第六章蒸汽动力循环与制冷循环 16.1 蒸汽动力循环 n一. 蒸汽动力循环为正向卡诺循环n二. 蒸汽动力循环 1. 工作原理及T-S图蒸汽动力循环的主要设备有：透平机（汽轮机）冷凝器水泵锅炉、过热器等组成工作介质一般为水2水泵锅炉1234P1T1的高压高温蒸汽进入气轮机等熵膨胀到状态2，同时对外做功，2点状态为乏汽从汽轮机流出后进入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潜热而变为该压力下的饱和水，放出的热量由冷却水带走，达到状态3，饱和水经水泵升压到P1进入锅炉，在锅炉吸收热量，使工质变化到状态1，完成一个循环。 气 轮 机冷 凝 器3T-S图QHQLWsTT吸T放S卡诺循环产功 很大，但难于实现， 问题在于：（1）湿蒸汽对 汽轮机和水泵有浸蚀 作用，汽轮机带水量 不得超过10%，水泵 不能带入蒸汽进泵；（2）绝热可逆 过程实际上难以实现 。第一个具有 实际意义的蒸汽动力 循环是朗肯循环。 12344（1）工质进汽轮机状态不同（2）膨胀过程不同2. 郎肯循环（3）工质出冷凝器状态不同（4）压缩过程不同（5）工作介质吸热过程不同郎肯循环：饱和水 郎肯循环：不可逆绝热过程，若忽 略掉工作介质水的摩擦与散热，可 简化为可逆过程。 郎肯循环：不可逆吸热过程，沿 着等压线变化 卡诺循环：湿蒸汽卡诺循环：等熵过程卡诺循环：气液共存卡诺循环：等熵过程卡诺循环：等温过程郎肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在郎肯循环：干蒸汽郎肯循环：不可逆绝热过程512 对应于汽轮机23 冷凝器进行，在冷凝器里冷却水把工作介质的热量带走使其由气体转变为液体。34 水泵中进行41 锅炉进行，水在锅炉中恒压加热。 12234ST水 63. 郎肯循环过程的热力学计算 (1) 工作介质在锅炉中吸热量kJ/kg(2) 工作介质在冷凝器中排放的热量 kJ/kg（理想）(3) 汽轮机工作介质的单位产功量（理想）kJ/kg7(4) 水泵中工作介质的单位耗功量kJ/kg由于液态水的不可压缩性，水泵中工作介质耗功量可按下列式近似 计算(5) 热效率定义：锅炉中所提供的热量中转化为净功的量数学式： 84. 应用举例nP135-138 例6-16-2例6-1自看例6-2 某核动力循环如图所示，锅炉从温度为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做功后于0.008MPa压力下排出（点2），乏气在冷凝器中向环境温度 t0=20 下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15104 kW,汽轮机作不可逆的绝热膨胀,其等熵效率为0.75,而水泵可认为作可逆绝热压缩,试求:(1)此动力循环中蒸汽的质量流量;(2)汽轮机出口乏气的湿度;(3)循环的热效率.9例6-2 插图核反应堆锅炉汽轮机t=320 12或 234冷凝器P1=7MPa t1=360 22134TSP2=0.008MPa10n 解:11一. 提高郎肯循环热效率的措施对卡诺循环：对郎肯循环：(3) 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率 要使：(1) H2，降低压力P2（汽轮机出口蒸汽压力）(2) H1，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度121.再热循环7QRHwsh+wsL 4321p2P1Tp32S541368再热循环的热效率 （2）乏汽湿含量减少，干度增加。 结论：（1）提高1312345621kgkg(1-)kgTS123456水2kg (1-)kg2.回热循环14（2）热效率提高，但设备成本提高。回热循环的热效率：抽气量取回热器作能量衡算结论：（1）减少了工作介质吸热过程的温差（不可逆），由TH-T4减少到TH-T6153. 热电循环n分为两种：n（1） 背压式汽轮机联合供电供热循环n特点：n 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；n 排气压力受供热温度影响，较郎肯循环排气压力高,大于大气压力； n 热电循环效率 =循环热效率+提供热用户的热量/输入的总热量。16锅炉汽轮机12342134TSQLqHWS17（2） 抽气式汽轮机联合供电供热循环n特点： 工质部分供热，部分作功 供热量与乏汽无关18TS17234561-1冷凝器热用户锅 炉水泵水泵加热器234567P -hh19 热电循环效率 TS1734561-2204.应用举例nP140-143 例6-36-4例6-3自看 n例6-4某化工厂采用如下的蒸汽动力装置以同时提供动力和热能。已知汽轮机入口的蒸汽参数为3.5MPa,435 ,冷凝器的压力为0.004MPa,中间抽汽压力P为1.3MPa,抽汽量为10kg/s,其中一部分进入加热器,将锅炉给水预热到抽汽压力P下的饱和温度,其余提供给热用户,然后冷凝成饱和水返回锅炉循环使用。已知该装置的供热量是50103kJ/h.试求此蒸汽动力循环装置的热效率与能量利用系数。21TS123456 7P1冷凝器汽轮机热用户锅 炉水泵水泵加热器234567P -hh22解：236.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀 n一. 节流膨胀过程n高压流体经过节流阀后迅速膨胀到低压的过程称为节 流膨胀。n1. 特点：等焓过程n由热力学第一定律： Q=0（来不及传热）， Ws=0（不做功） 若忽略掉动能、位能的影响 H=0对于H=f（T，P） P发生变化 T也随之发生变化24（1） 定义式 流体节流时，由于压力变化而引起的温度变化， 称为微分节流效应2. 微分节流效应（焦汤效应）（6-12）数学式：节流过程：H=f（T，P）25（6-13） 故26(2)节流膨胀致冷的可能性 对理想气体=0PV=RT V=RT/P这说明了理想气体在节流过程中温度不发生变化 27 真实气体有三种可能的情况，由定义式知当J0时，表示节流后压力下降，温度也下降致冷当J=0时，表示节流后压力下降，温度不变化当J0J 0，致冷区 在转化曲线右侧，等焓线上，随P，T，J 0 Cp0恒大于零.35 利用积分等熵温度效应(3) 积分等熵温度效应等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化，称之。计算积分等熵温度效应的方法有4种： 理想气体的积分等熵温度效应TS36在有T-S图时，最方便的方法是由T-S图读取TS对于理想气体绝热可逆过程 T-S图法P1P2T1T2TS37 用等焓节流效应计算若Cp=const382.不可逆对外做功的绝热膨胀 n对活塞式膨胀机 当t30 s=0.70.75n对透平机 s=0.80.85n不可逆对外做功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀效应和节流膨胀效应之间。 ST122绝热 Q=0 39三.等熵膨胀与节流膨胀的比较 1220 TSP1P21.等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。制冷量：QOSQOH2.403.设备与操作节流膨胀：针形阀，简单，可用于气液两相区操作等熵膨胀：膨胀机，复杂，需要低温润滑油，不能用 于产生液滴的场合。4.操作条件与运行情况一般大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。416.3 制冷循环 n当冷冻温度大于-100 ，称普通冷冻。n小于-100 称深度冷冻。一.制冷循环为逆向卡诺循环 正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质放热温度。 逆向卡诺循环：工质吸热温度小于工质放热温度。 42等温蒸发等温冷凝TS1234T放T吸WS耗功过程：耗功量最小。实际过程的耗功量要大于逆向卡诺循环的耗功量43二.蒸汽压缩制冷循环 n1. 工作原理及T-S图主要设备有：n压缩机n冷凝器 n膨胀机（节流阀）n蒸发器四部分组成。 在制冷过程中，要涉及到相变、工质、压力、沸点等问题 蒸发器冷凝器压缩机膨胀机或 节流阀1234QHQL 载冷体44特点： 传热过程可逆(1)卡诺压缩制冷循环压缩、膨胀过程可逆由热力学第一定律： 循环过程 45故：定义：消耗单位功所获得的冷量。 衡量制冷效果好坏的一个技术指标是制冷系数。卡诺压缩制冷循环制冷系数 46 制冷系数与冷却温度TH和载冷体（被冷物质）TL有关。 若制冷温度TL（由工艺条件决定）一定，TH，结论: 若冷却水（空气）TH一定，TL，因此要以满足工艺条件为依据，尽可能提高TL 。如果工艺条件为-20，一般选取TL= -25即可性。过冷5，不能太多。47(2) 实际压缩制冷循环n实际压缩制冷循环就其循环所需的设备来说，完全与卡诺压缩制冷循环所需要的设备相同，n关键在于在循环的过程中，每一步都不一定是可逆的。n它与卡诺压缩制冷循环不同处表现在五个方面。 48 制冷剂（工质）进压缩机状态不同卡诺：湿气实际：干气 压缩过程不同卡诺：等熵过程实际：不可逆绝热过程等熵效率： s=等熵过程耗功/实际过程耗功s1若Q=0 则 Ws=122 2331444ST49卡诺：等温过程实际：不可逆过程，沿着等压线变化。 冷凝过程不同 制冷剂出冷凝器状态不同 卡诺：饱和液体 实际：过冷液体 膨胀过程不同 卡诺：等熵（膨胀机） 实际：等焓（节流阀） 实际压缩制冷循环：12341理想压缩制冷循环：12”34”1卡诺压缩制冷循环：12341 122 2331444ST50对于实际压缩制冷循环，经历的 12 压缩机进行（工厂：冰机，氨压机，制冷机） 23 冷凝器进行在冷凝器里，冷却水（或空气）把工质的热量带走，使其由高压气体转变成高压液体。 34 节流阀进行（冰箱毛细管） 41 蒸发器进行大盐水槽供热（冰箱食物热）512.压缩制冷过程的热力学计算 单位冷冻量：1kg制冷剂在循环过程中所提供的冷量。kJ/kg 冷凝器的单位热负荷 kJ/kg 单位耗功量 kJ/kg 制冷系数 冰机的制冷能力Q0kJ/hG制冷剂循环量521冷冻吨=1*103*334.5/24=1.394*104 kJ/h1冷冻吨=每天将273.16K的1吨水凝结为同温度的冰所需取走的热量。由于1kg水凝结为冰要放出334.5 kJ的热量 制冷剂循环量 kg/h 冷凝器的热负荷kJ/hQH是设计冷凝器的基本依据。Kw 压缩机的轴功率Kw冷凍工程上冷凍容量（能力）的標準單位 53计算举例nP148151 例6-76-9 大家下去 自看543.制冷剂的选择 n选择原则：P149五条大气压力下沸点低； 汽化潜热大，减少制冷剂的循环量，缩小压缩机的 尺寸； 常温下的冷凝压力应尽可能的低，以降低对冷凝 器的耐压与密封的要求； 具有较高的临界温度与较低的凝固温度，使大部分 的放热过程在两相区内进行； 具有化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。 554.载冷体的选用 n工业上一般选用冷冻盐水CaCl2，MgCl2 56三. 多级压缩制冷和复迭式制冷 n在氨制冷剂中，一般蒸发温度低于-30时，采用两级压缩n低于-45时，采用三级压缩1.两级压缩制冷循环 (1) 工作原理及T-S图 57低压蒸发器高压蒸发器冷凝器低压汽缸高压汽缸中间冷却器节流阀I节流阀I I汽液分离器122345 678水冷器5812 34 5678STPm 耗功小，节能 制冷率大 可同时得到不同温度的低温(2)两级压缩两级蒸发的好处思考一下三级压缩三级 蒸发的原理图 ?59