能量利用系數。TS1234567P’1冷凝器汽輪機熱用戶鍋爐水泵水泵加熱器234567P’αα-αhαh6.2節流膨脹與作外功的絕熱膨脹

一.

節流膨脹過程高壓流體經過節流閥后迅速膨脹到低壓的過程稱為節流膨脹。1.

特點：等焓過程由熱力學第一定律：

Q=0（來不及傳熱），Ws=0（不做功）若忽略掉動能、位能的影響∴ΔH=0對于H=f（T，P）∵P發生變化∴T也隨之發生變化（1）

定義式流體節流時，由于壓力變化而引起的溫度變化，稱為微分節流效應2.微分節流效應（焦湯效應）（6-12）數學式：節流過程：∵H=f（T，P）（6-13）時，故(2)節流膨脹致冷的可能性①

對理想氣體=0∵PV=RTV=RT/P這說明了理想氣體在節流過程中溫度不發生變化

②

真實氣體有三種可能的情況，由定義式知當μJ>0時，表示節流后壓力下降，溫度也下降致冷當μJ=0時，表示節流后壓力下降，溫度不變化當μJ<0時，表示節流后壓力下降，溫度上升，致熱不產生溫度效應（3）

結論①

節流膨脹過程的主要特征是等焓過程；②

理想氣體節流時溫度不變，不能用于致冷、致熱；③

真實氣體節流效應取決于氣體的狀態，在不同的狀態下節流，具有不同的微分節流效應值。3轉化點，轉化曲線轉化點：當時，（T，P）所對應的點。圖示：

致冷區

PT等H線μJ>0μJ<0μJ=0T↗致熱區T↘轉化曲線:將各轉化點聯結起來所組成的曲線.在轉化曲線左側，等焓線上，隨P↘，T↘，μJ>0，致冷區在轉化曲線右側，等焓線上，隨P↘，T↗，μJ<0，致熱區轉化線上,μJ=04積分節流效應（6-14）積分節流效應的求法:三種（1）

公式法若p變化不太大，μJ為常數若p變化大，μJ不為常數，用式（6-14）計算，但很麻煩，一般不用。

(2)T-S圖法P1P2T1T2ST(3)

利用經驗公式估算

對于空氣，當壓力變化不太大時，不考慮溫度的影響，可直接按下式近似估算：式中：壓力單位為大氣壓atm，溫度單位為熱力學溫度開爾文。對于不同的流體，其表達式不同。等H線二.對外作功的絕熱膨脹

1.可逆絕熱膨脹特點：等熵過程(1)微分等熵溫度效應定義式：（6-15）(2)等熵膨脹致冷的可能性對于定組成單相體系，自由度為2，S=f（T，P）對于等熵過程：

∴μS恒大于0（Maxwell第一關系式）（6-16）說明了任何氣體在任何狀態下經絕熱膨脹，都可致冷。這與節流膨脹不同。

這就說明了在相同條件下等熵膨脹系數大于節流膨脹系數,因此由等熵膨脹可獲得比節流膨脹更好的致冷效果.將（6-16）式與（6-13）式比較，得∵任何氣體均有V>0Cp>0∴恒大于零.①

利用積分等熵溫度效應(3)積分等熵溫度效應等熵膨脹時，壓力變化為有限值所引起的溫度變化，稱之。計算積分等熵溫度效應的方法有4種：②

理想氣體的積分等熵溫度效應ΔTS

在有T-S圖時，最方便的方法是由T-S圖讀取ΔTS對于理想氣體絕熱可逆過程③

T-S圖法P1P2T1T2TS

④用等焓節流效應計算若Cp=const2.不可逆對外做功的絕熱膨脹

對活塞式膨脹機當t<30℃ηs=0.65當t>30℃ηs=0.7～0.75對透平機ηs=0.8～0.85不可逆對外做功的絕熱膨脹的溫度效應介于等熵膨脹效應和節流膨脹效應之間。ST122’∵絕熱Q=0三.等熵膨脹與節流膨脹的比較

122’0TSP1P21.等熵膨脹與氣體的屬性及狀態無關，對任何氣體任何狀態都產生制冷效應。QOS=Ho-H2=(Ho-H1)+(H1-H2)=QOH+WR制冷量：QOS>QOHQOH=Ho-H2’=Ho-H12.3.設備與操作節流膨脹：簡單，針形閥等熵膨脹：復雜，需要低溫潤滑油。4.操作條件與運行情況一般大、中型企業這兩種都用，小型企業用節流膨脹這兩種膨脹過程是制冷的依據，也是氣體液化的依據。6.3制冷循環

當冷凍溫度大于-100℃

，稱普通冷凍。小于-100℃稱深度冷凍。一.制冷循環為逆向卡諾循環正向卡諾循環：工質吸熱溫度大于工質放熱溫度。逆向卡諾循環：工質吸熱溫度小于工質放熱溫度。等溫蒸發等溫冷凝TS1234T放T吸WS耗功過程：耗功量最小。實際過程的耗功量要大于逆向卡諾循環的耗功量二.蒸汽壓縮制冷循環

1.

工作原理及T-S圖主要設備有：壓縮機冷凝器膨脹機（節流閥）蒸發器四部分組成。

在制冷過程中，要涉及到相變、工質、壓力、沸點等問題蒸發器冷凝器壓縮機膨脹機或節流閥1234QHQL載冷體特點：傳熱過程可逆(1)卡諾壓縮制冷循環壓縮、膨脹過程可逆由熱力學第一定律：循環過程故：定義：消耗單位功所獲得的冷量。

衡量制冷效果好壞的一個技術指標是制冷系數。卡諾壓縮制冷循環制冷系數

制冷系數與冷卻溫度TH和載冷體（被冷物質）TL有關。若制冷溫度TL（由工藝條件決定）一定，TH↘，ε↗結論:若冷卻水（空氣）TH一定，TL↗，ε↗，因此要以滿足工藝條件為依據。如果工藝條件為-20℃，一般選取TL=-25℃即可性。過冷5℃，不能太多。(2)

實際壓縮制冷循環實際壓縮制冷循環就其循環所需的設備來說，完全與卡諾壓縮制冷循環所需要的設備相同，關鍵在于在循環的過程中，每一步都不一定是可逆的。它與卡諾壓縮制冷循環不同處表現在五個方面。

∴①

制冷劑（工質）進壓縮機狀態不同卡諾：濕氣實際：干氣②

壓縮過程不同卡諾：等熵過程實際：不可逆絕熱過程等熵效率：ηs=等熵過程耗功/實際過程耗功ηs≤1∵若Q=0

則Ws=卡諾：等溫過程實際：不可逆過程，沿著等壓線變化。③冷凝過程不同④制冷劑出冷凝器狀態不同

卡諾：飽和液體實際：過冷液體

⑤膨脹過程不同

卡諾：等熵（膨脹機）實際：等焓（節流閥）

實際壓縮制冷循環：12341理想壓縮制冷循環：12”3’4”1卡諾壓縮制冷循環：1’2’3’4’1’

122’’2’33’1’44’’4’ST對于實際壓縮制冷循環，經歷的1——2對應于壓縮機（工廠：冰機，氨壓