第6章蒸汽动力循环与制冷循环
一、选择题
1. 蒸汽压缩制冷循环过程中，制冷剂蒸发吸收的热量一定制冷剂冷却和冷凝放出的热量
A 大于 B等于 C小于
（C）
2. 从制冷原理和生产应用方面说明制冷剂的选择原则。
答（1）潜热要大。因为潜热大，冷冻剂的循环量可以减小。氨在这方面具有显著的优点，它的潜热比氟里昂约大10倍，常用于大型制冷设备。
（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。因为冷凝压力高将增加压缩机和冷凝器的设备费用，功率消耗也会增加；而蒸发压力低于大气压力，容易造成空气漏入真空操作的蒸发系统，不利于操作稳定。在这方面氨和氟里昂也是比较理想的。
（3）冷冻剂应该具有化学稳定性。冷冻剂对于设备不应该有显著的腐蚀作用。氨对铜有强烈的腐蚀作用，对碳钢则腐蚀不强；氟里昂则无腐蚀。
（4）冷冻剂不应有易燃和易爆性。
（5）冷冻剂对环境应该无公害。氟里昂F11、F12对大气臭氧的破坏已被公认，将逐渐被禁用，无公害的氟里昂替代品已大量应用。
综合以上各点，氨作为冷冻剂常用于大型冷库和工业装置。而无公害氟里昂常用于小型冷冻机和家用电器
3. 某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在２5０K吸收热量Q L,在３００K放出热量-Q H,压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的功为Ws，判断下列问题的性质。A可逆的 B 不可逆的C 不可能的
(1). Q L =2000kJ Ws=400kJ
（A ）
250
5
300250
η==
-
可逆
2000
5
400
L
s
Q
W
η===
ηη
=
可逆
该制冷过程是可逆的(2). Q L=1000kJ Q H=－1500kJ
( B )
250
5
300250
η==
-
可逆
1000
2
15001000
L L
s H L
Q Q
W Q Q
η====
---
ηη
<
可逆
该制冷过程是不可逆的(3). Ws=100kJ Q H=－700kJ
( C )
250
5
300250
η==
-
可逆
700100
6
100
H s
L
s s
Q W
Q
W W
η
---
====
ηη
>
可逆
该制冷过程是不可能的
4. 卡诺制冷循环的制冷系数与有关。
A制冷剂的性质B制冷剂的工作温度C制冷剂的循环速率D压缩机的功率( B )
T
二、计算题
1.为使冷库保持-20℃,需将419000kJ/h 的热量排向环境，若环境温度T 0=27℃，试求理想情况下每小时所消耗的最小功和排向大气的热量。
解： ()
027320 5.382720c c T T T ξ-===--- c s Q W ξ= 41900077838/5.38c s Q W kJ h ξ==
= 041900077838496838/c s Q Q W kJ h =--=--=-
2． 利用热泵从90℃的地热水中把热量传到160℃的热源中，每消耗1kw 电功，热源最多能得到多少热量？
解： 0160273 6.1916090R R T T T ξ+===-- 1HP net
Q P ξ= 1 6.191 6.19HP net Q P kW
ξ=?=?=
3.某蒸汽动力循环操作条件如下：冷凝器出来的饱和水，由泵从0.035Mpa 加压至1.5Mpa 进入锅炉，蒸汽离开锅炉时被过热器加热至280℃。 求：(1) 上述循环的最高效率。 (2) 在锅炉和冷凝器的压力的饱和温度之间运行的卡诺循环的效率，以及离开锅炉的过热蒸汽温度和冷凝器饱和温度之间运行的卡诺循环的效率。 (3) 若透平机是不可逆绝热操作，其焓是可逆过程的80%。 求此时的循环效率。 解： (1) 各状态点的热力学性质，可由附录水蒸汽表查得 1
6303.46H KJ kg -=? 1
23611612() 1.024510(1.50.035)10 1.5
P P H H V d P V P P k J k g ---==-=??-?=?? 115.146.303-?+=kg kJ H （由于液体压力增加其焓增加很少，可以近似16H H =）
142992.7H KJ kg -=? 4 6.8381S =11--??K kg kJ
该循环透平机进行绝热可逆操作，增压泵也进行绝热可逆操作时效率最高。
54 6.8381S S ==，由0.035Mpa ，查得
气相，117153.7--??=K kg kJ S g （查饱和蒸汽性质表）
液相，119852.0--??=K kg kJ S l （查饱和水性质表内插）
气相含量为x
8381.69852.0)1(7153.7)1(3=?-+?=-+?=x x S x S x S l g
87.0=x
15(1)0.872631.4(10.87)303.462328.77g l H x H x H kJ kg -=?+-=?+-?=?
45412992.72328.770.2472992.7303.96
H H H H η--===-- 冷凝器压力0.035Mpa ，饱和温度为72.69℃；锅炉压力1.5Mpa ，饱和温度为198.32℃。卡诺循环运行在此两温度之间，卡诺循环效率
267.0273
32.19869.7232.198=+-=-=高低
高卡T T T η 若卡诺循环运行在实际的二个温度之间，其效率为
375.0273
28069.72280=+-=-=高低高卡T T T η (3)不可逆过程的焓差为0.80(H 2-H 3)，而吸收的热仍为12H H -，因此效率4541
0.80()0.800.2470.198H H H H η-==?=-
4. 在25℃时，某气体的P-V-T 可表达为PV=RT +6.4×104P ，在25℃，30MPa 时将该气体进行节流膨胀，向膨胀后气体的温度上升还是下降？
解；判断节流膨胀的温度变化，依据Joule-Thomson 效应系数μJ 。
由热力学基本关系式可得到：
p
P H J C V T V T P T -??=??=)()()(μ 将P-V-T 关系式代入上式，P RT PV 4104.6?+=→4104.6?+=
P RT V ，其中P R T V P =??)( 0104.6104.644
=p
p p p J C C C P PV RT C V P R T μ 可见，节流膨胀后，温度比开始为高。
5．将典型的蒸汽压缩制冷循环的T-S 图分别在P-H 图和H-S 图上表示出来。
解：压缩机的可逆绝热过程是等熵过程，节流过程常可看作为等焓过程，则循环可用如下P-H 和H-S 图表示。
T
6． 某蒸汽压缩制冷循环，制冷量Q 0为3×104kJ ·h -1，蒸发室温度为-15℃，冷凝器用水冷却，进口
为8℃。若供给冷凝器的冷却水量无限大时，计算制冷循环消耗的最小功为多少？如果冷凝器用室温（25℃）空气冷却时，其消耗的最小功又是多少？
解：首先需要明确的是：在所有的制冷循环中，逆卡诺循环的制冷效率最高，即功耗最小。循环效率有如下的关联式：
)
()()()(ξ0
121卡净功制冷量冷凝温度蒸发温度N W Q T T T =-= 按照传热原理，如果进出冷却器的冷却水量无限大，则不仅冷却水进出口温度接近相同，而且被冷介质的温度也相同。因此
当冷却水量无限大时，冷凝温度T 2=(8+273)K ，
所以最少净功 14N h KJ 4.2674103273
15)27315()2738(W -?=??+-+--+= 当冷凝器用空气冷却时，冷凝温度近似等于室温25℃
最小净功 142.4651103273
15)27315()27325(-?=
??+-+--+=h kJ W N 由计算结果可见，冷却温度越低，消耗功越小。但是空气冷却所用设备简单，如家用空调器，冰箱采用散热片空气冷却，不过它们的能耗要比水冷却高许多。
7． 实际蒸汽压缩制冷装置中的膨胀过程，为何采用节流阀而不用膨胀机？如果用膨胀机，请在T —S 图上标出哪些面积代表膨胀机回收的功？
解：制冷装置的膨胀过程，采用节流元件（如阀、孔板等）主要考虑到节流设备简单，装置紧凑。对于中小型设备而言，这个膨胀功是不值得回收的，功量不大，但是设备投资要增加许多。因此，大多不采用膨胀机。
在下面的T —S 图上，节流元件膨胀过程如3→4，是等焓过程，而膨胀机膨胀过程如3→4'，是等
熵过程。
膨胀机回收的功量如阴影部分积分。
8．某压缩制冷装置，用氨作为制冷剂，氨在蒸发器温度为
-25℃，冷却器中的压力为1.0MPa ，假定氨进入压缩为饱和
蒸汽，而离开冷凝器时为饱和液体，每小时制冷量 1.67×
105 kJ·h -1。 求：（1）所需的氨流率； （2）制冷系数。
解：通过NH 3的P-H 图可查到各状态点焓值。
P
1.0MPa
-25℃按照题意，氨进入压缩机为饱和状态1，离开冷凝器为饱和状态3。
氨在蒸发器中的过程即4→1 H 1=1430KJ ·kg -1
H 2=1710KJ ·kg -1
氨在冷凝器中的过程即2→3，H 3=H 4=320KJ ·kg -1
氨流率 15
410005.150320
14301067.1-?=-?=-==h kg H H Q q Q G 制冷系数 0142114303201110 3.9617101430280
s q H H W H H ξ--=====-- 注：求解此类题目：关键在于首先确定各过程状态点的位置，然后在P-H 图或T —S 图上查到相应的焓（或温度、压力）值，进行计算。
9．有一氨压缩制冷机组，制冷能力Q 0为4.0×104KJ ·h -1，在下列条件工作：蒸发温度为-25℃，进入压缩机的是干饱和蒸汽，冷凝温度为20℃，冷凝过冷5℃。
试计算：
（1）单位重量制冷剂的制冷能力；
（2）每小时制冷剂循环量；
（3）冷凝器中制冷剂放出热量；
（4）压缩机的理论功率；
（5）理论制冷系数。
解：首先在P —H 图（或T —S 图）上按照已知条件定出各状态点。
查得 H 1=1430KJ ·kg -1
H 2=1680KJ ·kg -1
冷凝出来的过冷液体（过冷度为5℃）状态3'的决定：假设压力对液体的焓值几乎没有影响，从状态3沿着饱和液体线向下过冷5℃，找到3''，用此点的焓值近似代替3'的焓值，由于过冷度是有限的，实际上3'和3''很接近，不会造成太大的偏差。3''→4仍为等焓膨胀过程，
H 3`=H 4=270kJ ·kg -1
制冷能力 q 0=H 1-H 4=1430-270=1160KJ ·kg -1
制冷剂循环量 14
005.341160
104-?=?==h kg q Q G 冷凝过程即2→3'，放出热量Q=（H 3-H 2）G=34.5(270-1690)=-48645KJ ·h -1
压缩机功率 kW H H G N 40.23600
)14301680(5.343600)(12=-=-= 制冷系数 64.4250
11601430168027014301241==--=--=H H H H ξ
10．压缩机出口氨的压力为1.0MPa ，温度为50℃，若按下述不同的过程膨胀到0.1MPa ，试求经膨胀后氨的温度为多少？
（1）绝热节流膨胀；
（2）可逆绝热膨胀。
解：（1）绝热节流膨胀过程是等焓过程，从P-H 图上沿着等焓线可找到终态2为0.1MPa 温度为30℃。
（2）可逆绝热膨胀过程是等熵过程，同样沿着等熵线可找到终态2'为0.1MPa 时，温度为-33℃。
11. 某实验电厂设计参数如下：锅炉出口蒸汽参数为2500kPa ，390℃；汽轮机入口蒸汽参数为2300kPa ，385℃；凝汽器中蒸汽压力为7kPa ，
（1）试求相应的Rankine 循环热效率（新汽参数按汽轮机入口蒸汽参数考虑）。
（2）已知以发电机电能输出为基准的煤耗率为0.71/()a b kg kW h =(按发热量为29288kJ/kg 的标准煤计)。求此期间发电的热效率ηa 。
解：
（1）
查过热水蒸汽表，由T 1=290℃，p 1=2500kPa ，得 H 1=3222kJ/kg
由1'T =385℃,1'p =2300kPa ，查得 1'H =3208kJ/kg, 1'S =7.0107kJ/(kg ·K)
由p 2=7kPa ，查饱和水和饱和蒸汽表，得
H 2L =H 3=162.7kJ/kg ， H 2V =2572kJ/kg
S 2L =0.5568kJ/(kg ·K)， S 2V =8.280 kJ/(kg ·K)
因为'
1-2为可逆绝热过程，则S 2=1'S =7.0107 kJ/(kJ ·K)，设点2的干度为x ，则有
S 2=S 2V x ＋S 2L (1－x)
7.0107=8.280x ＋0.5568(1－x)
x=0.837
由此可得
H 2=H 2V x ＋H L (1－x)=2572×0.837＋162.7×0.163=2179(kJ/kg)
则Rankine 循环热效率为 1'213320821790.33733.7%3222162.7
111/3600/5070/0.710.71a H H W Q H H kW h kg kJ kg kJ kg b η--=
====--==?=
（2） 由已知条件知，以发电机电能输出为基准的煤耗率b a =0.71kg/(kW ·h),则1kg 煤的发电量
℃
==111/3600/5070/0.710.71
a kW h kg kJ kg kJ kg
b ==?=又已知1kg 煤的发热量知1kg 煤的发热量为29228kJ/kg ，故发电的热效率为
ηa =11kg kg 煤的发电量煤的发热量
×100% =5070100%17.3%29288
?= 12. 某压缩制冷装置，用氨作为制冷剂，氨在蒸发器中的温度为－25℃，冷凝器内的压力为1180kPa ，假定氨进入压气机时为饱和蒸气，而离开冷凝器时是饱和液体，如果每小时的制冷量为167000kJ ，求
（1） 所需的氨流率；
（2） 制冷系数。
解：此氨制冷循环示于右图所示T-S 图上。
（1） 查的T-S 图，得H 1=1648kJ/kg ，H 2=1958kJ/kg ，
H 3=H 4=565kJ/kg 则单位质量制冷剂的制冷量为
q 0=H 1－H 4=1648－565=1083(kJ/kg)
所需的氨流率为
G=001670001083
Q q ==154.2（kg/h ） (2)制冷系数为
ε=0021108319581648
q q W H H ==--=3.49 13. 有一制冷能力为Q 0=41800kJ/h 的氨压缩机，在下列条件下工作：蒸发温度t 0=－15℃,冷凝温度t k =＋25℃，过冷温度t=＋20℃，压缩机吸入的是干饱和蒸气，试计算
（1） 单位质量的制冷能力；
（2） 每小时制冷剂循环量；
（3） 在冷凝器中制冷剂放出的热量；
（4） 压缩机的理论功率；
（5） 理论制冷系数。
解：状态点1为－15℃的干饱和蒸气，由氨的温熵查得H 1=1664kJ/kg 。由t 1=－15℃饱和汽线上该状态点（沿等熵线垂直向上）与t=30℃对应的饱和压力p 3=10×105Pa 线相交，查得H 2=1866kJ/kg 。状态点5为20℃的过冷液体，查20℃的饱和液体得H 5=514.6kJ/kg 。因节流前后焓值不变，则H 6= H 5=514.6kJ/kg
（1） 单位质量的制冷能力为
q 0=H 1－H 6=1664－514.6=1149.4（kJ/kg ） (2) 每小时制冷剂循环量为
G=00418001149.4
Q q ==36.37（kg/h ） （3） 在冷凝器中制冷剂放出的热量为
Q=G （H 5－H 2）=36.77×（514.6－1866）=－49691（kJ/h ）
（4） 压缩机的理论功率为
N T =G （H 2－H 1）=36.37×（1866－1664）
=7346.74（kJ/h ）=2.04kJ/s=2.04kW
（5） 理论制冷系数
ε=00211149.4()(18661664)
q q W H H ==--=5.69
14.有人设计了一套装置用来降低室温。所用工质为水，工质喷入蒸发器内部分汽化，其余变为5℃的冷水，被送到使用地点，吸热升温后以13℃的温度回到蒸发器，蒸发器中所形成的干度为98%的蒸气被离心式压气机送往冷凝器中，在32℃的温度下凝结为水。为使此设备每分钟制成750kg 的冷水，求
（1） 蒸发器和冷凝器中的压力；
（2） 制冷量（kJ/h ）；
（3） 冷水循环所需的补充量；
（4） 每分钟进入压气机的蒸气体积。
解：
（1） 从饱和水和饱和蒸气表查得：蒸发器内5℃水的饱和蒸气压p 1=0.00872×105Pa ，冷凝器的温度
为32℃水的饱和压力p 2=0.0468×105Pa
（2） 本装置依靠5℃的冷水从室内吸热，从而升温至13℃来降低室温，故本装置的制冷量为
Q 0=G 2（H 5－H 6）=G 2C P （T 5－T 6）
=750×4.184×（13－5）
=25104（kJ/min ）=1506240kJ/h
（3） 对蒸发器作质量衡算
G 1=G 3＋G 2 （1）
对蒸发器再作能量衡算
G 1H 5=G 3H 1＋G 2H 6 （2）
联立方程（1）和（2）求得G 3，即为冷水循环所需的补充量
G 3=5615
750()H H H H -- 从饱和水和饱和蒸气表查得
H 1（t=5℃，x=0.98）=2460kJ/kg ，H 5（t=13℃的饱和水）=54.（kJ/kg ）
因此
G B =25104246054.6
-=10.48（kg/min ） （4） 从饱和水和饱和蒸气表查得：5℃时的饱和蒸气比容υg =147.12m 3/kg ；5℃时饱和水的比容υ
f =0.001m 3
/kg ，则干度为0.98的蒸气比容
υ=υg x ＋υf （1－x ）=147.12×0.98＋0.001×（1－0.98）=144.18（m 3/kg ）
最后得到每分钟进入压气机的蒸气体积为
V=G 3υ=10.48×144.18=1511（m 3/min ）
- 113 - 第十章 蒸汽动力循环及汽轮机基础知识 10.1 蒸汽动力循环 核电站二回路系统的功能是将一回路系统产生的热能（高温、高压饱和蒸汽）通过汽轮机安全、经济地转换为汽轮机转子的动能（机械能），并带动发电机将动能转换为电能，最终经电网输送给用户。 热能转换为机械能是通过蒸汽动力循环完成的。蒸汽动力循环是指以蒸汽作为工质的动力循环，它由若干个热力过程组成。而热力过程是指热力系统状态连续发生变化的过程。工质则是指实现热能和机械能相互转换的媒介物质，其在某一瞬间所表现出来的宏观物理状态称为该工质的热力状态。工质从一个热力状态开始，经历若干个热力过程（吸热过程、膨胀过程、放热过程、压缩过程）后又恢复到其初始状态就构成了一个动力循环，如此周而复始实现连续的能量转换。核电厂二回路基本的工作原理如图10.1所示。 节约能源、实现持续发展是当今世界的主流。如何提高能源的转换率也是当今工程热力学所研究的重要课题。电厂蒸汽动力循环也发展出如卡诺循环、朗肯循环、再热循环、回热循环等几种循环形式。 10.1.1 蒸汽动力循环形式简介 1.卡诺循环 卡诺循环是由二个等温过程和二个绝热过程组成的可逆循环，表示在温熵（T －S ）图中，如图10.2所示。图中， A-B 代表工质绝热压缩过程，过程中工质的温度由T 2升到T 1，以便于从热源实现等温传热； B-C 代表工质等温吸热过程，工质在温度 凝 结 水 水 蒸 汽 蒸汽推动汽轮机做功，将蒸汽热能转换成汽轮机动能；继而汽轮机带动发电机发电 。 凝结水从蒸汽发生器内吸收一回路冷却剂的热量变成蒸汽 热力循环 图10.1核电厂二回路基本的工作原理 T 1 S T 2
第十章 蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质 ：水蒸汽。 用途 ：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 朗肯循环 匀速 回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1 水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环（蒸汽动力循环）至今不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能按卡诺循环进行。 1-2 绝热膨胀（汽轮机） 2-C 定温放热（冷凝汽） 可以实现 5-1 定温加热（锅炉） C-5 绝热压缩（压缩机） 难以实现 原因：2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且3点的湿蒸汽比容比 水大的多'23νν>' 2 32000νν≈需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大 p v
减少，同时对压缩机不利。 2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使T1高于临界温度，改进的结果就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2 朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T 中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵P送进省煤器D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱和蒸汽进入S继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热过程—朗诺循环。 1-2 绝热膨胀过程，对外作功 2-3 定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4 绝热压缩过程，消耗外界功 4-1 定压吸热过程，（三个状态） 4-1过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。
第十章蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质：水蒸汽。 用途：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 匀速 朗肯循环回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环（蒸汽动力循环）至今 不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能 按卡诺循环进行。 p 51 C2 v 1-2绝热膨胀（汽轮机） 2-C定温放热（冷凝汽）可以实现 5-1定温加热（锅炉） C-5绝热压缩（压缩机）难以实现 原因： 2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1 、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且 3 点的湿蒸汽比容比 水大的多 '2000'需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大3232
减少，同时对压缩机不利。 2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理 论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使 T1高于临界温度，改进的结果 就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T 中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵 P 送进省煤器 D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱 和蒸汽进入 S 继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热 过程—朗诺循环。 1-2绝热膨胀过程，对外作功 2-3定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4绝热压缩过程，消耗外界功 4-1定压吸热过程，（三个状态） 4-1 过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2 过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3 过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4 过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。
第6章蒸汽动力循环与制冷循环 一、选择题 1. 蒸汽压缩制冷循环过程中，制冷剂蒸发吸收的热量一定制冷剂冷却和冷凝放出的热量 A 大于 B等于 C小于 （C） 2. 从制冷原理和生产应用方面说明制冷剂的选择原则。 答（1）潜热要大。因为潜热大，冷冻剂的循环量可以减小。氨在这方面具有显著的优点，它的潜热比氟里昂约大10倍，常用于大型制冷设备。 （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。因为冷凝压力高将增加压缩机和冷凝器的设备费用，功率消耗也会增加；而蒸发压力低于大气压力，容易造成空气漏入真空操作的蒸发系统，不利于操作稳定。在这方面氨和氟里昂也是比较理想的。 （3）冷冻剂应该具有化学稳定性。冷冻剂对于设备不应该有显著的腐蚀作用。氨对铜有强烈的腐蚀作用，对碳钢则腐蚀不强；氟里昂则无腐蚀。 （4）冷冻剂不应有易燃和易爆性。 （5）冷冻剂对环境应该无公害。氟里昂F11、F12对大气臭氧的破坏已被公认，将逐渐被禁用，无公害的氟里昂替代品已大量应用。 综合以上各点，氨作为冷冻剂常用于大型冷库和工业装置。而无公害氟里昂常用于小型冷冻机和家用电器 3. 某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在２5０K吸收热量Q L,在３００K放出热量-Q H,压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的功为Ws，判断下列问题的性质。A可逆的 B 不可逆的C 不可能的 (1). Q L =2000kJ Ws=400kJ （A ） 250 5 300250 η== - 可逆 2000 5 400 L s Q W η=== ηη = 可逆 该制冷过程是可逆的(2). Q L=1000kJ Q H=－1500kJ ( B ) 250 5 300250 η== - 可逆 1000 2 15001000 L L s H L Q Q W Q Q η==== --- ηη < 可逆 该制冷过程是不可逆的(3). Ws=100kJ Q H=－700kJ ( C ) 250 5 300250 η== - 可逆 700100 6 100 H s L s s Q W Q W W η --- ==== ηη > 可逆 该制冷过程是不可能的 4. 卡诺制冷循环的制冷系数与有关。 A制冷剂的性质B制冷剂的工作温度C制冷剂的循环速率D压缩机的功率( B )
第五章 蒸汽动力循环和制冷循环 5－3 设有一台锅炉，每小时产生压力为2.5MPa ，温度为350℃的水蒸汽4.5吨，锅炉的给 水温度为30℃，给水压力2.5MPa 。已知锅炉效率为70％，锅炉效率：染料可提供的热量 蒸汽吸收的热量= B η。 如果该锅炉耗用的燃料为煤，每公斤煤的发热量为29260kJ ·kg -1，求该锅炉每小时的耗煤量。 解：查水蒸汽表 2.5MPa 20℃H 2O 13.86-?=kg kJ H 2.5MPa 40℃H 2O 177.169-?=kg kJ H 内插得到 2.5MPa 30℃H 2O 1 04.1282 3 .8677.169-?=+= kg kJ H 查水蒸汽表 2.0MPa 320℃H 2O 15.3069-?=kg kJ H 2.0MPa 360℃H 2O 13.3159-?=kg kJ H 内插得到 2.0MPa 350℃H 2O 1 85.31365.30693040 5 .30693.3159-?=+?-= kg kJ H 查水蒸汽表 3.0MPa 320℃H 2O 14.3043-?=kg kJ H 3.0MPa 360℃H 2O 17.3138-?=kg kJ H 内插得到 3.0MPa 350℃H 2O 1 88.31144.30433040 4 .30437.3138-?=+?-=kg kJ H 内插得到 2.5MPa 350℃H 2O 1 87.31252 85 .313688.3114-?=+= kg kJ H 锅炉在等压情况下每小时从锅炉吸收的热量： 1 3 1231490235)04.12887.3125(105.4)(2-?=-??=-?=h kJ H H H m Q O H 锅炉每小时耗煤量： 1 6.65829260 7.013490235-?=?= h kg mcoal 5－4 某朗肯循环的蒸汽参数为：进汽轮机的压力MPa p 61=，温度C t ?=5401，汽轮机出口压力MPa p 008.01=。如果忽略所有过程的不可逆损失，试求：（1）汽轮机出口乏气的干度与汽轮机的作功量；（2）水泵消耗的功量；（3）循环所作出的净功；（4）循环热效率。 解：朗肯循环在T －S 图上表示如下： 1点（过热蒸汽）性质： MPa p 61=，C t ?=5401， 1 10.3517-?=kg kJ H 1 19999.6-?=kg kJ S 2点（湿蒸汽）性质：
第6章 蒸汽动力循环和制冷循环 6.1 蒸汽动力循环 蒸汽动力循环是以水蒸汽为工质，将热能连续不断地转换成机械能的热力循环。现代化的大型化工厂，蒸汽动力循环为全厂供给动力、供热及供应工艺用蒸汽。分析动力循环的目的是研究循环中热、功转换的效果及其影响因素，提高能量转换效果。 朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵组成。 图6-1 朗肯循环的示意图和T-S 图 1→2 的过程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 kg kJ H H H W s /12 -=?= 2→3 的过程表示乏汽在冷凝器中的等温等压冷凝过程，工质放出的热量 kg kJ H H H Q /232-=?= 3→4 的过程表示冷凝水通过水泵由P 3升压至P 4的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功 kg kJ H H H W P /34 -=?= 把水看作是不可压缩流体，则 ()kg kJ P P V VdP W P P P /344 3 -== ? 4→1 的过程表示水在锅炉中等压升温和等压汽化，成为过热蒸汽的过程。工质在锅炉中吸收的热量 kg kJ H H H Q /411-=?= 理想朗肯循环的热效率 () ()() 4 14 3 2 1 1 H H H H H H Q W W P s --+-= +-= η 蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量 4 1211 H H H H Q W s --= -≈ η 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 汽轮机 水泵 冷凝器 锅炉
动力装置的一个重要指标。 作出单位量净功所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用 SSC (Specific Steam Consumption)表示。 ()h kW kg W kJ kg W SSC ?-= -= /3600/1 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。 工质的热力学性质可以由热力学图表或公式求得。用热力学图表的计算方法如下 状态点1 根据P 1、t 1 值可查得H 1、S 1值； 状态点2 S 2=S 1，根据P 2、S 2 值可查得H 2、t 2值； 状态点3 P 3=P 2，查P 3下的饱和液体可得H 3、V 3 、S 3值； 状态点4, P 4=P 1，S 4=S 3，根据P 4、S 4可查得 H 4值，或者将液体水的比容当作常数，由 H 4=H 3+W p =H 3+V(P 4-P 3) 计算。 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H 1 – H 2′，它小于等熵膨胀的功H 1 – H 2。两者之比称为透平机的等熵效率。 ()() 2 121H H H H W W s s s --= --= '可不η 实际朗肯循环的热效率 ()() 4 1214 14 3 2 1H H H H H H H H H H -'-≈ --+'-= η 例6-1 例6-2 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。 （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，设备制造费用也会因蒸汽压力的提高而大幅上升。 6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀 6.2.1节流膨胀 ΔH = 0 流体进行节流膨胀是，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8章 蒸汽动力循环及制冷循环 将热能变为机械能组成循环的热力过程。根据所采用工质的不同，热力原动机循环分为两类：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。 制冷循环是一种逆向循环。逆向循环的目的在于把低温物体(热源)的热量转移到高温物体(热源)去。如果循环的目的是从低温物体(如冷藏室、冷库等)不断地取走热量，以维持物体的低温，称之为制冷循环；如果循环的目的是给高温物体(如供暖的房间)不断地提供热量，以保证高温物体的温度，称之为热泵循环。 本章学习要求 要求学生了解蒸汽动力循环的基本过程，掌握Rankine 循环的热力学分析方法，热效率、气耗率的概念与计算，以及Rankine 的改进方法。在制冷循环中，要求掌握逆Carnot 循环与蒸汽压缩制冷循环的基本组成，制冷系数和单位工质循环量的计算；了解热泵的基本概念和在工业生产中的应用。最后了解与掌握空气液化及其计算方法。 重点与难点 8.1 Rankine 循环 H L H s c T T Q w - =-=1η S
T 图6-1 Rankine 循环示意图 图6-2 Rankine 循环的T-S 图 Rankine 循环中工质历经的各个单元过程是完全理想化的(忽略工质的流动阻力与温差传热)，以单位质量的工质为基准，运用稳流过程热力学第I 定律进行分析： 12→过程：透平机中工质作可逆绝热膨胀过程(等熵膨胀)，对外输出轴功S W ： 1S 21W H H H (kJ kg )-=?=-? (6-1) 32→过程：湿蒸汽在冷凝器中的等压等温冷凝过程(相平衡)，工质冷凝放热量L Q ： 1L 32 Q H H H (kJ kg )-=?=-? (6-2) 34→过程：饱和水在水泵中作可逆绝热压缩过程(等熵压缩)，水泵消耗轴功S,PUMP W ： 1S,PUMP 43W H H H (kJ kg )-=?=-? (6-3) 由于水的不可压缩性，在压缩过程中水的体积变化微小，S,PUMP W 可按下式计算： 4 23 P S,PUMP H O 43P W VdP V (P P )=≈?-? (6-4) 41→过程，实际上含44'→(给水预热)、 4'1'→(等压等温汽化或两相平衡)及1'1→(饱和蒸汽过热)三个阶段，工质在锅炉与过热器中吸收的热量H Q ： 1H 14 Q H H H (kJ kg )-=?=-? (6-5) 热效率(即热机效率或第I 定律效率)和汽耗率是评价蒸汽动力循环的经济技术指标。 1234S S,PUMP I H 14 (H H )(H H ) (W W ) Q H H -+--+η= =- (6-6) 在蒸汽动力循环中，水泵消耗的功率远小于所产生的轴功，S,PUMP S W W <<，因此： 12S I H 14 H H W Q H H --η== - (6-7) 汽耗率(SSC)是指蒸汽动力循环中，输出1kW h ?的净功所消耗的蒸汽量。 ()1 S 3600SCC kg kW h W -= ??- (6-8) 图6-2及式(6-1)~(6-7)中各状态点的焓值由水蒸汽表通过线性内插求取，或由水蒸汽的