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1、第五章 蒸汽动力循环和制冷循环,第一节 蒸汽动力循环第二节 制冷循环,将热能变为机械能必须通过循环才能完成，而组成循环的热力过程主要是在热力原动机中进行的。 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。 其中以蒸汽动力循环最为主要，其研究对象不是原动机的结构与构件，而是工质所经历的状态及其变化过程。,第一节 蒸汽动力循环,能量分析,Turbine 汽轮机 1 2 表示过热蒸汽在汽轮机中的可逆绝热膨胀过程，对外所做轴功可由膨胀前后水蒸汽的焓值求出。,能量分析,Condensor 冷凝器 2 3 表示乏汽在冷凝器中的等温等压冷凝过程
2、，放出的热量。,能量分析,Pump 水泵 3 4 表示冷凝水通过水泵由P3升压至P4的可逆绝热压缩过程，需要消耗的轴功把水看作是不可压缩流体，则,能量分析,Boiler 锅炉 4 1 表示液体水在锅炉中被等压加热汽化成为过热蒸汽的过程。工质在锅炉中吸收的热量,理想Rankine循环的热效率,蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的做功量,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，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。,汽耗率,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。,当对外作出的净功相同时，汽耗率大
3、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。,工质为水蒸气,因为水蒸气不是理想气体，气体的性质不能用理想气体方程计算，需要通过热力学图表或实际流体的状态方程求得。,计算方法,确定各点参数：状态点 1, 根据P1、t1 值可查得 H1、S1值;状态点 2, S2=S1 ,根据P2、S2 值可查得 H2、t2值;状态点 3, P3=P2 ,查P3下的饱和液体可得 H3、V3 、 S3值;状态点 4, P4=P1 ,S4=S3,根据P4、S4可查得 H4值; 或 H4=H3+Wp=H3+V(P4-P3),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
4、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H1 H2，它小于等熵膨胀的功H1 H2。两者之比称为透平机的等熵效率。,实际 Rankine 循环的热效率,例5-1 某一理想的Rankine循外，锅炉的压力为4MPa，产生440过热蒸汽,汽轮机出口压力为0.004MPa,蒸汽流量60t/h,求 （1） 过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量； （2）乏气的湿度以及乏气在冷凝器放出热量； （3）汽轮机作出的理论功率和水泵消耗的理论功率； （4）循环的热效率。,过程如T-S-图所示,（1）确定各点的参数1点（过热蒸汽）, 根据
5、P1=4MPa、t1 =440 ,查过热水蒸气表 得 H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kgK);2点（湿蒸汽）, P2=4kPa,S2=S1 =6.9041kJ/(kgK) ,查饱和水蒸气表得 Hg=2554.4kJ/kg Hl=121.46kJ/(kgK) Sg=8.4746kJ/kg Sl=0.4226kJ/(kgK) Vl=1.004cm3/g 2点处的干度为x 8.4746x+(1-x)0.4226=6.9041 x=0.8050 H2=2554.4 0.805+(1-0.805) 121.46=2080.0,3点（饱和液体） P3=4kPa H3= Hl =1
6、21. 46 kJ/kg S3=Sl=0.4226kJ/(kgK)4点（未饱和水） 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/(kgK),查未饱和水性质表,H2=126.1kJ/kg,87.71 0.2958,171.09 0.5709,（2）计算 过热蒸汽每小时从锅炉吸收的热量 Q1=m(H1 - H4)=60 103 (3307.1 - 125.5) =190.9 106kJ/h 乏气在冷凝器放出的热量 Q2=m(H3 H2)=60 103 (
7、121.5 - 2080.0) =-117.5 106kJ/h 乏气的湿度为 1-x=1-0.805=0.195 汽轮机作出的理论功率,水泵消耗的理论功率,热效率,例5-2 在某核动力循环装置，锅炉温度为 320 的核反应堆吸入热量Q1，产生压力为7MPa、温度为 360 的过热蒸汽 (点1) ，过热蒸汽经汽轮机膨胀作功后于0.008MPa压力下排出(点2)， 乏气在冷凝器中向环境温度 t020 进行定压放热变为饱和水(点3)，然后经泵返回锅炉(点4)完成循环。已知汽轮机的额定功率为5104kW，汽轮机作不可逆的绝热膨胀，其等熵效率为0. 75， 水泵作等熵压缩。 试求： (1)蒸气的质量流量
8、； (2)乏气的湿度； (3)循环的热效率。,1点（过热蒸汽）, 根据P1=7MPa、t1 =360 ,查过热 水蒸气表得 H1=3045.5kJ/kg、S1=6.2801kJ/(kgK); 2点（湿蒸汽）, P2=0.008MPa, 查饱和水蒸气表得 Hg=2577.0kJ/kg Hl=173.88kJ/(kgK) Sg=8.2287kJ/kg Sl=0.5926kJ/(kgK) 汽轮机作等熵膨胀 S2=S1 =6.2801kJ/(kgK) , S2=Sgx2+(1-x2)Sl 6.2801=8.2287x2+(1-x2) 0.5926 x2=0.7448,H2=Hgx2+(1-x2)Hl
9、=2577.0 0.7488+(1-0.7488) 173.88=1963.7汽轮机作等熵膨胀过程1-2所作的理论功 WR WR=H2-H1=1963.7-3045.5= -1081.8kJ/kg汽轮机作实际膨胀过程1-2所作的功 Ws Ws=sWR=-1081.8 0.75= - 811.4kJ/kg Ws=H2 - H1 H2 = H1+Ws=3045.5+811.4=2234.1kJ/kg汽轮机作实际膨胀后乏气的干度为x2 H2=Hgx2+(1-x2)Hl 2234.1=2577.0 x2+(1- x2) 173.9 x2 =0.8573,乏气的湿度为 1-0.8573=0.1427 3
10、点 0.008MPa饱和液体 H3=173.88kJ/(kgK) S3=0.5926kJ/(kgK) 4点 P4=7MPa, S4=S3=0.5926kJ/(kgK) 查未饱和水性质表,173.74 0.5698,340.44 1.0707,H4=181.33kJ/kg,水泵所消耗的功 WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg热效率,提高朗肯循化效率的方法：（一）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
11、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。,提高Rankine循环热效率的途径,降低冷凝器温度,提高锅炉温度,平均吸热温度,1与1点的压力高低 ？,等效Carnot循环的平均吸热温度 Tm,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，而且设备制造费用也会大幅上升。 3.降低乏汽的压力,提高朗肯
12、循化效率的方法：,（二）采用再热循环（三）采用回热循环,回热循环,再热循环,x2,目前超高压(蒸汽初压为13和24MPa或更高)的大型电厂几乎毫无例外地采用再热循环,第二节 制冷循环,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。习惯上，制冷温度在-100以上者，称为普冷，低于-100者称为深冷。制冷广泛应用于化工生产中的低温反应、结晶分离、气体液化以及生活中的冰箱、空调、冷库等各方面。,热机,将热能转化为机械能等动力的装置,工厂、,交通工具、,居民
13、、办公用电,热力循环过程,热机的工作循环,蒸汽动力循环,燃气动力循环,制冷,获得并保持低于环境温度的操作,制冷循环,输入外功实现从低温环境吸热排向高温环境的循环,蒸汽动力循环,蒸汽压缩制冷循环,一、 蒸汽压缩制冷循环1 逆向Carnot循环,循环的吸热量(冷冻量)q0=TL(S1-S4) 循环的放热量 q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4) HqWS制冷剂完成一个循环 H0，净功为 制冷系数,逆卡诺循环 逆卡诺循环的制冷系数仅是工质温度的函数，与工质无关。 在相同温度区间工作的制冷循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最大。 制冷循环中，高温下放热量大于低温下吸热量。,例5-3 某蒸汽压
14、缩制冷过程,制冷剂在5K吸收热量QL,在K放出热量-QH, 压缩和膨胀过程是绝热的，向制冷机输入的净功为WN，判断下列情况是 A可逆的 B 不可逆的 C 不可能的 （1） QL =2000kJ WN=400kJ （2） QL=1000kJ QH=1500kJ （3） WN=100kJ QH=700kJ,（1）,该制冷过程是可逆的,（2） QL=1000kJ QH=1500kJ （3） WN=100kJ QH=700kJ,该制冷过程是不可逆的,该制冷过程是不可能的,2、单级蒸汽压缩制冷循环,实际的制冷循环是对上述的逆Carnot压缩制冷循环的改进,改进措施,压缩过程操作于过热蒸汽区，等熵膨胀改为
15、节流膨胀,制冷工质 被过冷到温度低于饱和液态温度,1-2 可逆绝热压缩过程 Ws=H2 H1 kJ/kg2-4 等压冷却、冷凝过程 q2=H4-H2kJ/kg4-5 节流膨胀过程 H5=H45-1 等压、等温蒸发过程 q0=H1 H5 kJ/kg制冷系数,焓值：查图、表或计算,能量分析,若制冷剂的“制冷能力”为Q0 kJ/h，那么，制冷剂的循环量（循环速率）为 压缩机消耗的功率,冷（冻）吨,冷吨又名冷冻吨，制冷学单位。是指将一吨水冷冻为冰所需要的能量。表示空调的制冷能力。 1冷吨表示可将1吨重00C的水，在24小时内转换成00C的冰的能力。1美国冷吨=3024（kcal/h）=3.517（KW
16、） 1日本冷吨=3320（kcal/h）=3.861（KW),例5-4 某压缩制冷装置，用R134a作为制冷剂，蒸发器中的温度为-25，冷却器中的压力为1.0MPa，假定R134a进入压缩机时为饱和蒸汽，而离开冷凝器时为饱和液体，压缩过程按绝热可逆计算，每小时制冷能力Q0为1.67105 kJh-1。 求：（1）所需的制冷剂流率； （ 2）制冷系数。 解： 1点 -25 饱和蒸汽 查表得 H1231.9kJ/kg S1 0.9367kJ/(kgK),2点 P2 1MPa，S2 S1 0.9367kJ/(kgK) 查表得 H2 278.7 kJ/kg,4 点 1MPa饱和液体 查表得 H4 10
17、4.2 kJ/kg,H1231.9kJ/kg H2 278.7 kJ/kg H4 104.2 kJ/kg H5 H4,热泵及其应用,热泵：,一种能源采掘装置，它以消耗一部分高品质的能源(机械能、电能或高温热能等)为代价，通过逆Carnot循环，把自然环境(水、空气等)或其它低温热源中储存的能量加以利用转变成为高温的热量,制热系数,3 制冷剂 Refrigerants,制冷剂的选择原则：（1）潜热要大。（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。（3）化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。（4）价格低。（5）冷冻剂对环境应该无公害。,1 Conventional
18、refrigerants:NH3CH3ClCO2C3H82 Chloro Fluoro Carbons CFCsCFCl3 (R-11)CF2Cl2 (R-12),大气：O2 2 OO + O2 O3 ozoneCFCs:CFCl3 + UV light CCl2F + ClCl + O3 O2 + ClOClO + O Cl + O2,3 Hydro Chloro Fluoro Carbons HCFCs :CHCl2F (R-22)CHCl2CF3 (R-123) 4 (Hydro) Fluoro Carbons HFCs CF4 (R-14)CHF3 (R-23)CF3F3 (R-116)CHF2CHF2 (R-134a),
