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
焓熵图查得。即：
状态1：根据1P 、1t 值可由附录中的过热蒸汽表通过线性内插的方法得到1H 、1S 。 状态2与状态3：根据2P ，由饱和水蒸汽表确定两相共存时汽相(图6-2中标示的点5)、
液相(图6-2中标示的点3)饱和热力学性质，如相平衡温度2t ，SL 3V 、SL 3H 、SL 3S 、SV 5S 和SV
5H 。
根据条件12S S =，按计算透平机出口乏气的干度x ，进而计算2H ：
SL SV
3521S (1x)S x
S S ?-+?== 或 SL
23SV SL 53
S S x S S -=-
(6-9) SL SV
235H H (1x)H x =?-+?
(6-10)
状态4：根据式(6-3)与(6-4)，求得：
SL 43342H H V (P P )=+?-
(6-11)
实际的Rankine 循环，因工质在流动中存在摩擦、湍流、散热等因素，透平机和水泵不可能作等熵膨胀或压缩，工业上常使用等熵效率因子S η(或第II 定律效率)来衡量过程的不可逆性。图6-2中的直线12代表透平机的等熵膨胀过程，而直线12’代表透平机的不可逆膨胀过程，即：
S 12S S 12
W ()H H W ()H H '
'--η==
--不可逆可逆 (6-12)
实际Rankine 循环的工质输出功量和热效率分别为：
S 21W H H H ''=?=- (6-13)
123412S S,PUMP I H
14
14
(H H )(H H )
H H (W W )
Q H H H H '''-+---+'η=
=
=
-- (6-14)
8．2 制冷循环
理想的制冷循环是逆向Carnot 循环，如图6-3所示，图6-4为其T-S 图。
T
S
T H
T
图6-3 逆向Carnot 循环示意图
图6-4 逆向Carnot 循环T-S
逆向Carnot 循环由蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀机四个部分组成(图6-3)，其中：
23→过程：压缩机中工质作可逆绝热压缩过程(等熵膨胀)，消耗外功S W
1S 23
W H H H (kJ kg )--=?=-?
(6-15)
12→过程：压缩工质在冷凝器中的等压等温冷凝过程(相平衡)，工质冷凝放热量H Q ：
1H 12
Q H H H (kJ kg )-=?=-?
(6-16)
41→过程：压缩工质在膨胀机中作可逆绝热膨胀过程(等熵压缩)，可回收轴功S,TUR W
1S,TUR 41W H H H (kJ kg )-=?=-?
(6-17)
34→过程，工质在蒸发器中从低温环境中吸收的热量L Q
1L 34
Q H H H (kJ kg )-=?=-?
(6-18)
循环过程的H 0?=，S 0?=取整个逆向Carnot 装置为系统，根据热力学第I 与第II 定
律：
S S,PUMP L H W W Q Q +=+ (6-19) L H
L H
Q Q 0T T -+= (6-20)
制冷系数ξ是指消耗单位量的净功可从低温系统中移走的热量，是衡量制冷效率的重要参数，对逆向Carnot 循环则有：
L L
C S S,TUR H L
Q T (W W )T T ξ=
=-+-
(6-21)
式(6-21)表明：逆向Carnot 循环的制冷系数ξ仅是工质的温度函数，与工质的性质无关，在H T 、L T 已知的两个温度之间操作的任何制冷循环，以逆向Carnot 循环的制冷系数C ξ为最大。
蒸汽压缩制冷循环
T S
T H
T
图6-5 单级蒸汽压缩制冷循环示意图 图6-6 单级压缩制冷循环T-S 图
蒸汽压缩制冷循环是由低压蒸汽的压缩、高压蒸汽的冷却冷凝、高压液体的节流膨胀和湿蒸汽的定压蒸发四个过程组成。
单位质量工质自低温系统中移热L Q ：
1L 34
Q H H (kJ kg )-=-?
(6-22)
若制冷机的制冷能力为10Q (kJ h )-?，则工质的循环量为：
L
Q m Q =
(6-23)
单级压缩制冷循环的压缩过程功耗S W ：
1S 23
W H H (kJ kg )--=-?
(6-24)
单级压缩制冷循环的制冷系数ξ：
3431L
S 2323
H H H H Q W H H H H --ξ=
==--- (6-25)
制冷循环所消耗的理论功率T N 为
T S N mW =-
(6-26)
8．3 热泵循环
热泵也是一种制冷循环，热泵循环的工作目的是供热，即从自然环境或低温余热中吸取热量并将它传送到需要高温的空间中去。热泵是一种比较经济合理的供热装置，工业热泵主要用于生产过程的余热回收，如用于热泵精馏、热泵蒸发等。
衡量热泵效率的性能指标为制热系数HP ξ，即消耗单位量的功所得到的供热量。
H
HP S
Q W ξ=
(6-28)
式中：H Q 为热泵的供热量，1kJ kg -?； S W 为热泵所消耗的功量，1kJ kg -?。对于逆向Carnot 热泵，则有：
H H
HP C S H L
Q T 1W T T ξ=
==ξ+- 8．4 空气的液化与分离
气体的液化循环也称深冷循环，适用于低沸点的气体，如空气的液化及分离成氮、氧气等。最基本的深冷循环为Linde 循环，衡量Linde 循环的经济技术指标是液化量、制冷量与消耗的轴功。Linde 循环的流程图如图6-7所示，图6-8为Linde 循环的T-S 图。
图6-7 Linde 循环流程示意图
图6-8 Linde 循环T-S 图
设经单一循环后，分离器中液化分率为x ，取热交换器、节流阀与分离器为系统，由热
力学第I 定律知：H 0?= ( ∵Q 0=；S W 0=)，则：
2511H x H (1x)H ?=?+-?
(6-29) 12
15
H H x H H -=
-
(6-30)
若取整个装置为研究对象，则在液化量为x 下，装置的冷冻量0q 为：
01512q x (H H )H H =?-=-
(6-31)
压缩机的功耗S W 可按式(5-15)计算，若考虑等温压缩的效率因子II η，则S W 为：
2S 1II 1
P 1
W RT ln P =
η (6-32)
如考虑温度差传热和与环境热交换的热损失的影响，实际的液化量按下式计算：
12t Sur
15
H H Q Q x H H ??---=
-
(6-33)
式中：t Q ?，Sur Q ?分别为因温度差损失的热量及与环境间热交换而损失的冷量。
典型例题分析
例6-1 有一Rankine 蒸汽动力循环装置的锅护供应2.45MPa (绝压)，430℃的过热蒸汽给透平机，其流量为125200kg h -?。乏气在0.0135MPa 压力下排至冷凝器。冷却水温21℃。假定透平是绝热可逆的，冷却器出口是饱和液体，循环水泵将冷凝液打回锅炉的过程也是绝热可逆过程。求： (1) 透平所作的功；(2) 泵功，(3) 每kg 蒸汽从锅炉中吸收的热量；（4）如果一循环在锅炉的沸点223℃接受热量，在21℃冷凝排出热量，求最大功，(5) 如果每小时从工艺蒸汽中抽出0.29MPa ，13800kg 的蒸汽作其它用途，剩余部分仍膨胀至0.0135MPa ，求透平所作的功。
解： 该循环的T-S 图如下：
T
图6-9 例6-1Rankine 循环计算示意图
11m 25200kg h 7kg s --=?=?；11m 13800kg h 3.833kg s --'=?=?
查饱和水蒸汽和饱和液态水表并内插计算得：
(i) 1t 430=℃，1P 2.45MPa =时，11H 3307.0kJ kg -=?；111S 7.1309kJ kg K --=?? (ii) 点2湿蒸汽性质计算：2t 50.80=℃，SL 31V 1.0127cm g -=?
设湿蒸汽的干度为x ，则有：3521S (1x)S x S S ?-+?==，即
0.7132(1x)8.0656x 7.1309?-+=，解得：x=0.8729
SL SV 2351
H H (1x)H x 212.68(10.8729)2380.70.8729
2105.1kJ kg
-=?-+?=?-+?=?
1S 12W m(H H )7(3307.02105.1)8413.3kJ s -=-=?-=?
(2) SL 1s,pump W m V P 7 1.0172(2.450.0135)17.27kJ s --=???=??-=?
(3) SL 143S,PUMP H H W /m 212.6817.27/7215.15kJ kg -=-=+=?
1H 14Q m(H H )7(3307.0215.15)21643.0kJ s -=-=?-=?
(4) 查过热蒸汽表及饱和液态水性质表得：
(i) 1t 233=℃时，1P 2.493MPa =时，11H 2801.8kJ kg -=?；111S 6.2560kJ kg K --=?? (ii) 点
2湿蒸汽性质计算：
设湿蒸汽的干度为x ，则有：3521S (1x)S x S S ?-+?==，即
0.3108(1x)8.6454x 6.2560?-+=，解得：x=0.7133
SL SV
2351
H H (1x)H x 88.15(10.7133)2539.90.7133
1837.0kJ kg
-=?-+?=?-+?=?
1S 12W m(H H )7(2801.81837.0)6753.6kJ s -=-=?-=?
(5) 因在P 0.29MPa =下，饱和蒸汽的熵值SV g S ：
SV 11g S 7.007kJ kg K --=?? < 111S 7.1309kJ kg K --=??，所以抽出的P 0.29MPa =蒸汽为
过热蒸汽。查蒸汽表得：
在P 0.29MPa =，11S 7.1309kJ kg K --=??下，1H 2774.9kJ kg -=?，所以：
S 1121
W m(H H)(m m )(H H )7(3307.02774.9)
(7 3.833)(3307.02105.1)7529.8kJ s -'=-+--=?-+-?-=?
例6-3 某一空气调节装置的制冷能力为414.1810kJ h -??，采用氨蒸汽压缩制冷循环。氨蒸发温度为283K ，冷凝温度为313K 。假定氨进入压缩机时为饱和蒸汽而离开冷凝器时是饱和液体，且压缩过程为可逆过程。求：(1) 循环氨的流量；〔2) 在冷凝器中制冷剂放出的热量；(3) 压缩机的理论功率；(4) 理论制冷系数。 解：该制冷循环的T-S 图如下所示：
T S
T H
T L
图6-12 例6-3制冷过程T-S 示意图
查附录氨的lnP~H 图知：
13H 1475kJ kg -=?；12H 1610kJ kg -=?；114H H 390kJ kg -==? (1) 4100L 34Q Q 4.1810m 38.5kg h Q H H 1475390
-?====?--
(2) 4
1H 24Q m(H H )38.5(1610390) 4.69710kJ h -=-=?-=??
(3) 1S 23W m(H H )38.5(16101475)5198kJ h --=-=?-=? (4) 34L
S 23H H Q 14753908.04W H H 16101475
--ξ=
===--- 例6-4 有一制冷剂为氨且制冷能力为4110kJ h -?的压缩机，在下列条件下工件。蒸发温度为-15℃，冷凝温度为25℃，过冷度5℃。假设压缩机吸人的是干饱和蒸汽，试计算：(1) 制冷剂循环速率； (2) 压缩机理论功率；(3) 制冷系数。并将以上结果与不过冷情况比较，说明
什么问题？
解： 该制冷循环的T-S 如下所示：
查的附录中氨lnP~H 可得各状态点的焓值如下：
(i) 过冷情况下：13H 1420kJ kg -=?；12H 1680kJ kg -=?；114H H 292kJ kg -==?
(1) (1) 4
100L 34Q Q 10m 8.87kg h Q H H 1420292
-====?--
(2) 1S 23W m(H H )8.87(16801420)2306kJ h --=-=?-=? (3) 34L
S 23H H Q 1420292 4.34W H H 16801420
--ξ====---
T S
T
T
图6-13 例6-4氨冷过程T-S 示意图
(ii) 不过冷情况下：13H 1420kJ kg -=?；12H 1680kJ kg -=?；114H H 317kJ kg -==?
(1) 4
100L 34Q Q 10m 9.07kg h Q H H 1420317
-====?--
(2) 1S 23W m(H H )9.07(16801420)2358kJ h --=-=?-=? (3) 34L
S 23H H Q 1420317 4.24W H H 16801420
--ξ=
===--- 从过冷与不过冷计算结果可以看出：过冷时，可以降低工质的循环量、降低压缩机的功耗和提高制冷系数。
例6-5 某蒸汽压缩制冷循环，制冷量410Q 410kJ h -=??，蒸发室温度为-10℃，若冷凝器用水冷却，冷却水进口温度为8℃，循环水量无限大，请设计一套功耗最小的循环装置，并计算制冷循环消耗的最小功。若用空气来冷却冷凝，室温为25℃，消耗的最小功又是多少？ 解：(1) 设计的最小功耗装置为逆向Carnot 循环，对逆向Carnot 循环则有：
0L C S H L Q T W T T ξ==--，即：4S 410263.15
W 281.15263.15
?=
-- 1S W 2736.1kJ h --=?
(2) 当以25℃空气冷却时，则有：
4S 410263.15
W 298.15263.15
?=
--，1S W 5320.2kJ h --=? 例6-6 用Freon-134a 作工质的理想制冷循环如下附图所示。在蒸发器中制冷剂温度
L 1t t 20==-℃，在冷凝器中冷凝温度20t t 40==℃。循环制冷剂Freon-134a 的质量流量
1m q 0.03kg s -=?，试确定该循环的制冷系数、制冷量、电动机功率和单位体积制冷量。
解：根据1t 20=-℃，从附录Freon-134a 饱和热力学性质表中查得：
1P 0.1332MPa =，11H 385.89kJ kg -=?，111S 1.7387kJ kg K --=??，311v 0.14445m kg -=?
由3t 40=℃查得：
32P P 1.0163MPa ==，134H H 256.44kJ kg -==?
由2P 1.0163MPa =及21S S =，从附录查Freon-134a 过热蒸气得12h 427.37kJ kg -=?，故压缩机的功耗为：
33311C 21w H H 427.3710385.891041.4810J kg 41.48kJ kg --=-=?-?=??=?单位质量工
质的制冷量为：
33311L 1413q H H H H 385.8910256.4410129.4510J kg 129.45kJ kg --=-=-=?-?=??=?
制冷系数为：
L C q 129.45 3.12w 41.48
ε=
== 制冷量：
33m L
Q q q 0.03129.4510 3.8810J 3.88kW ==??=?= 电动机功率：
33C m P w q 0.0341.4810 1.2410J 1.24kW ==??=?=
单位体积制冷量：
3
333L V 1q 129.4510q 896.810J m 896kJ m v 0.14445
--?=
==??=?
T
图6-14 例6-6制冷过程T-S 图
- 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