蒸汽動力循環(huán)和制冷循環(huán)

蒸汽動力循環(huán)和制冷循環(huán)第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日6.1蒸汽動力循環(huán)汽輪機水泵冷凝器鍋爐第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日能量分析

Turbine汽輪機

1–2表示過熱蒸汽在汽輪機中的可逆絕熱膨脹過程，對外所做軸功可由膨脹前后水蒸汽的焓值求出。

汽輪機水泵冷凝器鍋爐第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日能量分析

Condensor冷凝器

2–3表示乏汽在冷凝器中的等溫等壓冷凝過程，放出的熱量。

汽輪機水泵冷凝器鍋爐第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日能量分析

Pump水泵

3–4表示冷凝水通過水泵由P3升壓至P4的可逆絕熱壓縮過程，需要消耗的軸功把水看作是不可壓縮流體，則

汽輪機水泵冷凝器鍋爐第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日EnergyAnalysis能量分析

Boiler

鍋爐

4–1表示液體水在鍋爐中被等壓加熱汽化成為過熱蒸汽的過程。工質(zhì)在鍋爐中吸收的熱量

汽輪機水泵冷凝器鍋爐第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日理想Rankine循環(huán)的熱效率蒸汽動力循環(huán)中，水泵的耗功量遠小于汽輪機的做功量

熱效率的高低可以反映出不同裝置輸出相同功量時所消耗的能量的多少，它是評價蒸汽動力裝置的一個重要指標。第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日汽耗率作出單位量凈功所消耗的蒸汽量稱為汽耗率，用SSC(SpecificSteamConsumption)表示。當對外作出的凈功相同時，汽耗率大的裝置其尺寸相應(yīng)增大。所以汽耗率的高低可用來比較裝置的相對尺寸大小和過程的經(jīng)濟性。第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日工質(zhì)為水蒸氣因為水蒸氣不是理想氣體，氣體的性質(zhì)不能用理想氣體方程計算，需要通過熱力學(xué)圖表或?qū)嶋H流體的狀態(tài)方程求得。第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日計算方法狀態(tài)點1,根據(jù)P1、t1值可查得H1、S1值;狀態(tài)點2,S2=S1,根據(jù)P2、S2值可查得H2、t2值;狀態(tài)點3,P3=P2,查P3下的飽和液體可得H3、V3、S3值;狀態(tài)點4,P4=P1,S4=S3,根據(jù)P4、S4可查得H4值;或H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日蒸汽通過汽輪機的絕熱膨脹實際上不是等熵的，而是向著墑增加的方向偏移，用1-2′線表示。水泵的耗功量遠小于汽輪機的做功量，可不考慮不可逆的影響。蒸汽通過汽輪機膨脹，實際做出的功應(yīng)為H1–H2′，它小于等熵膨脹的功H1–H2。兩者之比稱為透平機的等熵效率。第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日實際Rankine循環(huán)的熱效率第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日例6-1

某一理想的Rankine循外，鍋爐的壓力為4MPa，產(chǎn)生440℃過熱蒸汽,汽輪機出口壓力為0.004MPa,蒸汽流量60t/h,求（1）過熱蒸汽每小時從鍋爐吸收的熱量；（2）乏氣的濕度以及乏氣在冷凝器放出熱量；（3）汽輪機作出的理論功率和水泵消耗的理論功率；（4）循環(huán)的熱效率。第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日（1）確定各點的參數(shù)1點（過熱蒸汽）,根據(jù)P1=4MPa、t1=440℃,查過熱水蒸氣表得H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kg·K);2點（濕蒸汽）,P2=4kPa,S2=S1=6.9041kJ/(kg·K)

,查飽和水蒸氣表得Hg=2554.4kJ/kgHl=121.46kJ/(kg·K)

Sg=8.4746kJ/kgSl=0.4226kJ/(kg·K)

Vl=1.004cm3/g2點處的干度為x8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041x=0.8050H2=2554.4×0.805+(1-0.805)×121.46=2080.0第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日3點（飽和液體）P3=4kPaH3=Hl=121.46kJ/kgS3=Sl=0.4226kJ/(kg·K)4點（未飽和水）方法1H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3)=121.46+0.001004×(4000-4)=125.5kJ/kg方法2已知P4=4MPa,S4=S3=0.4226kJ/(kg·K),查未飽和水性質(zhì)表第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日H2=126.1kJ/kg2.5MPaHS5MPaHS4MPaHS20℃86.300.296188.650.295640℃169.770.5715171.970.570587.710.2958171.090.5709第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日（2）計算過熱蒸汽每小時從鍋爐吸收的熱量Q1=m(H1-H4)=60×103×(3307.1-125.5)=190.9×106kJ/h乏氣在冷凝器放出的熱量Q2=m(H2-H3)=60×103×(2080.0-121.5)=117.5×106kJ/h乏氣的濕度為1-x=1-0.805=0.195汽輪機作出的理論功率

第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日

水泵消耗的理論功率

熱效率第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日例6-2在某核動力循環(huán)裝置，鍋爐溫度為320℃的核反應(yīng)堆吸入熱量Q1，產(chǎn)生壓力為7MPa、溫度為360℃的過熱蒸汽(點1)，過熱蒸汽經(jīng)汽輪機膨脹作功后于0.008MPa壓力下排出(點2)，乏氣在冷凝器中向環(huán)境溫度t0＝20℃進行定壓放熱變?yōu)轱柡退?點3)，然后經(jīng)泵返回鍋爐(點4)完成循環(huán)。已知汽輪機的額定功率為5×104kW，汽輪機作不可逆的絕熱膨脹，其等熵效率為0.75，水泵作等熵壓縮。試求：(1)蒸氣的質(zhì)量流量；(2)乏氣的濕度；(3)循環(huán)的熱效率。第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日1點（過熱蒸汽）,根據(jù)P1=7MPa、t1=360℃,查過熱水蒸氣表得H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kg·K);2點（濕蒸汽）,P2=0.008MPa,查飽和水蒸氣表得Hg=2577.0kJ/kgHl=173.88kJ/(kg·K)

Sg=8.2287kJ/kgSl=0.5926kJ/(kg·K)

汽輪機作等熵膨脹S2=S1=6.2801kJ/(kg·K)

,S2=Sgx2+(1-x2)Sl6.2801=8.2287x2+(1-x2)×0.5926x2=0.7448第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日H2=Hgx2+(1-x2)Hl=2577.0×0.7488+(1-0.7488)×173.88=1963.7汽輪機作等熵膨脹過程1-2所作的理論功WRWR=H2-H1=1963.7-3045.5=-1081.8kJ/kg汽輪機作實際膨脹過程1-2′所作的功WsWs=ηsWR=-1081.8×0.75=-811.4kJ/kg

Ws=H2′-H1H2′=H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg汽輪機作實際膨脹后乏氣的干度為x2′H2′=Hgx2′+(1-x2′)Hl2234.1=2577.0x2′+(1-x2′)173.9x2′=0.8573第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日乏氣的濕度為1-0.8573=0.1427

3點0.008MPa飽和液體

H3=173.88kJ/(kg·K)

S3=0.5926kJ/(kg·K)

4點P4=7MPa,S4=S3=0.5926kJ/(kg·K)

查未飽和水性質(zhì)表

5MPaHS7.5MPaHS4MPaHS40℃171.970.5705174.180.569680℃338.851.0720340.841.0704173.740.5698340.441.0707H4=181.33kJ/kg第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日水泵所消耗的功WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg熱效率第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日通過改變蒸汽參數(shù)提高朗肯循環(huán)的熱效率1.提高蒸汽的過熱溫度在相同的蒸汽壓力下，提高蒸汽的過熱溫度時,可提高平均吸熱溫度，增大作功量，提高循環(huán)的熱效率，并且可以降低汽耗率。同時乏氣的干度增加，使透平機的相對內(nèi)部效率也可提高。但是蒸汽的最高溫度受到金屬材料性能的限制，不能無限地提高，一般過熱蒸汽的最高溫度以不超873K為宜。第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日2.提高蒸汽的壓力當蒸汽壓力提高時，熱效率提高、而汽耗率下降。但是隨著壓力的提高，乏汽的干度下降，即濕含量增加，因而會引起透乎機相對內(nèi)部效率的降低．還會使透平中最后幾級的葉片受到磨蝕，縮短壽命。乏汽的干度一般不應(yīng)低于0.88。另外，蒸汽壓力的提高，不能超過水的臨界壓力，而且設(shè)備制造費用也會大幅上升。第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日6.2節(jié)流膨脹與作外功的絕熱膨脹6.2.1節(jié)流膨脹

ΔH=0流體進行節(jié)流膨脹是，由于壓力變化而引起的溫度變化稱為節(jié)流效應(yīng)或Joule-thomson效應(yīng)第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日μJ﹥0節(jié)流后溫度降低μJ=0節(jié)流后溫度不變μJ﹤0節(jié)流后溫度升高理想氣體μJ=0實際氣體μJ值可為正值、負值或零第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日

6.2.2作外功的絕熱膨脹

等熵膨脹效應(yīng)系數(shù)μs必為正值。氣體進行等熵膨脹時，對外做功，膨脹后氣體溫度總是下降。第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日6.3制冷循環(huán)高溫環(huán)境低溫環(huán)境第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日6.3.1蒸汽壓縮制冷循環(huán)1逆向Carnot循環(huán)蒸發(fā)器冷凝器膨脹機q0q2壓縮機1234T1T2TS1234第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日循環(huán)的吸熱量q0=TL(S1-S4)循環(huán)的放熱量q2=TH(S3-S2)=-TH(S1-S4)⊿H＝q＋WS制冷劑完成一個循環(huán)⊿H＝0，凈功為制冷系數(shù)TLTHTS1234第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日

逆卡諾循環(huán)

逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是工質(zhì)溫度的函數(shù)，與工質(zhì)無關(guān)。在相同溫度區(qū)間工作的制冷循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最大。制冷循環(huán)中，高溫下放熱量大于低溫下吸熱量。

第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日

某蒸汽壓縮制冷過程,制冷劑在２5０K吸收熱量QL,在３００K放出熱量-QH,壓縮和膨脹過程是絕熱的，向制冷機輸入的凈功為WN，判斷下列情況是

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）該制冷過程是可逆的

第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日

（2）QL=1000kJQH=－1500kJ

（3）WN=100kJQH=－700kJ該制冷過程是不可逆的

該制冷過程是不可能的

第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日2單級蒸汽壓縮制冷蒸發(fā)盤管冷凍室冷凝盤管壓縮機毛細管第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日高溫環(huán)境低溫冷室蒸發(fā)器冷凝器第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日高溫環(huán)境低溫冷室蒸發(fā)器冷凝器第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日1-2可逆絕熱壓縮過程Ws=H2－H1kJ/kg2-4等壓冷卻、冷凝過程q2=H4-H2kJ/kg4-5節(jié)流膨脹過程H5=H44-1等壓、等溫蒸發(fā)過程q0=H1－H5kJ/kg制冷系數(shù)T0TTS12345焓值：查圖、表或計算第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日若制冷劑的“制冷能力”為Q0kJ/h，那么，制冷劑的循環(huán)量為

壓縮機消耗的功率第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日某壓縮制冷裝置，用R134a作為制冷劑，蒸發(fā)器中的溫度為-25℃，冷卻器中的壓力為1.0MPa，假定R134a進入壓縮機時為飽和蒸汽，而離開冷凝器時為飽和液體，壓縮過程按絕熱可逆計算，每小時制冷量Q0為1.67×105

kJ·h-1。求：（1）所需的制冷劑流率；（2）制冷系數(shù)。

1點-25℃飽和蒸汽查表得H1＝231.9kJ/kgS1＝0.9367kJ/(kg·K)T0TTS12345第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日

2點P2

＝1MPa，S2

＝S1

＝0.9367kJ/(kg·K)

查表得H2

＝278.7kJ/kg

T0TTS12345第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日

4點1MPa飽和液體查表得H4

＝104.2kJ/kg

T0TTS12345第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日

H1＝231.9kJ/kgH2

＝278.7kJ/kgH4

＝104.2kJ/kgH5

＝H4T0TTS1