第五章第五章 蒸汽动力循环和制冷循环蒸汽动力循环和制冷循环第一第一节 蒸汽动力循环蒸汽动力循环第二第二节 制冷循环制冷循环 将热能变为机械能必须通过循环才能完成，而组将热能变为机械能必须通过循环才能完成，而组成循环的热力过程主要是在热力原动机中进行的。成循环的热力过程主要是在热力原动机中进行的。 根据所采用工质的不同，热力原动机循环分为两根据所采用工质的不同，热力原动机循环分为两类：类：以蒸汽为工质的称为蒸汽动力循环，而以气体为以蒸汽为工质的称为蒸汽动力循环，而以气体为工质的则称为气体循环。工质的则称为气体循环。 其中以蒸汽动力循环最为主要，其研究对象不是其中以蒸汽动力循环最为主要，其研究对象不是原动机的结构与构件，而是工质所经历的状态及其变原动机的结构与构件，而是工质所经历的状态及其变化过程。化过程。第一第一节 蒸汽动力循环蒸汽动力循环汽轮机水泵冷凝器锅炉能量分析能量分析 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。 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。 能量分析能量分析 Pump 水泵水泵 3 4 表示冷凝水表示冷凝水通过水泵由通过水泵由P3升压升压至至P4的可逆绝热压的可逆绝热压缩过程，需要消耗的缩过程，需要消耗的轴功轴功把水看作是不可压缩把水看作是不可压缩流体，则流体，则 能量分析能量分析 Boiler 锅炉锅炉 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 理想理想Rankine循环的热效率循环的热效率 蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量的做功量 热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功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。的一个重要指标。汽耗率汽耗率 作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用率，用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。表示。 当对外作出的净功相同时，汽耗率大的装置其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。的相对尺寸大小和过程的经济性。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。学图表或实际流体的状态方程求得。计算方法计算方法确定各点参数：确定各点参数：状态点状态点 1, 根据根据P1、t1 值可查值可查得得 H1、S1值值;状态点状态点 2, S2=S1 ,根据根据P2、S2 值可查得值可查得 H2、t2值值;状态点状态点 3, P3=P2 ,查查P3下的下的饱和液体可得饱和液体可得 H3、V3 、 S3值值;状态点状态点 4, P4=P1 ,S4=S3,根根据据P4、S4可查得可查得 H4值值; 或或 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3) 蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵的，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，用而是向着墒增加的方向偏移，用1 - 2线表示。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。逆的影响。 蒸汽通过蒸汽通过汽轮机汽轮机膨胀，实际做出的功应为膨胀，实际做出的功应为H1 H2，它小于等，它小于等熵熵膨胀的功膨胀的功H1 H2。两者之比称为透平机。两者之比称为透平机的等的等熵熵效率。效率。实际实际 Rankine 循环的热效率循环的热效率 例例5-1 某一理想的某一理想的Rankine循外，锅炉的压力为循外，锅炉的压力为4MPa，产生产生440过热蒸汽过热蒸汽,汽轮机出口压力为汽轮机出口压力为0.004MPa,蒸汽流量蒸汽流量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。过程如T-S-图所示（1）确定各点的参数）确定各点的参数1点（过热蒸汽）点（过热蒸汽）, 根据根据P1=4MPa、t1 =440 ,查过热水蒸查过热水蒸气表气表 得得 H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kgK);2点（湿蒸汽）点（湿蒸汽）, P2=4kPa,S2=S1 =6.9041kJ/(kgK) ,查饱查饱和水蒸气表得和水蒸气表得 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=2080.03点（饱和液体）点（饱和液体） P3=4kPa H3= Hl =121. 46 kJ/kg S3=Sl=0.4226kJ/(kgK)4点（未饱和水）点（未饱和水） 方法方法1H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3) = 121.46+0.001004 (4000-4) =125.5kJ/kg 方法方法2 已知已知 P4=4MPa, S4=S3=0. 4226kJ/(kgK),查未饱和水性质表查未饱和水性质表 H2=126.1kJ/kg2.5MPaH S5MPaH S4MPaH S20 86.30 0.2961 88.65 0.295640 169.77 0.5715171.97 0.570587.71 0.2958171.09 0.5709（2）计算）计算 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 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乏气在冷凝器放出的热量 Q2=m(H3 H2)=60 103 (121.5 - 2080.0) =-117.5 106kJ/h 乏气的湿度为乏气的湿度为 1-x=1-0.805=0.195 汽轮机作出的理论功率汽轮机作出的理论功率 水泵消耗的理论功率水泵消耗的理论功率 热效率热效率 例例5-2 在某核动力循环装置，锅炉温度为在某核动力循环装置，锅炉温度为 320 的核反应堆吸入热量的核反应堆吸入热量Q1，产生压力为，产生压力为7MPa、温度为、温度为 360 的过热蒸汽的过热蒸汽 (点点1) ，过热蒸汽经汽轮机膨胀作，过热蒸汽经汽轮机膨胀作功后于功后于0.008MPa压力下排出压力下排出(点点2)， 乏气在冷凝器中乏气在冷凝器中向环境温度向环境温度 t020 进行定压放热变为饱和水进行定压放热变为饱和水(点点3)，然后经泵返回锅炉，然后经泵返回锅炉(点点4)完成循环。已知汽轮机的额完成循环。已知汽轮机的额定功率为定功率为5104kW，汽轮机作不可逆的绝热膨胀，其，汽轮机作不可逆的绝热膨胀，其等熵效率为等熵效率为0. 75， 水泵作等熵压缩。水泵作等熵压缩。 试求：试求： (1)蒸气的质量流量；蒸气的质量流量； (2)乏气的湿度；乏气的湿度； (3)循环的热效率。循环的热效率。1点（过热蒸汽）点（过热蒸汽）, 根据根据P1=7MPa、t1 =360 ,查查过热过热 水蒸气表得水蒸气表得 H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kgK); 2点（湿蒸汽）点（湿蒸汽）, P2=0.008MPa, 查饱和水蒸气表查饱和水蒸气表得得 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=0.7448H2=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汽轮机作等熵膨胀过程1-2所作的理论功所作的理论功 WR WR=H2-H1=1963.7-3045.5= -1081.8kJ/kg汽轮机作实际膨胀过程汽轮机作实际膨胀过程1-2所作的功所作的功 Ws Ws=sWR=-1081.8 0.75= - 811.4kJ/kg Ws=H2 - H1 H2 = H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg汽轮机作实际膨胀后汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为乏气的干度为x2 H2=Hgx2+(1-x2)Hl 2234.1=2577.0 x2+(1- x2) 173.9 x2 =0.8573 乏气的湿度为乏气的湿度为 1-0.8573=0.1427 3点点 0.008MPa饱和液体饱和液体 H3=173.88kJ/(kgK) S3=0.5926kJ/(kgK) 4点点 P4=7MPa, S4=S3=0.5926kJ/(kgK) 查未饱和水性质表查未饱和水性质表 5MPaH 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 提高朗肯循化效率的方法：提高朗肯循化效率的方法：（一）通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率（一）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，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最高温度以不超873K为宜。为宜。提高提高Rankine循环热效率的途径循环热效率的途径 降低冷凝器温度降低冷凝器温度提高锅炉温度提高锅炉温度平均吸热温度平均吸热温度1与与1点的压力高低点的压力高低 ？等效等效Carnot循环的平均吸热温度循环的平均吸热温度 Tm 2. 提高蒸汽的压力提高蒸汽的压力 当蒸汽压力提高时，热效率提高、而汽当蒸汽压力提高时，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片受到磨蚀，缩短寿命。乏汽的干度一般不应低于低于0.88。另外，蒸汽压力的提高，不能超过。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水的临界压力，而且设备制造费用也会大幅上升。升。 3.降低乏汽的压力降低乏汽的压力 提高朗肯循化效率的方法：提高朗肯循化效率的方法：（二）采用再热循环（二）采用再热循环（三）采用回热循环（三）采用回热循环回热循环回热循环 再热循环再热循环x2TS11225643x2112356过热器过热器再热器再热器汽轮机汽轮机发电机发电机冷凝器冷凝器冷却水冷却水锅炉锅炉给水泵给水泵(a) 工作原理图工作原理图 (b) T-S图图目前超高压目前超高压(蒸汽初压为蒸汽初压为13和和24MPa或更高或更高)的大型电的大型电厂几乎毫无例外地采用再热循环厂几乎毫无例外地采用再热循环 第二节第二节 制冷循环制冷循环高温高温 环境环境低温低温 环境环境如果循环的目的是从低温物体如果循环的目的是从低温物体(如冷藏室、冷库等如冷藏室、冷库等)不不断地取走热量，以维持物体的低温，称之为断地取走热量，以维持物体的低温，称之为制冷循环制冷循环；如果循环的目的是给高温物体如果循环的目的是给高温物体(如供暖的房间如供暖的房间)不断地不断地提供热量，以保证高温物体的温度，称之为提供热量，以保证高温物体的温度，称之为热泵循环热泵循环。习惯上，制冷温度在习惯上，制冷温度在-100以上者，称为普冷，低以上者，称为普冷，低于于-100者称为深冷。者称为深冷。制冷广泛应用于化工生产中的低温反应、结晶分离、制冷广泛应用于化工生产中的低温反应、结晶分离、气体液化以及生活中的冰箱、空调、冷库等各方面。气体液化以及生活中的冰箱、空调、冷库等各方面。热机热机将热能转化为机械能等动力的装置将热能转化为机械能等动力的装置工厂、工厂、交通工具、交通工具、居民、办公用电居民、办公用电热力循环过程热力循环过程热机的工作循环热机的工作循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环燃气动力循环燃气动力循环制冷制冷获得并保持低于环境温度的操作获得并保持低于环境温度的操作制冷循环制冷循环输入外功实现从低温环境吸热排向高温环输入外功实现从低温环境吸热排向高温环境的循环境的循环蒸汽动力循环蒸汽动力循环蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环一、一、 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1234T1T2TS1234循环的吸热量循环的吸热量(冷冻量冷冻量)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 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逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。数，与工质无关。 在相同温度区间工作的制冷循环，以逆卡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。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制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。热量。 例5-3 某蒸汽压缩制冷过程某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在制冷剂在5K吸吸收热量收热量QL,在在K放出热量放出热量-QH, 压缩和膨胀压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的净功为过程是绝热的，向制冷机输入的净功为WN，判断，判断下列情况是下列情况是 A可逆的可逆的 B 不可逆的不可逆的 C 不不可能的可能的 （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 （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 2、单级蒸汽压缩制冷循环、单级蒸汽压缩制冷循环实际的制冷循环是对上述的逆实际的制冷循环是对上述的逆Carnot压缩制冷循环的改进压缩制冷循环的改进 TSTHTL12334QL 实际的冷冻循环原理图实际的冷冻循环原理图改进措施改进措施压缩过程操作于过热蒸汽区，等熵膨胀改为节流膨胀压缩过程操作于过热蒸汽区，等熵膨胀改为节流膨胀制冷工质制冷工质 被过冷到温度低于饱和液态温度被过冷到温度低于饱和液态温度 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1-2 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=H45-1 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、表或计算能量分析能量分析若制冷剂的若制冷剂的“制冷能力制冷能力”为为Q0 kJ/h，那么，制冷剂的循环量（循环速率）为那么，制冷剂的循环量（循环速率）为 压缩机消耗的功率压缩机消耗的功率冷（冻）吨冷吨又名冷冻吨，制冷学单位。是指将一吨水冷吨又名冷冻吨，制冷学单位。是指将一吨水冷冻为冰所需要的能量。表示空调的制冷能力。冷冻为冰所需要的能量。表示空调的制冷能力。 1冷吨表示可将冷吨表示可将1吨重吨重00C的水，在的水，在24小时内转小时内转换成换成00C的冰的能力。的冰的能力。1美国冷吨美国冷吨=3024（kcal/h）=3.517（KW） 1日本冷吨日本冷吨=3320（kcal/h）=3.861（KW) 例例5-4 某压缩制冷装置，用某压缩制冷装置，用R134a作为制冷作为制冷剂，蒸发器中的温度为剂，蒸发器中的温度为-25，冷却器中的压力为，冷却器中的压力为1.0MPa，假定，假定R134a进入压缩机时为饱和蒸汽，而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，离开冷凝器时为饱和液体，压缩过程按绝热可逆计算，每小时制冷能力每小时制冷能力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。 解：解： 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 2点点 P2 1MPa，S2 S1 0.9367kJ/(kgK) 查表得查表得 H2 278.7 kJ/kg T0TTS12345 4 点点 1MPa饱和液体饱和液体 查表得查表得 H4 104.2 kJ/kg T0TTS12345 H1231.9kJ/kg H2 278.7 kJ/kg H4 104.2 kJ/kg H5 H4T0TTS12345T0TTS12345254热泵及其应用热泵及其应用热泵：热泵：一种能源采掘装置，它以消耗一部分高品质的能源(机械能、电能或高温热能等)为代价，通过逆Carnot循环，把自然环境(水、空气等)或其它低温热源中储存的能量加以利用转变成为高温的热量 高温环境高温环境低温环境低温环境 制冷机与热泵制冷机与热泵冷凝器冷凝器蒸发器蒸发器压缩机压缩机节流阀节流阀1245QLQHTS123456780THTL(a) 工作原理图工作原理图(b) TS图图供热系统供热系统图图 热泵工作原理示意图热泵工作原理示意图制热系数制热系数3 制冷剂制冷剂 Refrigerants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）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。要过高，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。1 Conventional refrigerants:NH3CH3ClCO2C3H82 Chloro Fluoro Carbons CFCsCFCl3 (R-11)CF2Cl2 (R-12)大气：大气：O2 2 OO + O2 O3 ozoneCFCs:CFCl3 + UV light CCl2F + ClCl + O3 O2 + ClOClO + O Cl + O23 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)