第6章 蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)-河南科技學(xué)院

第六章蒸汽動(dòng)力循環(huán)與制冷循環(huán)

6.1蒸汽動(dòng)力循環(huán)

一.蒸汽動(dòng)力循環(huán)為正向卡諾循環(huán)二.蒸汽動(dòng)力循環(huán)

1.工作原理及T-S圖蒸汽動(dòng)力循環(huán)的主要設(shè)備有：透平機(jī)（汽輪機(jī)）冷凝器水泵鍋爐、過(guò)熱器等組成工作介質(zhì)一般為水水泵鍋爐1234P1T1的高壓高溫蒸汽進(jìn)入氣輪機(jī)等熵膨脹到狀態(tài)2，同時(shí)對(duì)外做功，2點(diǎn)狀態(tài)為乏汽從汽輪機(jī)流出后進(jìn)入冷凝器，乏汽在冷凝器中放出汽化潛熱而變?yōu)樵搲毫ο碌娘柡退?，放出的熱量由冷卻水帶走，達(dá)到狀態(tài)3，飽和水經(jīng)水泵升壓到P1進(jìn)入鍋爐，在鍋爐吸收熱量，使工質(zhì)變化到狀態(tài)1，完成一個(gè)循環(huán)。

氣輪機(jī)冷凝器T-S圖QHQLWsTT吸T放S

問(wèn)題在于：（1）濕蒸汽對(duì)汽輪機(jī)和水泵有浸蝕作用，汽輪機(jī)帶水量不得超過(guò)10%，水泵不能帶入蒸汽進(jìn)泵；（2）絕熱可逆過(guò)程實(shí)際上難以實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)具有實(shí)際意義的蒸汽動(dòng)力循環(huán)是郎肯循環(huán)。1234（1）工質(zhì)進(jìn)汽輪機(jī)狀態(tài)不同（2）膨脹過(guò)程不同2.郎肯循環(huán)（3）工質(zhì)出冷凝器狀態(tài)不同（4）壓縮過(guò)程不同（5）工作介質(zhì)吸熱過(guò)程不同郎肯循環(huán)：飽和水郎肯循環(huán)：不可逆絕熱過(guò)程，若忽略掉工作介質(zhì)水的摩擦與散熱，可簡(jiǎn)化為可逆過(guò)程。郎肯循環(huán)：不可逆吸熱過(guò)程，沿著等壓線變化卡諾循環(huán)：濕蒸汽卡諾循環(huán)：等熵過(guò)程卡諾循環(huán)：氣液共存卡諾循環(huán)：等熵過(guò)程卡諾循環(huán)：等溫過(guò)程郎肯循環(huán)也是由四個(gè)步驟組成，與卡諾循環(huán)不同表現(xiàn)在郎肯循環(huán)：干蒸汽郎肯循環(huán)：不可逆絕熱過(guò)程1—2’

對(duì)應(yīng)于汽輪機(jī)

2’—3冷凝器進(jìn)行，在冷凝器里冷卻水把工作介質(zhì)的熱量帶走使其由氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。

3—4

水泵中進(jìn)行

4—1鍋爐進(jìn)行，水在鍋爐中恒壓加熱。122’34ST水

3.郎肯循環(huán)過(guò)程的熱力學(xué)計(jì)算

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

(4)水泵中工作介質(zhì)的單位耗功量

kJ/kg由于液態(tài)水的不可壓縮性，水泵中工作介質(zhì)耗功量可按下列式近似計(jì)算(5)熱效率定義：鍋爐中所提供的熱量中轉(zhuǎn)化為凈功的量數(shù)學(xué)式：4.應(yīng)用舉例例6-2

某核動(dòng)力循環(huán)如圖所示，鍋爐從溫度為320℃

的核反應(yīng)堆吸入熱量Q1產(chǎn)生壓力為7MPa、溫度為360℃

的過(guò)熱蒸汽（點(diǎn)1），過(guò)熱蒸汽經(jīng)汽輪機(jī)膨脹做功后于0.008MPa壓力下排出（點(diǎn)2），乏氣在冷凝器中向環(huán)境溫度t0=20℃

下進(jìn)行定壓放熱變?yōu)轱柡退c(diǎn)3），然后經(jīng)泵返回鍋爐（點(diǎn)4）完成循環(huán)，已知汽輪機(jī)的額定功率為15104kW,汽輪機(jī)作不可逆的絕熱膨脹,其等熵效率為0.75,而水泵可認(rèn)為作可逆絕熱壓縮,試求:(1)此動(dòng)力循環(huán)中蒸汽的質(zhì)量流量;(2)汽輪機(jī)出口乏氣的濕度;(3)循環(huán)的熱效率.補(bǔ)充例題:某蒸汽動(dòng)力裝置產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽壓力為8600kPa，溫度為5000C。此蒸汽進(jìn)入透平機(jī)絕熱膨脹作功，透平排出乏氣壓力為10kPa。乏氣進(jìn)入冷凝器全部冷凝為飽和液態(tài)水，然后泵入鍋爐。試求：（1）理想朗肯循環(huán)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(shí)際動(dòng)力循環(huán)的熱效率；（3）設(shè)計(jì)要求實(shí)際動(dòng)力循環(huán)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(huán)過(guò)程輸出的凈功工質(zhì)從高溫?zé)嵩此盏臒釋?shí)際輸出軸功率循環(huán)過(guò)程輸出的凈功鍋爐和冷凝器的傳熱速率，即單位時(shí)間鍋爐和冷凝器所傳遞的熱量。解：首先根據(jù)題意畫(huà)出循環(huán)的T-S圖。

從水蒸汽表可查得8600kPa，5000C的過(guò)熱蒸汽的h2=3390.9kJ·kg-1，s2=6.6858kJ·kg-1·K-1。（1）過(guò)熱蒸汽在透平中為等熵膨脹過(guò)程，因此：點(diǎn)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(guò)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(jù)熱力學(xué)第一定律得：鍋爐的吸熱量為：朗肯循環(huán)提供的凈功為：朗肯循環(huán)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(shí)際循環(huán)的熱效率：（3）一.

提高郎肯循環(huán)熱效率的措施對(duì)卡諾循環(huán)：對(duì)郎肯循環(huán)：(3)使吸熱過(guò)程向卡諾循環(huán)靠近，以提高熱效率

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

結(jié)論：（1）η提高1234562’1kgαkg(1-α)kgTS123456水2’αkg(1-α)kg2.回?zé)嵫h(huán)（2）熱效率提高，但設(shè)備成本提高?；?zé)嵫h(huán)的熱效率：抽氣量α取回?zé)崞髯髂芰亢馑憬Y(jié)論：（1）減少了工作介質(zhì)吸熱過(guò)程的溫差（不可逆），由TH-T4

減少到TH-T63.

熱電循環(huán)分為兩種：（1）

背壓式汽輪機(jī)聯(lián)合供電供熱循環(huán)特點(diǎn)：①冷凝器中冷卻工質(zhì)的介質(zhì)為熱用戶的介質(zhì)（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(huán)排氣壓力高,大于大氣壓力；③熱電循環(huán)效率=循環(huán)熱效率+提供熱用戶的熱量/輸入的總熱量。鍋爐汽輪機(jī)12342134TSqLqHWS（2）

抽氣式汽輪機(jī)聯(lián)合供電供熱循環(huán)特點(diǎn)：①工質(zhì)部分供熱，部分作功②供熱量與乏汽無(wú)關(guān)③熱電循環(huán)效率

TS12345671冷凝器汽輪機(jī)熱用戶鍋爐水泵水泵加熱器234567P’αα1-α(1-α)kg4.應(yīng)用舉例例6-4某化工廠采用如下的蒸汽動(dòng)力裝置以同時(shí)提供動(dòng)力和熱能。已知汽輪機(jī)入口的蒸汽參數(shù)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(jìn)入加熱器,將鍋爐給水預(yù)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(huán)使用。已知該裝置的供熱量是50103kJ/h.試求此蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置的熱效率與能量利用系數(shù)。TS1234567P’1冷凝器汽輪機(jī)熱用戶鍋爐水泵水泵加熱器234567P’αα-αhαh6.2節(jié)流膨脹與作外功的絕熱膨脹

一.

節(jié)流膨脹過(guò)程高壓流體經(jīng)過(guò)節(jié)流閥后迅速膨脹到低壓的過(guò)程稱為節(jié)流膨脹。1.

特點(diǎn)：等焓過(guò)程由熱力學(xué)第一定律：

Q=0（來(lái)不及傳熱），Ws=0（不做功）若忽略掉動(dòng)能、位能的影響∴ΔH=0對(duì)于H=f（T，P）∵P發(fā)生變化∴T也隨之發(fā)生變化（1）

定義式流體節(jié)流時(shí)，由于壓力變化而引起的溫度變化，稱為微分節(jié)流效應(yīng)2.微分節(jié)流效應(yīng)（焦湯效應(yīng)）（6-12）數(shù)學(xué)式：節(jié)流過(guò)程：∵H=f（T，P）（6-13）時(shí)，故(2)節(jié)流膨脹致冷的可能性①

對(duì)理想氣體=0∵PV=RTV=RT/P這說(shuō)明了理想氣體在節(jié)流過(guò)程中溫度不發(fā)生變化

②

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

結(jié)論①

節(jié)流膨脹過(guò)程的主要特征是等焓過(guò)程；②

理想氣體節(jié)流時(shí)溫度不變，不能用于致冷、致熱；③

真實(shí)氣體節(jié)流效應(yīng)取決于氣體的狀態(tài)，在不同的狀態(tài)下節(jié)流，具有不同的微分節(jié)流效應(yīng)值。3轉(zhuǎn)化點(diǎn)，轉(zhuǎn)化曲線轉(zhuǎn)化點(diǎn)：當(dāng)時(shí)，（T，P）所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。圖示：

致冷區(qū)

PT等H線μJ>0μJ<0μJ=0T↗致熱區(qū)T↘轉(zhuǎn)化曲線:將各轉(zhuǎn)化點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來(lái)所組成的曲線.在轉(zhuǎn)化曲線左側(cè)，等焓線上，隨P↘，T↘，μJ>0，致冷區(qū)在轉(zhuǎn)化曲線右側(cè)，等焓線上，隨P↘，T↗，μJ<0，致熱區(qū)轉(zhuǎn)化線上,μJ=04積分節(jié)流效應(yīng)（6-14）積分節(jié)流效應(yīng)的求法:三種（1）

公式法若p變化不太大，μJ為常數(shù)若p變化大，μJ不為常數(shù)，用式（6-14）計(jì)算，但很麻煩，一般不用。

(2)T-S圖法P1P2T1T2ST(3)

利用經(jīng)驗(yàn)公式估算

對(duì)于空氣，當(dāng)壓力變化不太大時(shí)，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(xué)溫度開(kāi)爾文。對(duì)于不同的流體，其表達(dá)式不同。等H線二.對(duì)外作功的絕熱膨脹

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

∴μS恒大于0（Maxwell第一關(guān)系式）（6-16）說(shuō)明了任何氣體在任何狀態(tài)下經(jīng)絕熱膨脹，都可致冷。這與節(jié)流膨脹不同。

這就說(shuō)明了在相同條件下等熵膨脹系數(shù)大于節(jié)流膨脹系數(shù),因此由等熵膨脹可獲得比節(jié)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(yīng)(3)積分等熵溫度效應(yīng)等熵膨脹時(shí)，壓力變化為有限值所引起的溫度變化，稱之。計(jì)算積分等熵溫度效應(yīng)的方法有4種：②

理想氣體的積分等熵溫度效應(yīng)ΔTS

在有T-S圖時(shí)，最方便的方法是由T-S圖讀取ΔTS對(duì)于理想氣體絕熱可逆過(guò)程③

T-S圖法P1P2T1T2TS

④用等焓節(jié)流效應(yīng)計(jì)算若Cp=const2.不可逆對(duì)外做功的絕熱膨脹

對(duì)活塞式膨脹機(jī)當(dāng)t<30℃ηs=0.65當(dāng)t>30℃ηs=0.7～0.75對(duì)透平機(jī)ηs=0.8～0.85不可逆對(duì)外做功的絕熱膨脹的溫度效應(yīng)介于等熵膨脹效應(yīng)和節(jié)流膨脹效應(yīng)之間。ST122’∵絕熱Q=0三.等熵膨脹與節(jié)流膨脹的比較

122’0TSP1P21.等熵膨脹與氣體的屬性及狀態(tài)無(wú)關(guān)，對(duì)任何氣體任何狀態(tài)都產(chǎn)生制冷效應(yīng)。QOS=Ho-H2=(Ho-H1)+(H1-H2)=QOH+WR制冷量：QOS>QOHQOH=Ho-H2’=Ho-H12.3.設(shè)備與操作節(jié)流膨脹：簡(jiǎn)單，針形閥等熵膨脹：復(fù)雜，需要低溫潤(rùn)滑油。4.操作條件與運(yùn)行情況一般大、中型企業(yè)這兩種都用，小型企業(yè)用節(jié)流膨脹這兩種膨脹過(guò)程是制冷的依據(jù)，也是氣體液化的依據(jù)。6.3制冷循環(huán)

當(dāng)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(huán)為逆向卡諾循環(huán)正向卡諾循環(huán)：工質(zhì)吸熱溫度大于工質(zhì)放熱溫度。逆向卡諾循環(huán)：工質(zhì)吸熱溫度小于工質(zhì)放熱溫度。等溫蒸發(fā)等溫冷凝TS1234T放T吸WS耗功過(guò)程：耗功量最小。實(shí)際過(guò)程的耗功量要大于逆向卡諾循環(huán)的耗功量二.蒸汽壓縮制冷循環(huán)

1.

工作原理及T-S圖主要設(shè)備有：壓縮機(jī)冷凝器膨脹機(jī)（節(jié)流閥）蒸發(fā)器四部分組成。

在制冷過(guò)程中，要涉及到相變、工質(zhì)、壓力、沸點(diǎn)等問(wèn)題蒸發(fā)器冷凝器壓縮機(jī)膨脹機(jī)或節(jié)流閥1234QHQL載冷體特點(diǎn)：傳熱過(guò)程可逆(1)卡諾壓縮制冷循環(huán)壓縮、膨脹過(guò)程可逆由熱力學(xué)第一定律：循環(huán)過(guò)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(gè)技術(shù)指標(biāo)是制冷系數(shù)?？ㄖZ壓縮制冷循環(huán)制冷系數(shù)

制冷系數(shù)與冷卻溫度TH和載冷體（被冷物質(zhì)）TL有關(guān)。若制冷溫度TL（由工藝條件決定）一定，TH↘，ε↗結(jié)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(jù)。如果工藝條件為-20℃，一般選取TL=-25℃即可性。過(guò)冷5℃，不能太多。(2)

實(shí)際壓縮制冷循環(huán)實(shí)際壓縮制冷循環(huán)就其循環(huán)所需的設(shè)備來(lái)說(shuō)，完全與卡諾壓縮制冷循環(huán)所需要的設(shè)備相同，關(guān)鍵在于在循環(huán)的過(guò)程中，每一步都不一定是可逆的。它與卡諾壓縮制冷循環(huán)不同處表現(xiàn)在五個(gè)方面。

∴①

制冷劑（工質(zhì)）進(jìn)壓縮機(jī)狀態(tài)不同卡諾：濕氣實(shí)際：干氣②

壓縮過(guò)程不同卡諾：等熵過(guò)程實(shí)際：不可逆絕熱過(guò)程等熵效率：ηs=等熵過(guò)程耗功/實(shí)際過(guò)程耗功ηs≤1∵若Q=0

則Ws=卡諾：等溫過(guò)程實(shí)際：不可逆過(guò)程，沿著等壓線變化。③冷凝過(guò)程不同④制冷劑出冷凝器狀態(tài)不同

卡諾：飽和液體實(shí)際：過(guò)冷液體

⑤膨脹過(guò)程不同

卡諾：等熵（膨脹機(jī)）實(shí)際：等焓（節(jié)流閥）

實(shí)際壓縮制冷循環(huán)：12341理想壓縮制冷循環(huán)：12”3’4”1卡諾壓縮制冷循環(huán)：1’2’3’4’1’

122’’2’33’1’44’’4’ST對(duì)于實(shí)際壓縮制冷循環(huán)，經(jīng)歷的1——2對(duì)應(yīng)于壓縮機(jī)（工廠：冰機(jī)，氨壓