06 第六章 蒸汽动力循环和制冷循环.pptx

第1页：第六章 蒸汽动力循环和制冷循环

• 第六章蒸汽动力循环和制冷循环
• 6.1蒸汽动力循环
• 6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀
• 6.3制冷循环

第2页：蒸汽动力循环装置

6.1蒸汽动力循环汽轮机水泵冷凝器锅炉

第3页：汽轮机中的绝热膨胀

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4页：冷凝器中的定压冷凝

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5页：水泵中的绝热压缩

能量分析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6页：锅炉中的等压加热汽化

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7页：理想Rankine循环的热效率

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指标。

第8页：汽耗率SSC

汽耗率作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用SSC(SpecificSteamConsumption)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9页：以水蒸气为工质的计算

工质为水蒸气因为水蒸汽不是理想气体，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10页：各状态点的查表方法

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、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11页：透平机的等熵效率

蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀实际上不是等熵的，而是向着熵增加的方向偏移，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12页：实际Rankine循环的热效率

实际Rankine循环的热效率

第13页：例6-1 理想Rankine循环

• 例6-1某一理想的Rankine循环，锅炉的压力为4MPa，产生440℃过热蒸汽，汽轮机出口压力为0.004MPa，蒸汽流量为60t/h，求
• （1）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；
• （3）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。

第14页：例6-1 状态点1与2

（1）确定各点的参数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/(kg·K);2点（湿蒸汽）,P2=4kPa，S2=S1=6.9041kJ/(kg·K)，查饱和水蒸气表得Hg=2554.4kJ/kgHl=121.46kJ/(kg·K)Sg=8.4746kJ/kgSl=0.4226kJ/(kg·K)Vl=1.004cm3/g2点处的干度为x8.4746x+(1–x)0.4226=6.9041x=0.8050H2=2554.4×0.805+(1–0.805)×121.46=2080.0kJ/kg

第15页：例6-1 状态点3与4

3点（饱和液体）P3=4kPaH3=Hl=121.46kJ/kgS3=Sl=0.4226kJ/(kg·K)4点（未饱和水）方法1H4=H3+Wp=H3+V(P4–P3)=121.46+0.001004×(4000–4)=125.5kJ/kg

第16页：例6-1 方法2与查表

H4=126.1kJ/kg4MPaH S5MPaH S2.5MPaH S88.65 0.295686.30 0.296120℃171.97 0.5705169.77 0.571540℃87.71 0.2958171.09 0.5709方法2已知P4=4MPa,S4=S3=0.4226kJ/(kg·K)，查未饱和水性质表

第17页：例6-1 热量与功率

（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18页：例6-1 水泵功率与热效率

水泵消耗的理论功率热效率

第19页：例6-2 核动力循环

• 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t0＝20℃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15×104kW，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20页：例6-2 状态点1与2

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/(kg·K);2点（湿蒸汽）,P2=0.008MPa,查饱和水蒸气表得Hg=2577.0kJ/kgHl=173.88kJ/(kg·K)Sg=8.2287kJ/kgSl=0.5926kJ/(kg·K)汽轮机作等熵膨胀S2=S1=6.2801kJ/(kg·K),S2=Sgx2+(1–x2)Sl6.2801=8.2287x2+(1–x2)×0.5926x2=0.7448

第21页：例6-2 实际膨胀功

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汽轮机作实际膨胀过程1–2ˊ所作的功WSWS=ηSWR=–1081.8×0.75=–811.4kJ/kgWS=H2ˊ–H1H2ˊ=H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为x2ˊH2ˊ=Hgx2ˊ+(1–x2ˊ)Hl2234.1=2577.0x2ˊ+(1–x2ˊ)×173.88x2ˊ=0.8573

原文「2577.0×0.7488」中 0.7488 与前面求得的 x2=0.7448 不符，按 x2=0.7448 计算得 H2=1963.7kJ/kg。

第22页：例6-2 状态点3与4

乏气的湿度为1–0.8573=0.14273点0.008MPa饱和液体H3=173.88kJ/(kg·K)S3=0.5926kJ/(kg·K)4点P4=7MPa，S4=S3=0.5926kJ/(kg·K)查未饱和水性质表7MPaH S7.5MPaH S5MPaH S174.18 0.5696171.97 0.570540℃340.84 1.0704338.85 1.072080℃173.74 0.5698340.44 1.0707H4=181.33kJ/kg

第23页：例6-2 水泵功与热效率

水泵所消耗的功WP=H4–H3=181.33–173.88=7.45kJ/kg热效率

第24页：提高蒸汽的过热温度

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，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873K为宜。

第25页：提高蒸汽压力的影响

2.提高蒸汽的压力当蒸汽压力提高时，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26页：节流膨胀与Joule-Thomson效应

6.2节流膨胀与作外功的绝热膨胀6.2.1节流膨胀ΔH=0流体进行节流膨胀时，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27页：节流效应的正负判断

μJ﹥0节流后温度降低μJ=0节流后温度不变μJ﹤0节流后温度升高理想气体μJ=0实际气体μJ值可为正值、负值或零

第28页：作外功的绝热膨胀

6.2.2作外功的绝热膨胀等熵膨胀效应系数μs必为正值。气体进行等熵膨胀时，对外做功，膨胀后气体温度总是下降。

第29页：制冷循环的热量流向

6.3制冷循环高温环境低温环境

第30页：蒸发器与冷凝器的位置

制冷循环示意：高温环境与低温冷室之间布置蒸发器与冷凝器（部件连接以原课件图片为准）。

第31页：制冷循环的部件流程

制冷循环部件布置图：蒸发器置于低温冷室内，冷凝器置于高温环境中（流向以原课件图片为准）。

第32页：蒸汽压缩制冷的四个过程

蒸汽压缩制冷循环由四个过程组成，各状态点的焓值查图、表或计算：

• 1–2 可逆绝热压缩过程：Ws=H2–H1，kJ/kg
• 2–4 等压冷却、冷凝过程：q2=H4–H2，kJ/kg
• 4–5 节流膨胀过程：H5=H4
• 5–1 等压、等温蒸发过程：q0=H1–H5，kJ/kg

制冷系数（T-S图上1、2、3、4、5各状态点位置以原课件图片为准）。

第33页：制冷剂循环量与压缩机功率

若制冷剂的“制冷能力”为Q0kJ/h，那么制冷剂的循环量为压缩机消耗的功率

第34页：实际制冷循环的状态点

T-S图上标出2′、5′、4′等实际循环偏离点（位置以原课件图片为准）。

第35页：逆向Carnot循环

逆向Carnot循环蒸发器冷凝器膨胀机q0q2压缩机1234T1T2TS1234

第36页：逆卡诺循环的热量与功

循环的吸热量q0=TL(S1–S4)循环的放热量q2=TH(S3–S2)=–TH(S1–S4)⊿H＝q＋WS制冷剂完成一个循环⊿H＝0，净功为制冷系数TLTHTS1234

第37页：逆卡诺循环的制冷系数

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。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。制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。

第38页：制冷过程可逆性判断

• 某蒸汽压缩制冷过程，制冷剂在250K吸收热量QL,在300K放出热量–QH，压缩和膨胀过程是绝热的,向制冷机输入的净功为WN，判断下列情况是A可逆的B不可逆的C不可能的
• （1）QL=2000kJWN=400kJ
• （2）QL=1000kJQH=－1500kJ
• （3）WN=100kJQH=－700kJ
• （1）该制冷过程是可逆的

第39页：三种情形的判断结果

• （2）QL=1000kJQH=–1500kJ
• （3）WN=100kJQH=–700kJ该制冷过程是不可逆的该制冷过程是不可能的

第40页：R134a蒸汽压缩制冷算例

某压缩制冷装置，用R134a作为制冷剂，蒸发器中的温度为–25℃，冷却器中的压力为1.0MPa，假定R134a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，每小时制冷量Q0为1.67×105kJ·h-1。求：（1）所需的制冷剂流率；（2）制冷系数。1点–25℃R134a饱和蒸汽查表得H1＝231.9kJ/kgS1＝0.9367kJ/(kg·K)T0TTS12345

第41页：压缩机出口状态点2

2点P2＝1MPa，S2＝S1＝0.9367kJ/(kg·K)查表得H2＝278.7kJ/kgT0TTS12345

第42页：冷凝器出口状态点4

4点1MPa饱和液体查表得H4＝104.2kJ/kgT0TTS12345

第43页：制冷循环的温熵图

T-S图上标出1、2、3、4、5五个状态点（位置以原课件图片为准）。

第44页：制冷剂的选择原则

• 3制冷剂Refrigerants制冷剂的选择原则：
• （1）潜热要大。
• （2）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。
• （3）化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。
• （4）价格低。
• （5）冷冻剂对环境应该无公害。