6 蒸汽动力循环

1、蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环Steam-power Cycle and Steam-power Cycle and Vapor-compression Vapor-compression Refrigeration CycleRefrigeration CycleChapter 6Fig The Schematic of Steam-power Cycle6.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环(Steam-power Cycle)蒸汽动力循环：用蒸汽将热转化为功的循环蒸汽动力循环：用蒸汽将热转化为功的循环。锅锅炉炉冷凝器冷凝器1342HQP(pump)W(turbin)sWLQ蒸汽动

2、力蒸汽动力循环的示循环的示意图意图 热机效率是评价热机效率是评价蒸汽动力循环的一个重要技术质蒸汽动力循环的一个重要技术质量指标。量指标。热机效率的定义是热机效率的定义是其中，其中，QH 是工作介质从高温热源吸收的热量；是工作介质从高温热源吸收的热量；WN 是是蒸汽动力循环对外做的净功。蒸汽动力循环对外做的净功。NHWQ 4312TS0Fig The Schematic of Carnot Cycle 卡诺循环卡诺循环(Carnot Cycle) 的四个过程：的四个过程：1、饱和液体等温可逆膨、饱和液体等温可逆膨胀，成为饱和蒸汽胀，成为饱和蒸汽(4-1)；一、卡诺循环一、卡诺循环(Carnot

3、Cycle)2、饱和蒸汽绝热可逆膨、饱和蒸汽绝热可逆膨胀，成为湿蒸汽胀，成为湿蒸汽(1-2)；3、湿蒸汽等温可逆冷凝，、湿蒸汽等温可逆冷凝，进一步成为湿蒸汽进一步成为湿蒸汽(2-3)；4、湿蒸汽绝热可逆压缩，、湿蒸汽绝热可逆压缩，成为饱和液体成为饱和液体(3-4)。Carnot 循环的热机效率循环的热机效率 Carnot循环的热力学分析：循环的热力学分析： 分别对四个过程进行热力学分析。将每个过程中的分别对四个过程进行热力学分析。将每个过程中的工作介质作为研究对象，它们都属于稳流体系。热力学工作介质作为研究对象，它们都属于稳流体系。热力学第一定律：第一定律：sWQH 热力学第二定律（即熵平衡方

4、程）：热力学第二定律（即熵平衡方程）：GSTQS 由于由于Carnot循环的四个过程都是可逆过程，循环的四个过程都是可逆过程，SG= 0，熵，熵平衡方程简化成平衡方程简化成STQ 忽略流体忽略流体动能和势动能和势能变化能变化过程过程1 1：过程过程2 2：2sHW 02 Q02 S过程过程3 3：过程过程4 4：4PHW 04 Q04 S1H1STH 11HQQH 1STQHH 33HQQC 3CCSTQ 3C3STH 具体结果：具体结果：42PsNHHWWW Since for a cycle process，04321 HHHHH)()(3C1H3142STSTHHHH )(3C1HNST

5、STW Since21SS 34SS 114233SSSSSS 1CHN)(STTW HCHCHHNc1TTTTTQW 对于给定的对于给定的TH 和和 TC，Carnot 循环的热机效率是最大循环的热机效率是最大的热机效率。的热机效率。物理化学物理化学课程中的课程中的Carnot Cycle 是什么？如何推是什么？如何推导出导出Carnot Cycle的热机效率？的热机效率？ 二、朗肯循环二、朗肯循环(Rankine Cycle) Carnot Cycle是一种可逆的蒸汽动力循环，提供了是一种可逆的蒸汽动力循环，提供了蒸汽动力循环的最大热机效率，因此，可以用蒸汽动力循环的最大热机效率，因此，可

6、以用Carnot循环作为标准，评价其它实际蒸汽动力循环的能量利循环作为标准，评价其它实际蒸汽动力循环的能量利用率。用率。 Carnot 循环在操作过程中有两个非常严重的问题：循环在操作过程中有两个非常严重的问题：1、透平机中蒸汽的液体含量高，造成透平机的腐蚀；、透平机中蒸汽的液体含量高，造成透平机的腐蚀；2、要设计一种将湿蒸汽变成液体的泵是非常困难的。、要设计一种将湿蒸汽变成液体的泵是非常困难的。因此，提出了另外一种蒸汽动力循环的模型因此，提出了另外一种蒸汽动力循环的模型-Rankine 循环。循环。Fig The Schematic of Rankine Steam-power Cycle4

7、321TS0Rankine 循环的四个过程：循环的四个过程： 1、不饱和水在锅炉中等压升温汽化，变成过热蒸、不饱和水在锅炉中等压升温汽化，变成过热蒸汽（汽（4-4）；）； 2、过热蒸汽在汽轮机中绝热可逆膨胀，变成湿蒸、过热蒸汽在汽轮机中绝热可逆膨胀，变成湿蒸汽（汽（1-2）；）； 3、湿蒸汽在冷凝器中等温、等压冷凝，变成饱和、湿蒸汽在冷凝器中等温、等压冷凝，变成饱和水（水（2-3）；）； 4、饱和水在水泵中绝热可逆压缩，变成不饱和水、饱和水在水泵中绝热可逆压缩，变成不饱和水（3-4）。）。Question: Rankine循环是否遵循热力学第二定循环是否遵循热力学第二定律？为什么？律？为什么？

8、Rankine循环的热机效率循环的热机效率 Rankine循环的热力学分析方法同循环的热力学分析方法同Carnot Cycle 。 Rankine循环的热机效率是通过对该循环进行热力循环的热机效率是通过对该循环进行热力学分析得到的。学分析得到的。sWQH 由热力学第一定律即可求出由热力学第一定律即可求出Rankine循环的热和功。循环的热和功。 热力学第一定律：热力学第一定律： 过程过程1：4111HHHQQH 过程过程2：122sHHHW 过程过程3：233C3HHHQQ 过程过程4：344PHHHW 由于水的不可压缩性，在可逆压缩过程中水泵由于水的不可压缩性，在可逆压缩过程中水泵消耗的功可

9、近似按下式计算消耗的功可近似按下式计算)(3443ppVdpVWppP 水水具体结果：具体结果： 根据热机效率的定义根据热机效率的定义HNQW 由于在蒸汽动力循环中，水泵消耗的功远小于汽轮机由于在蒸汽动力循环中，水泵消耗的功远小于汽轮机做的功，水泵消耗的功可以忽略不计，因此做的功，水泵消耗的功可以忽略不计，因此HsQW 4121HHHH NsPsWWWW Rankine循环也是一种理想的蒸汽动力循环，因循环也是一种理想的蒸汽动力循环，因为工作介质在汽轮机中的膨胀做功过程是按绝热可逆为工作介质在汽轮机中的膨胀做功过程是按绝热可逆的方式进行的。只不过的方式进行的。只不过Rankine循环比循环比C

10、arnot循环更循环更接近实际的蒸汽动力循环。接近实际的蒸汽动力循环。 在实际的在实际的Rankine循环中，工作介质在汽轮机中循环中，工作介质在汽轮机中的膨胀做功过程不是按绝热可逆的方式进行的，而是的膨胀做功过程不是按绝热可逆的方式进行的，而是一个不可逆过程，其一个不可逆过程，其T-S 图是：图是：Note:SFig The Schematic of Practical Rankine Steam-Power Cycle4321T20Problem某一蒸汽动力装置按某一蒸汽动力装置按Rankine循环工作。已知锅炉循环工作。已知锅炉工作压力为工作压力为40 105Pa，产生，产生440 0C

11、过热蒸汽；汽过热蒸汽；汽轮机出口压力为轮机出口压力为0.04 105Pa；蒸汽流量为；蒸汽流量为60吨吨/小小时。求该蒸汽动力装置的热机效率。时。求该蒸汽动力装置的热机效率。Solution1214HHHH 根据根据Rankine循环循环热机效率计算公式热机效率计算公式 必须查水蒸汽的性必须查水蒸汽的性质表，求出工作介质质表，求出工作介质水在水在Rankine循环循环T-S 图上图上1，2和和 4点的焓。点的焓。Rankine循环循环T-S图图4123ST01点是过热蒸汽，点是过热蒸汽，P1= 40 105Pa，T1=440 0C。查过热。查过热水蒸汽表，得到水蒸汽表，得到kJ/kg1 .33

12、071 HKkJ/kg9041. 61 S2点是湿蒸汽，点是湿蒸汽，P2= 0.04 105Pa，它是由饱和蒸汽和饱，它是由饱和蒸汽和饱和水构成的两相平衡系统和水构成的两相平衡系统 查饱和水和饱和水蒸汽性质表，得到查饱和水和饱和水蒸汽性质表，得到P2= 0.04 105Pa 时饱和水和饱和水蒸汽的性质：时饱和水和饱和水蒸汽的性质：干度干度x是是未知量。未知量。lvHxxHH222)1( lvSxxSS222)1( kJ/kg4 .25542 vHkJ/kg46.1212 lHKkJ/kg4746. 82 vSKkJ/kg4226. 02 lS因为因为12SS 9041. 6)1(4226. 0

13、4746. 8 xx805. 0 xkJ/kg98.2079)805. 01(46.121805. 04 .25542 H4点是不饱和水，点是不饱和水，P4= 40 105Pa。由于。由于4点的温度是点的温度是未知的，不能通过查未饱和水的性质表获得热力学性未知的，不能通过查未饱和水的性质表获得热力学性质数据，只能用下面的近似方法求取。质数据，只能用下面的近似方法求取。lHHHHH24344 424HHHl )()(2134443PPVppVdpVWHppP 水水水)(2124ppVHHl 水kJ/kg472.12510)04. 040(10004. 146.12156 576. 015.273

14、44015.27396.2811 HCCTT386. 0472.1251 .330798.20791 .3307 由前面的计算可以看出，由前面的计算可以看出，Rankine循环的热机效率循环的热机效率只是只是Carnot循环的循环的67%。如何提高。如何提高Rankine循环的热机循环的热机效率？效率？HsQW 分析蒸汽动力循环热机效率的定义式分析蒸汽动力循环热机效率的定义式可以看出，要提高蒸汽动力循环的热机效率，就要增加可以看出，要提高蒸汽动力循环的热机效率，就要增加循环过程做的功。循环过程做的功。具体措施是：具体措施是：1 1、提高汽轮机的进汽温度和压力；、提高汽轮机的进汽温度和压力；2

15、2、降低汽轮机出口蒸汽的压力。、降低汽轮机出口蒸汽的压力。TS121234Fig 提高汽轮机进汽温度和压力，提提高汽轮机进汽温度和压力，提高热机效率的示意图高热机效率的示意图面积面积1122是增加的功是增加的功TS1223344Fig 降低汽轮机出口蒸汽的压力，提降低汽轮机出口蒸汽的压力，提高热机效率的示意图高热机效率的示意图面积面积2233是增加的是增加的功功Fig 回热式蒸汽动力循环示意图回热式蒸汽动力循环示意图锅锅炉炉回回热热预预热热器器水泵水泵冷凝器冷凝器1-改进的改进的Rankine循环循环TS1-0Fig 回热式蒸汽动力循环回热式蒸汽动力循环T-S 图图6.2 节流膨胀与对外做功的

16、绝热膨胀节流膨胀与对外做功的绝热膨胀 在蒸汽压缩制冷循环中，有一个十分重要的过程是在蒸汽压缩制冷循环中，有一个十分重要的过程是降低工作介质的温度。如何降低工作介质的温度？下面降低工作介质的温度。如何降低工作介质的温度？下面的两个膨胀过程能达到降低工作介质温度的目的。的两个膨胀过程能达到降低工作介质温度的目的。 一、节流膨胀一、节流膨胀描述：描述：高压流体流经管道中一节流装置（如节流阀，高压流体流经管道中一节流装置（如节流阀，孔板，毛细管等），迅速膨胀到低压的过程称为节流孔板，毛细管等），迅速膨胀到低压的过程称为节流膨胀过程。膨胀过程。 节流膨胀过程的热力学特征：节流膨胀过程的热力学特征： 将节

17、流装置中的流体当作体系，它是稳流体系，将节流装置中的流体当作体系，它是稳流体系，应用稳流体系热力学第一定律应用稳流体系热力学第一定律s221WQzguH 在节流膨胀过程中在节流膨胀过程中Ws = 0，忽略动能差和热能差，忽略动能差和热能差（对（对于大多数化工过程，动能差和热能差同焓的变化量相于大多数化工过程，动能差和热能差同焓的变化量相比，可以忽略不计。）比，可以忽略不计。）；由于节流膨胀过程是在瞬间；由于节流膨胀过程是在瞬间完成的，速度非常快，以致流体来不及同外界交换热完成的，速度非常快，以致流体来不及同外界交换热量，量，Q = 0。0 H 节流膨胀过程的热力学特征是等焓过程。节流膨胀过程的

18、热力学特征是等焓过程。 在节流膨胀过程中，流体的温度随压力的变化关在节流膨胀过程中，流体的温度随压力的变化关系定义为系定义为Joule-Thomson效应系数。即效应系数。即HJpT Since),(pTHH dppHdTTHdHTp pTHTHpHpT J 根据根据Chapter 3得到的结果得到的结果pTTVTVpH ppCTH 以及等压热容的定义式以及等压热容的定义式ppCVTVT J得到得到分析：分析：1、if0 VTVTp ，流体经节流膨胀后，温度升高，流体经节流膨胀后，温度升高（热效应）（热效应）；0 J 2、if ，流体经节流膨胀后，温度降低，流体经节流膨胀后，温度降低（冷效应）

19、（冷效应）；0 J 3、if ，流体经节流膨胀后，温度不变，流体经节流膨胀后，温度不变（零效应）（零效应）。0 J节流膨胀不能使所有的流体温度降低节流膨胀不能使所有的流体温度降低。0 VTVTp0 VTVTp 二、对外做功绝热膨胀二、对外做功绝热膨胀描述描述：高压流体在膨胀机中从高压向低压作绝热膨胀，：高压流体在膨胀机中从高压向低压作绝热膨胀，同时对外做功的过程。同时对外做功的过程。 如果膨胀过程按可逆方式进行，则对外做功的可如果膨胀过程按可逆方式进行，则对外做功的可逆绝热膨胀过程的热力学特征是逆绝热膨胀过程的热力学特征是S=0，即是等熵膨，即是等熵膨胀。胀。 对外做功可逆绝热膨胀过程的热力学

20、特征：对外做功可逆绝热膨胀过程的热力学特征： 等熵膨胀过程中，流体的温度随压力的变化关系等熵膨胀过程中，流体的温度随压力的变化关系定义为等熵膨胀效应系数。即定义为等熵膨胀效应系数。即SSpT Since),(pTSS dppSdTTSdSTp pTSSTSpSpT)()( 根据根据Chapter 3中的中的Maxwell关系式关系式pTTVpS 又因为又因为TCTSpp ppSTVCT 由于由于0 pTV0 S任何流体经过对外做功的可逆绝热膨胀，温度都降低。任何流体经过对外做功的可逆绝热膨胀，温度都降低。 THTS两种膨胀过程优缺点的比较两种膨胀过程优缺点的比较1、降温程度、降温程度对外做功的

21、可逆对外做功的可逆膨胀过程降温程膨胀过程降温程度大于节流膨胀度大于节流膨胀过程。过程。122P1P2H ST02、降温条件、降温条件 节流膨胀降温是有条件的，只有符合下面条件的节流膨胀降温是有条件的，只有符合下面条件的流体节流膨胀后温度降低，即流体节流膨胀后温度降低，即0 VTVTp而任何流体经对外做功的绝热可逆膨胀后温度都降低。而任何流体经对外做功的绝热可逆膨胀后温度都降低。3、设备与操作、设备与操作 节流膨胀采用节流阀，结构简单，操作方便，可节流膨胀采用节流阀，结构简单，操作方便，可用于汽液两相区工作；而膨胀机结构复杂，设备投资用于汽液两相区工作；而膨胀机结构复杂，设备投资大，只能用于气体

22、的膨胀。大，只能用于气体的膨胀。 通过上述分析可以看出，两种膨胀过程各有优缺通过上述分析可以看出，两种膨胀过程各有优缺点。在实际制冷过程中，通过技术经济分析，选择其点。在实际制冷过程中，通过技术经济分析，选择其中的一种膨胀装置。通常情况下，节流膨胀用于普通中的一种膨胀装置。通常情况下，节流膨胀用于普通的制冷循环，如空调、冰箱等。对外做功绝热膨胀过的制冷循环，如空调、冰箱等。对外做功绝热膨胀过程用于大、中型气体液化过程。由于膨胀机不适用于程用于大、中型气体液化过程。由于膨胀机不适用于有液体存在的场合，一般将对外做功绝热膨胀同节流有液体存在的场合，一般将对外做功绝热膨胀同节流膨胀结合使用。膨胀结合

23、使用。6.3 蒸汽压缩制冷循环（蒸汽压缩制冷循环（Vapor-compression Refrigeration Cycle）制冷：制冷：制冷循环制冷循环蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环蒸汽喷射制冷（拉法尔喷嘴）蒸汽喷射制冷（拉法尔喷嘴）吸收式制冷吸收式制冷蒸汽压缩制冷循环的基本过程：蒸汽压缩制冷循环的基本过程：工作介质在低温工作介质在低温下不断吸热下不断吸热形成的蒸汽压缩形成的蒸汽压缩在高温下放热在高温下放热高压液体膨胀高压液体膨胀使体系温度小于环境温度的操作称为制冷。使体系温度小于环境温度的操作称为制冷。Fig The Schematic of the Vapor-compression Refrigeration Cycle压压缩缩机机冷凝器冷凝器蒸发器蒸发器节节流流阀阀1234HQLQsW蒸汽压缩制冷循环的蒸汽压缩制冷循环的 T-S图图12453STFig