第六章 蒸汽动力循环和制冷循环
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第六章—热力循环
● 实际生产中并不采用蒸汽卡诺循环
◆ 卡诺循环的4个过程，前3个过程可近似实现，但绝热 压缩（c－5）过程较难实现，因为这一过程中工质为
汽液混合物，缺少合适的设备；
◆ 定熵膨胀末期，蒸汽湿度较大，对汽轮机工作不利； ◆ 蒸汽的比体积比水大上千倍，压缩时体积变化大—— 设备庞大，功耗大； ◆ 蒸汽卡诺循环仅限于湿蒸汽区，上限温度受限于临界 温度（374.15℃），因此热效率不高，每循环完成的 功也不大。
低参数 中参数 高参数 超高参数 亚临界参数
汽轮机 进汽压力 （MPa）
汽轮机进 汽温度℃ 发电功率 kW
1.3
3.5
9.0
13.5
16.5
340 1500～ 3000
435 6000～ 25000
535
550，535
550，535
5～10万
12.5万， 20万，30万， 20万 60万
6.1.2.4 实际循环
朗肯循环中有两个定压非定温吸热过程：
4-5 定压下将过冷水加热至沸腾的饱和水；
6-1 定压下将饱和水蒸汽加热至过热状态。 这两个过程都存在较大的传热温差，是造成循 环效率低的主要原因。为了提高效率，工程实际中 常对朗肯循环进行改进，采用回热循环和再热循环。
6.1.3.1 回热循环
上述理想的回热循环是难以实现的。首先锅 炉给水在汽轮机中被加热到沸腾很难控制（4～ 5）；其次，膨胀终点 d 的干度太小，对汽轮机工 作不利。实际上采用抽汽回热循环。
● 乏汽压力
p2
◆ 在p1，t1不变的前提下， 降低p2，效率提高 ◆ p2降低，干度下降 ◆ 乏汽压力取决于冷凝器的冷凝温度，受环境温 度限制，现在大型机组p2为0.0035~0.005MPa，相 应的饱和温度约为27~ 33℃ ，已接近事实上可能 达到的最低限度。
热力学循环过程
热力学循环过程热力学循环过程热力学循环是指在一定的温度范围内，通过一系列的热力学变化，使得系统从一个状态回到相同的状态的过程。
在工程领域中，热力学循环被广泛应用于各种能源转换和动力系统中。
本文将对热力学循环过程进行详细介绍。
一、理想气体循环1.卡诺循环卡诺循环是理想气体循环中最常见的一种。
它由四个步骤组成：等温膨胀、绝热膨胀、等温压缩和绝热压缩。
其中，等温膨胀和等温压缩是在高温和低温下进行的，而绝热膨胀和绝热压缩则是在两个恒温储存器之间进行的。
2.斯特林循环斯特林循环也是一种理想气体循环。
它由两个等量的等温膨胀和两个等量的等温压缩组成。
与卡诺循环不同的是，在斯特林循环中，气体是通过活塞进行往复运动的。
二、汽车循环汽车循环是指内燃机中的热力学循环过程。
它分为四个步骤：进气、压缩、燃烧和排气。
其中，进气和排气是通过活塞进行的，而压缩和燃烧则是通过发动机的缸体完成的。
三、蒸汽动力循环蒸汽动力循环是指利用水蒸气驱动涡轮机或活塞发电的过程。
它由四个主要步骤组成：加热、膨胀、冷却和压缩。
其中，加热和冷却是通过锅炉完成的，而膨胀和压缩则是通过涡轮机或活塞完成的。
四、制冷循环制冷循环是指将低温物体中的热量传递到高温物体中以使其降温的过程。
它由四个主要步骤组成：压缩、冷凝、膨胀和蒸发。
其中，压缩和冷凝是通过制冷机完成的，而膨胀和蒸发则是通过制冷剂完成的。
五、混合流体循环混合流体循环是指将两种或多种不同的流体混合在一起，使它们共同进行热力学循环的过程。
它由四个主要步骤组成：加热、膨胀、冷却和压缩。
其中，加热和冷却是通过换热器完成的，而膨胀和压缩则是通过涡轮机或活塞完成的。
六、结论总之，热力学循环过程在工程领域中有着广泛的应用。
不同类型的循环过程有着不同的特点和适用范围。
了解这些循环过程对于设计和优化能源转换和动力系统非常重要。
化工热力学 蒸汽动力循环与制冷循环
31
(2) T-S图法
TH T2 T1
T 等H线 T1
P1 P2
T2
S (3) 利用经验公式估算
对于空气，当压力变化不太大时，不考虑温度的
影响，可直接按下式近似估算：
TH 0.29( p2
p1
)
273 T1
2
式中：压力单位为大气压atm，温度单位为热力学温度开尔文。
对于不同的流体，其表达式不同。
图读取ΔTS
T2
P1 P2
S 37
④ 用等焓节流效应计算
s
J
V Cp
Ts
p2
J dp
p1
V p2 dp
C p1 p
若Cp=const
1 p2
Ts
TH
Cp
V dp
p1
38
2.不可逆对外做功的绝热膨胀
对活塞式膨胀机
➢ 当t<30℃
ηs=0.65
➢ 当t>30℃ ηs=0.7～0.75
T 1
3
卡诺循环产功 很大，但难于实现， 问题在于：
（1）湿蒸汽对 汽轮机和水泵有浸蚀 作用，汽轮机带水量 不 得 超 过 10% ， 水 泵 不能带入蒸汽进泵；
（2）绝热可逆 过程实际上难以实现 。
第一个具有 实际意义的蒸汽动力 循环是朗肯循环。
T-S图
T
T吸
4
T放
3
QH 1 Ws
2 QL
S
4
2. 郎肯循环
dH H dT H dP T P P T
dH 0
H
T P T
P H
H
T P
25
H T
P
Cp
工程热力学第11讲-第6章热力循环
2
2'
s
乏汽压力对朗肯循环热效率的影响
t1 , p1不变，p2 ↓
T
1
优点： •T2 ↓ ηt ↑ 4
5
6
缺点： 3 •p2↓ 受环境限制 •现在大型机组p2为3.5~5kPa， 相应的饱和 温度约为27~ 33℃ ，已接近可能达到的最低 限度。 •冬天热效率高
4'
2
3'
2'
s
提高循环热效率的途径
' 2
' h2 h2
t,RG t
物理意义： kg工质100%利用,1- kg工质效率未变。
蒸汽抽汽回热循环的特点
优点： 提高热效率 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面 可兼作除氧器 缺点： 循环比功减小，汽耗率增加 增加设备复杂性 回热器投资 小型火力发电厂回热级数一般为1～3级，中大型火力发电厂 一般为 4～8级。
蒸汽回热循环热效率计算
T 吸热量： 1
1kg
6 kg a
q1,RG h1 h5 h1 ha'
放热量：
4
3
5
(1- )kg 2
q2,RG 1 h2 h2'
净功： s
wRG h1 ha 1 ha h2
热效率：
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
IGCC技术把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤 气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好环保性能， 是一种有发展前景的洁净煤发电技术。
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
化工热力学第六章 蒸汽动力循环与制冷循环
WS=(1-)(H3- H2)+(H2-H1)
6.1 蒸汽动力循环
ws 热效率 QH ws Qh 能量利用参数 QH
6 蒸汽动力循环与制冷循环
6.1 蒸汽动力循环 6.2 膨胀过程 6.3 制冷循环
6.2 膨胀过程
膨胀过程在实际当中经常遇到，如：高压流 体流经喷嘴、汽轮机、膨胀器及节流阀等 设备或装置所经历的过程，都是膨胀过程。 下面讨论膨胀过程的热力学现象。着重讨 论工业上经常遇到的节流膨胀和绝热膨胀 过程及其所产生的温度效应
⑵H1升高，因为水不可压缩耗功很少，一般 可忽略不计，但H1增加，必须使P1、t1增加， P1太大会使设计的强度出现问题，从而使制 造成本增加，提高效率的收益，并不一定 能弥补成本提高的花费。
6.1 蒸汽动力循环
卡诺循环要求等温吸热和等温放热以及等 熵膨胀和等熵压缩。在朗肯循环中，等温 放热、等熵膨胀和等熵压缩这三各过程基 本上能够与卡诺循环相符合，差别最大的 过程是吸热过程。现在主要问题是如何能 使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效 率。显然改造不等温吸热是提高热效率的 关键，由此提出了蒸汽的再热循环和回热 循环。
6.1 蒸汽动力循环
1）蒸汽动力循环与正向卡诺循环 2）蒸汽动力循环工作原理及T-S图 3）朗肯循环 4）提高朗肯循环热效率的措施 5）应用举例
6.1 蒸汽动力循环
4）提高朗肯循环热效率的措施
要提高朗肯循环的热效率，首先必须找出影响热 效率的主要因素，从热效率的定义来看
对卡诺循环 对朗肯循环
ws TL c 1 QH TH
H ( )T P H ( )p T
H ( ) P CP T
6.2 膨胀过程
H ( )T T J ( ) H P P CP
化工热力学-第六章
S C p T p T
说明了任何气体在任何状 态下经绝热膨胀，都可致
T V
冷。这与节流膨胀不同。
S
T p
S
T Cp
T 0 Cp 0
（6-16）
V T
p
0
∴μS衡大于0
将（6-16）式与（6-13）式比较，得
S
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
J
V Cp
∵ 任何气体均有V>0 Cp>0
∴ S J 恒大于零.
S
耗功过程：耗功量最小。
实际过程的耗功量要大于逆向卡诺循环
二.蒸汽压缩制冷循环
1. 工作原理及T-S图 主要设备有： 压缩机 冷凝器 膨胀机（节流阀） 蒸发器 四部分组成。
在制冷过程中，要涉及到相变、工质、压力、沸点等问题
(1)卡诺压缩制冷循环
特点： 传热过程可逆
T
T放 3
T吸 4
压缩、膨胀过程可逆
由热力学第一定律： H Q Ws
2 WS
1
S
H 0 循环过程
Q Ws Q Q放 Q吸
Q放 TH S3 S2 TH（S4 S1）
Q吸 T（L S1 S4） T（L S4 S1）
故：
Q （TH TL）(S4 S1) Ws （TH TL）(S4 S1)
衡量制冷效果好坏的一个技术指标是制冷系数。
（1）工质进汽轮机状态不同
卡诺循环：湿蒸汽 郎肯循环：干蒸汽
（2）膨胀过程不同
卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程
（3）工质出冷凝器状态不同 卡诺循环：气液共存
（4）压缩过程不同 （5）工作介质吸热过程不同
郎肯循环：饱和水
卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程，若忽 略掉工作介质水的摩擦与散热，可 简化为可逆过程。
化工热力学6Chapter6蒸汽动力循环与制冷循环(New)
度下降,故压力一般不单独提高,通常乏汽干度≮88%,为安全起见,最好为饱 和蒸汽。
3.分析举例
Chapter 6.蒸汽动力循环与制冷循环 §6.1蒸汽动力循环
五、提高Rankine循环热效率的主要措施 (一)提高蒸汽的初参数即温度和压力 (二)提高冷凝器效率和尽可能降低冷却水的温度以便尽可能降低 乏汽压力 1.原理 （1）提高冷凝器效率目的是缩小工质与冷却水之间的传热温差 即缩小了传热推动力； （2）降低冷却水的温度的目的是在传热推动力不变的情况下降 低乏汽压力 2.限制 （1）冷凝器效率提高受冷凝器传热面积的限制即冷凝器投资的 限制； （2）冷却水的温度的降低受季节和地理位置的限制 (三)利用其它低温余热预热锅炉给水即提高锅炉进口的水温 原理：缩小工质在锅炉中与燃气之间的传热温差
6．汽耗率 SSC=m/N=60103/(2.045410466.87)=2.943 kg/(kWh)
10
1．例5-8 1.57MPa、484℃的过热水蒸气推动透平机作功，并在 0.0687MPa下排出。此透平机既不可逆也不绝热，输出的轴 功相当于可逆绝热膨胀功的85%。由于隔热不好，每kg蒸汽 有7.12kJ的热量散失于20℃的环境。此过程的理想功、损失 功和热力学效率。
四、计算举例
例 题 6-1(P135~137) 某 蒸 汽 动 力 循 环 按 朗 肯 循 环 工 作 , 锅 炉 压 力 为 4MPa, 产 生 440℃的过热蒸汽,乏汽压力为4kPa,蒸汽流量60吨/时，试按理想朗肯循环计 算①乏汽的干度;②汽轮机的理论功率;③水在锅炉中吸收的热;④水泵的理论 功率;⑤乏汽在冷凝器中放出的热;⑥循环的热效率;⑦循环的汽耗率。
NTid=m(h1h2)/3600=60103(3307.12079.87)/3600=2.0454104 kW 4．泵功率 NP=m(h4h3)/3600=60103(125.472121.46)/3600=66.87 kW
3.分析举例
Chapter 6.蒸汽动力循环与制冷循环 §6.1蒸汽动力循环
五、提高Rankine循环热效率的主要措施 (一)提高蒸汽的初参数即温度和压力 (二)提高冷凝器效率和尽可能降低冷却水的温度以便尽可能降低 乏汽压力 1.原理 （1）提高冷凝器效率目的是缩小工质与冷却水之间的传热温差 即缩小了传热推动力； （2）降低冷却水的温度的目的是在传热推动力不变的情况下降 低乏汽压力 2.限制 （1）冷凝器效率提高受冷凝器传热面积的限制即冷凝器投资的 限制； （2）冷却水的温度的降低受季节和地理位置的限制 (三)利用其它低温余热预热锅炉给水即提高锅炉进口的水温 原理：缩小工质在锅炉中与燃气之间的传热温差
6．汽耗率 SSC=m/N=60103/(2.045410466.87)=2.943 kg/(kWh)
10
1．例5-8 1.57MPa、484℃的过热水蒸气推动透平机作功，并在 0.0687MPa下排出。此透平机既不可逆也不绝热，输出的轴 功相当于可逆绝热膨胀功的85%。由于隔热不好，每kg蒸汽 有7.12kJ的热量散失于20℃的环境。此过程的理想功、损失 功和热力学效率。
四、计算举例
例 题 6-1(P135~137) 某 蒸 汽 动 力 循 环 按 朗 肯 循 环 工 作 , 锅 炉 压 力 为 4MPa, 产 生 440℃的过热蒸汽,乏汽压力为4kPa,蒸汽流量60吨/时，试按理想朗肯循环计 算①乏汽的干度;②汽轮机的理论功率;③水在锅炉中吸收的热;④水泵的理论 功率;⑤乏汽在冷凝器中放出的热;⑥循环的热效率;⑦循环的汽耗率。
NTid=m(h1h2)/3600=60103(3307.12079.87)/3600=2.0454104 kW 4．泵功率 NP=m(h4h3)/3600=60103(125.472121.46)/3600=66.87 kW
合工大-化工热力学-第六章_ 蒸汽动力循环与制冷循环
6.1.1
(a)
6
Rankine循环中各个过程经理想化（即忽略工 质的流动阻力与散热、动、位能变化）应用稳定流 动过程的能量平衡方程分析如下。
1~2过程：汽轮机中工质作等熵膨胀（即可逆绝
热膨胀），对外作功量
WS H H2 H1kJ / kg （工质）
（6-1）
图6-1
6.1.1
7
2~3过程：湿蒸汽在冷凝器中等压等温冷凝，
p1'
p1
至x’2) x’2< x2，这
不利汽轮机的操作。
x2 '
x2
6.1.1
19
然而，提高汽轮机的进汽温度可降低汽轮机 出口蒸汽湿度。所以，为了提高循环的热效率， 汽轮机的进汽温度和进汽压力一般是同时提高 的，现代蒸汽动力装置采用的进汽温度，压力 在往高参数方向发展。
H2O 的 pc 22.05MPa
降低了出口蒸汽的湿 度（干度提高）x2<x’2。 改进了汽轮机的操作条 件
第18 次课结束2010
T1
x2 x2 '
图6-2
6.1.1
18
假定汽轮机出口蒸汽压力及进汽温度不变，将进汽 压力由p1提高到p’1， 也能提高循环的平均吸热温度，有利于提高循环热
效率，
单一提高进汽压 力，汽轮机出口蒸 汽的湿度也随之增 加(见图6-3中由x2
（6-5b）
6.1.1
11
汽耗率是蒸汽动力装置中，输出1kW·h的净功所
消耗的蒸汽量。用SSC（Specific steam s kg consumption）表示
3600 SSC kg /(kW h) WS
h kJ
kg / kw h
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2013-7-27
前言
蒸汽动力循环：
是以蒸汽为工质，将热连续地转变成功的过程， 其主要设备是各种热机。 产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂。 常用的工质是水蒸气。
制冷循环：
是将热连续地由低温处输送到高温处的过程， 其主要设备是制冷机。 耗功的过程。 -100 ℃以上为普冷， -100 ℃以下为深冷。
2)但P ，乏气干度 ， 不利于透平机的安全运行。
(3)降低乏气压力（背压）
1）降低背压时所增 加的净功（阴影部分 面积）比Q1增加的 热量大，因而提高了 整个循环的热效率。
2）降低背压会降 低乏气的干度，应 注意。
问题：卡诺循环效率比同温限下的其它循环热效率 高，为什么蒸汽动力循环不采用卡诺循环方案？
第六章 蒸汽动力循环 和制冷循环
2013-7-27
第六章内容
§6.1 蒸汽动力循环
§6.1.1 朗肯循环及其热效率 §6.1.2 朗肯循环的改进
§6.2 气体绝热膨胀制冷原理
§6.2.1 节流膨胀 §6.2.2 对外作功的绝热膨胀
§6.3 制冷循环
§6.3.1 蒸汽压缩制冷循环 §6.3.2 吸收制冷循环 §6.3.2 热泵及其应用
3
2
现代蒸汽动力循环普遍 采用这种方式。根据需 要，可分为多次。
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S
回热循环的计算
1Kg 过 热 器
1
透 平 机
计算关键：对稳流体系回热加热器，利 用质量平衡和能量平衡计算抽气量x。 （不考虑散热）
2’
H 5 xH2' (1 x ) H 4 H5 H4 x H 2' H 4
热机所作的功W为闭合 曲线ABCDA所围的面积。
W Q1 Q2 ABCDA的面积 循环热机的效率 Q1 Q1 ABC曲线下的面积
2013-7-27
复习： T-S 图的优点：
T-S 图：既显示体系所吸取或释放的热 量；又显示体系所作的功。 p-V 图：只能显示所作的功。
返回
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[结论] 热效率，汽耗率，表明：循环越完善。
§6.1 .2 实际朗肯循环
（1）实际朗肯循环（P135）
2 2’ 4 4’ 4’ 2 2’ 1
等熵效率
Q H12'
H 1 H 2' H1 H 2
T
4
S，透平
WS ,透平 ,不 WS ,透平 ,可
3
S
S，泵
3 4水在水泵中被压缩升压， 再回到锅炉中，完成一个循环。
4
3
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§6.1 .1 朗肯循环及其热效率
原理
朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，主要由： 水泵、 锅炉、 透平机、 冷凝器组成。 1 蒸
透 平 机
汽 作 功
（1）理想朗肯循环
1
水 加 热 至 过 锅炉 热 蒸 汽
2
冷 凝 水压缩 器
计算出循环热效 率及汽耗率。
1
过 热 器 锅炉 透 平 机
WS可逆绝 热膨胀功
Q1
2
冷 凝 器
Q2
4
水泵
注意：蒸汽动力 循环装置除启动、 停机、发生事故 等外，正常工作 时，工质处于稳 定流动过程。
3
稳定流动体系的热力学第一定律：
WP可逆绝热压缩功
H gZ u
2
2
Q Ws
H gZ u
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前言
蒸汽动力循环的应用实例：
合成氨 2 3H2 3NH3 N
•如何将1atm 300atm? •需要压缩机，消耗动力。 电 •中国60年代，1500~1800度电/吨NH3。 •中国70年代，仅10~30度电/吨NH3。 •这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。 即热能的利用：高温热源 废热锅炉，产生高压蒸汽 透平机 压缩机
W S H 1 H 2' Q1 H1 H 4 ______ ( 6 8)
3
S
（3）实际与理想朗肯循环的比较
Q1 Q2 WN 理想循环 12344’6’1 54’ 6’65 1234561 实际循环 12344’6’1 5’5’’ 6’65’’ 12345615’5’’4’5’5’
实际与理想朗肯循环的比较
项目
水汽化吸热Q1(kJ/kg) 水汽化吸入有效能 (kJ/kg) 蒸汽膨胀作功WS (kJ/kg) 乏汽冷凝排出热量Q2 (kJ/kg) 乏汽冷凝排出有效能 (kJ/kg) 水加压耗功WP (kJ/kg) 循环净功WN (kJ/kg) 循环热效率η ，% 有效能利用效率η B，% SSC， Kg.kw-1.h-1
理想朗肯循环
透 平 机
1 2 T
4
水泵
冷 凝 器
4
3
2
3
S
(2) 理想朗肯循环的定量计算方法
1
过 热 器 锅炉 透 平 机
我们的任务：是讨 论循环的热功性能: 要计算循环中吸 WS可逆绝 收、放出的热量； Q2 对外作出的、从 外界得到的功；
Q1 4
水泵
2 热膨胀功
冷 凝 器
3
WP可逆绝热压缩功
3
2
S
注意：由于回热循环中，工质经历不同过程时有质量的变化， 因此T-S图上的面积不能代表功和热量，它只表征状态和过 程的特点。
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回热循环特点
1
1Kg
6 T 4
5
x 1-x
2’
缺点： 1）中压蒸气和水在回 热加热器中不可逆混合， 损失了部分有效能。 2）设备增加。 总之，利大于弊！
WP,泵,可
（H 4 H 3） WP,泵,不 （H 4' H 3）
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（2） 实际朗肯循环的热效率
(W S W P ) Q1 （H 1 H 2'）（H 3 H 4'） H1 H 4 T
1 4’ 2 2’
WP 0
4
(WP 只占Ws的0.9%)
b 继续
T
4
3
a
复习：T-S图及其应用
T-S图 ：温-熵图 T-S图的用处： (1)体系从状态A到状态B,在 T-S图上曲线AB下的面积就 等于体系在该过程中的热效 应，一目了然。
QR T d S
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复习： T-S图及其应用
(2)容易计算热机循环时的效率 图中ABCDA表示任一可逆 循环。ABC是吸热过程，所吸 之热等于ABC曲线下的面积； CDA是放热过程，所放之 热等于CDA曲线下的面积。
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400C， atm 300
§6.1 蒸汽动力循环
蒸汽动力循环原理
1
过 热 器 锅炉 冷 凝 器 水泵 4 1水进入锅炉被加热汽化， 直至成为过热蒸汽。 透 平 机
蒸汽动力循环主要由水泵、锅 炉、透平机和冷凝器组成。
1 2 进入透平机膨胀作功。
2
2 3 作功后的低压湿蒸汽进入 冷凝器被冷凝成水，回到水泵中。
4
锅炉加热 1 泵 透 平 机 2 汽+液
卡诺循环(图中 41234过程）的缺 点所决定!
透平机后的乏气, 汽+液
T
冷凝器 3 缺点之二: 对于泵易 产生气缚 现象 缺点之一: 透平机要求干度 X>0. 9 但2点的X<0.88 易损坏叶片
S
§6.1.4 朗肯循环的改进
（1）回热循环： 抽出部分蒸汽x到回热加热器
解 ： Q1 H 1 H 4 1）
3）W S H 2 H 1
4）W P H 4 H 3
V（P4 P3） 3
1 5 T 4
2 Q2 H3 H2 ）
3
2
(W S W P ) 热效率 =36% .29 （Kg.kw-1.h-1）
2 1-X
1
1Kg
锅炉
X
冷 凝 器
6
3
水泵
x
5 1-x
2’
6
水泵
5
回热 加热器
4
T
4 3
2
2013-7-27
S
锅炉内：
Q1 H1 H 6
1Kg
过 热 器 锅炉 透 平 机
汽轮机中：
W S x ( H 2' H 1 ) (1 x )( H 2 H 1 )
净功WN
3
WS WP (Q1 Q2 )
WP可逆绝热压缩功
净功WN在T-S图上的意义？
净功 WN (WS WP ) Q1 Q2
Q可 逆 TdS 复习
净功-WN= Q1（面积1ba41）- IQ2I 1 （面积2ba32）=面积12341 Ql越大， Q2越小，做的净功 WN就越大。 Ql受锅炉中金属材料的极限的 2 限制，约550~600oC。 Q2受为环境温度的限制。 S
（3）理想朗肯循环的热效率η和汽耗率SSC
评价动力循环的经济性指标：热效率和汽耗率。 1）热效率η ： 循环的净功与工质从高温热库 (锅炉)吸收的热量之比 (WS WP ) （H 1 H 2）（H 3 H 4） H1 H 4 Q1
WP 0
WS H 1 H 2 Q1 H1 H 4 (6 5 B )
S
例2： 同例1，但实际朗肯循环的透平机的等熵效率为0.85。
解： S，透平
1 5 T 4 3 S
H 1 H 2' 0.85 W S ,透平,可 H 1 H 2
W S ,透平,不
由上式计算出H2’ 其它计算同例1
2 2’
前言
蒸汽动力循环：
是以蒸汽为工质，将热连续地转变成功的过程， 其主要设备是各种热机。 产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂。 常用的工质是水蒸气。
制冷循环：
是将热连续地由低温处输送到高温处的过程， 其主要设备是制冷机。 耗功的过程。 -100 ℃以上为普冷， -100 ℃以下为深冷。
2)但P ，乏气干度 ， 不利于透平机的安全运行。
(3)降低乏气压力（背压）
1）降低背压时所增 加的净功（阴影部分 面积）比Q1增加的 热量大，因而提高了 整个循环的热效率。
2）降低背压会降 低乏气的干度，应 注意。
问题：卡诺循环效率比同温限下的其它循环热效率 高，为什么蒸汽动力循环不采用卡诺循环方案？
第六章 蒸汽动力循环 和制冷循环
2013-7-27
第六章内容
§6.1 蒸汽动力循环
§6.1.1 朗肯循环及其热效率 §6.1.2 朗肯循环的改进
§6.2 气体绝热膨胀制冷原理
§6.2.1 节流膨胀 §6.2.2 对外作功的绝热膨胀
§6.3 制冷循环
§6.3.1 蒸汽压缩制冷循环 §6.3.2 吸收制冷循环 §6.3.2 热泵及其应用
3
2
现代蒸汽动力循环普遍 采用这种方式。根据需 要，可分为多次。
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S
回热循环的计算
1Kg 过 热 器
1
透 平 机
计算关键：对稳流体系回热加热器，利 用质量平衡和能量平衡计算抽气量x。 （不考虑散热）
2’
H 5 xH2' (1 x ) H 4 H5 H4 x H 2' H 4
热机所作的功W为闭合 曲线ABCDA所围的面积。
W Q1 Q2 ABCDA的面积 循环热机的效率 Q1 Q1 ABC曲线下的面积
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复习： T-S 图的优点：
T-S 图：既显示体系所吸取或释放的热 量；又显示体系所作的功。 p-V 图：只能显示所作的功。
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[结论] 热效率，汽耗率，表明：循环越完善。
§6.1 .2 实际朗肯循环
（1）实际朗肯循环（P135）
2 2’ 4 4’ 4’ 2 2’ 1
等熵效率
Q H12'
H 1 H 2' H1 H 2
T
4
S，透平
WS ,透平 ,不 WS ,透平 ,可
3
S
S，泵
3 4水在水泵中被压缩升压， 再回到锅炉中，完成一个循环。
4
3
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§6.1 .1 朗肯循环及其热效率
原理
朗肯循环是最简单的蒸汽动力循环，主要由： 水泵、 锅炉、 透平机、 冷凝器组成。 1 蒸
透 平 机
汽 作 功
（1）理想朗肯循环
1
水 加 热 至 过 锅炉 热 蒸 汽
2
冷 凝 水压缩 器
计算出循环热效 率及汽耗率。
1
过 热 器 锅炉 透 平 机
WS可逆绝 热膨胀功
Q1
2
冷 凝 器
Q2
4
水泵
注意：蒸汽动力 循环装置除启动、 停机、发生事故 等外，正常工作 时，工质处于稳 定流动过程。
3
稳定流动体系的热力学第一定律：
WP可逆绝热压缩功
H gZ u
2
2
Q Ws
H gZ u
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前言
蒸汽动力循环的应用实例：
合成氨 2 3H2 3NH3 N
•如何将1atm 300atm? •需要压缩机，消耗动力。 电 •中国60年代，1500~1800度电/吨NH3。 •中国70年代，仅10~30度电/吨NH3。 •这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。 即热能的利用：高温热源 废热锅炉，产生高压蒸汽 透平机 压缩机
W S H 1 H 2' Q1 H1 H 4 ______ ( 6 8)
3
S
（3）实际与理想朗肯循环的比较
Q1 Q2 WN 理想循环 12344’6’1 54’ 6’65 1234561 实际循环 12344’6’1 5’5’’ 6’65’’ 12345615’5’’4’5’5’
实际与理想朗肯循环的比较
项目
水汽化吸热Q1(kJ/kg) 水汽化吸入有效能 (kJ/kg) 蒸汽膨胀作功WS (kJ/kg) 乏汽冷凝排出热量Q2 (kJ/kg) 乏汽冷凝排出有效能 (kJ/kg) 水加压耗功WP (kJ/kg) 循环净功WN (kJ/kg) 循环热效率η ，% 有效能利用效率η B，% SSC， Kg.kw-1.h-1
理想朗肯循环
透 平 机
1 2 T
4
水泵
冷 凝 器
4
3
2
3
S
(2) 理想朗肯循环的定量计算方法
1
过 热 器 锅炉 透 平 机
我们的任务：是讨 论循环的热功性能: 要计算循环中吸 WS可逆绝 收、放出的热量； Q2 对外作出的、从 外界得到的功；
Q1 4
水泵
2 热膨胀功
冷 凝 器
3
WP可逆绝热压缩功
3
2
S
注意：由于回热循环中，工质经历不同过程时有质量的变化， 因此T-S图上的面积不能代表功和热量，它只表征状态和过 程的特点。
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回热循环特点
1
1Kg
6 T 4
5
x 1-x
2’
缺点： 1）中压蒸气和水在回 热加热器中不可逆混合， 损失了部分有效能。 2）设备增加。 总之，利大于弊！
WP,泵,可
（H 4 H 3） WP,泵,不 （H 4' H 3）
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（2） 实际朗肯循环的热效率
(W S W P ) Q1 （H 1 H 2'）（H 3 H 4'） H1 H 4 T
1 4’ 2 2’
WP 0
4
(WP 只占Ws的0.9%)
b 继续
T
4
3
a
复习：T-S图及其应用
T-S图 ：温-熵图 T-S图的用处： (1)体系从状态A到状态B,在 T-S图上曲线AB下的面积就 等于体系在该过程中的热效 应，一目了然。
QR T d S
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复习： T-S图及其应用
(2)容易计算热机循环时的效率 图中ABCDA表示任一可逆 循环。ABC是吸热过程，所吸 之热等于ABC曲线下的面积； CDA是放热过程，所放之 热等于CDA曲线下的面积。
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400C， atm 300
§6.1 蒸汽动力循环
蒸汽动力循环原理
1
过 热 器 锅炉 冷 凝 器 水泵 4 1水进入锅炉被加热汽化， 直至成为过热蒸汽。 透 平 机
蒸汽动力循环主要由水泵、锅 炉、透平机和冷凝器组成。
1 2 进入透平机膨胀作功。
2
2 3 作功后的低压湿蒸汽进入 冷凝器被冷凝成水，回到水泵中。
4
锅炉加热 1 泵 透 平 机 2 汽+液
卡诺循环(图中 41234过程）的缺 点所决定!
透平机后的乏气, 汽+液
T
冷凝器 3 缺点之二: 对于泵易 产生气缚 现象 缺点之一: 透平机要求干度 X>0. 9 但2点的X<0.88 易损坏叶片
S
§6.1.4 朗肯循环的改进
（1）回热循环： 抽出部分蒸汽x到回热加热器
解 ： Q1 H 1 H 4 1）
3）W S H 2 H 1
4）W P H 4 H 3
V（P4 P3） 3
1 5 T 4
2 Q2 H3 H2 ）
3
2
(W S W P ) 热效率 =36% .29 （Kg.kw-1.h-1）
2 1-X
1
1Kg
锅炉
X
冷 凝 器
6
3
水泵
x
5 1-x
2’
6
水泵
5
回热 加热器
4
T
4 3
2
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S
锅炉内：
Q1 H1 H 6
1Kg
过 热 器 锅炉 透 平 机
汽轮机中：
W S x ( H 2' H 1 ) (1 x )( H 2 H 1 )
净功WN
3
WS WP (Q1 Q2 )
WP可逆绝热压缩功
净功WN在T-S图上的意义？
净功 WN (WS WP ) Q1 Q2
Q可 逆 TdS 复习
净功-WN= Q1（面积1ba41）- IQ2I 1 （面积2ba32）=面积12341 Ql越大， Q2越小，做的净功 WN就越大。 Ql受锅炉中金属材料的极限的 2 限制，约550~600oC。 Q2受为环境温度的限制。 S
（3）理想朗肯循环的热效率η和汽耗率SSC
评价动力循环的经济性指标：热效率和汽耗率。 1）热效率η ： 循环的净功与工质从高温热库 (锅炉)吸收的热量之比 (WS WP ) （H 1 H 2）（H 3 H 4） H1 H 4 Q1
WP 0
WS H 1 H 2 Q1 H1 H 4 (6 5 B )
S
例2： 同例1，但实际朗肯循环的透平机的等熵效率为0.85。
解： S，透平
1 5 T 4 3 S
H 1 H 2' 0.85 W S ,透平,可 H 1 H 2
W S ,透平,不
由上式计算出H2’ 其它计算同例1
2 2’