6.2蒸汽动力循环与制冷循环

卡诺循环：等温过程
郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着 5 等压线变化
水 定压升温沸点 定温定压汽化饱和蒸汽 定压升温过热蒸汽
T
4 3
1 2 2’
S
1—2’ 对 应 于 汽 轮 机
2’—3 冷 凝 器 进 行 ，在冷凝器里冷却水把工 作介质的热量带走使其由 气体转变为液体。
3—4 水泵中进行 4—1 锅炉进行， 水在锅炉中恒压加热。
解题步骤： 关键在于求出循环产生的净功
W WS WSR, pump
13
对于透平
1 4
3 2 2’
绝热可逆（等熵）：
WSR H2 H1
实际过程（绝热不可逆）：
WS H2' H1
1—2，等熵过程：
S2 S1
S2 Sg x2 Sl (1 x2 )
6.2801 8.2287x2 0.5926(1 x2 )
由热力学第一定律：
H
1 2
c2
gZ
Q
WS
Q=0（来不及传热），
Ws=0（不做功）
朗肯循环的热效率为：
wN 1264.9 0.3965
q 3190.4
28
（2）已知透平的等熵效率为0.75
ws s wSR 0.75 (1273.6) 955.2kJ kg 1
因为， ws h2' h1
所以，
h2' h1 ws 3390.9 955.2 2435.7kJ kg 1
(1)此动力循环中蒸汽的质量流量; (2)汽轮机出口乏气的湿度; (3)循环的热效率.
10
例6-2 插图
t=320 ℃ 核 反 应 堆
4
1 汽轮机
锅
2 或2’
炉
冷
凝
器
3
T P1=7MPa t1=360 ℃ 1
4
3
2 2’
P2=0.008MPa
S
11
分析：由问题入手。
① 对于蒸汽的质量流量：
m
Np W
热量。
QL
QH
38
1 T
汽轮机
qH
锅 炉
4
WS
2
4
qL
3
3
1
2 S
39
（2） 抽汽式汽轮机联合供电供热循环
特点：
–① 工质部分供热，部分作功
–② 供热量与乏汽无关 –③ 热电循环效率
QH H1 H 7
QRH
QH
QRH H6 H 2
ws H2 H1 (1 ) H3 H2
34
1.再热循环
再热循环的热效率
ws wSH wSL wp wSH wSL
Q
QH QRH
QH QRH
T
8 7 6
1 P1 3 p2
2 p3
45
S
1
2
wsh+wsL 34
QR
H
结论： （1）η提高
（2）乏汽湿含量减少，干度增加。
35
2.回热循环 1
1kg
T
αkg
(1-α)kg
ห้องสมุดไป่ตู้
1
2’
2
水
6
αkg
2’
5
(1-α)kg
6
3
4
3
2
5
4
S
36
回热循环的热效率：
ws wp QH QL 1 (1)(H3 H2)
QH
QH
H1 H6
抽气量α取回热器作能量衡算
H 2, H 5 (1 )H 5 H 4
H5 H 4
H 2, H 4
结论：
（1）减少了工作介质吸热过程的温差（不可逆），由TH-T4 减少到TH-T6
凝为饱和液态水，然后泵入锅炉。试求：（1）理想朗肯 循环的热效率；（2）已知透平和泵的等熵效率为0.75，试 求在上述条件下实际动力循环的热效率；（3）设计要求 实际动力循环输出的轴功率为80000kW，试求蒸汽的流量 以及锅炉和冷凝器的传热速率。
分析：
循环过程输出
W
Q
的净功 工质从高温热源
所吸收的热
（2）热效率提高，但设备成本提高。
37
3. 热电循环
分为两种： （1） 背压式汽轮机联合供电供热循环
特点： ① 冷凝器中冷却工质的介质为热用户的介质（不一定是冷
却水）冷凝温度由供热温度决定，QL得以利用； ② 排气压力受供热温度影响，较郎肯循环排气压力高,大于
大气压力； ③ 热电循环效率 =循环热效率+提供热用户的热量/输入的总
kJ S 1 kJ kg 1
② 汽轮机出口乏汽的湿度：
该汽轮机的额 定功率，已知
循环的净功， 待求
H2' Hg x2' Hl (1 x2' )
S2' Sg x2' Sl (1 x2' )
Hg、Hl、Sg、Sl可查水蒸汽 表获得，H2’、S2’待求。
12
③ 循环的热效率：
W
Q
循环的净功 吸收的热量
3
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 循环是郎肯循环。
T-S图
T
T吸
4
T放
3
QH 1 Ws
2 QL
S
4
2. 郎肯循环
郎肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在
29
水泵耗功为：
wS , pump
wSR, pump
s
8.676 0.75
11.57
因为， wS , pump h4' h3
所以：
h4' h3 wS, pump 191.8311.57 203.4kJ kg1 30
锅炉吸收的热量为：
qH h1 h4' 3390.9 203.4 3187.5kJ kg 1
4. 应用举例
[P176-177 例7-1～7-2]例6-1自看
例6-2 某核动力循环如图所示，锅炉从温度为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做功后于0.008MPa压力下排出（点2），乏 气在冷凝器中向环境温度 t0=20 ℃ 下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15104 kW,汽轮机作不可逆的绝热膨胀,其等熵效率为 0.75,而水泵可认为作可逆绝热压缩,试求:
热效率 ws
QH
能量利用参数 ws Qh
QH
40
1
汽轮机
T
锅 炉
7
P’ 2 α 3 (1-α)kg
冷
热
凝
用
器
户
4
1
7α 6
2
5
1-α
4
3
6
5
水泵 加热器
水泵
S
41
6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀
一. 节流膨胀过程
高压流体经过节流阀后迅速膨胀到低压的过程称为节 流膨胀。
1. 特点：等焓过程
(5) 热效率
定义：锅炉中所提供的热量中转化为净功的量
数学式：
ws wp H2 H1 H4 H3
QH
H1 H4
wp ws
ws
QH
8
(6) 汽耗率（SSC） 汽耗率：输出1kW·h的净功所消耗的蒸汽量。
SSC 3600 [kg / (kW h)] Ws
显然，热效率越高，汽耗率越低，表明热循环越 完善。
ws H12 H 2 H1
∵
s
WS WSR
H1 H2' H1 H2
kJ/kg （理想）
∴ WS sWSR
7
(4) 水泵中工作介质的单位耗功量
wp H H 4 H 3
kJ/kg
由于液态水的不可压缩性，水泵中工作介质耗功量可按下列式近 似计算
wp vdp vp vp4 p3
第七章
蒸汽动力循环与制冷循环
1
7.1 蒸汽动力循环
一. 蒸汽动力循环为正向卡诺循环 二. 蒸汽动力循环
1. 工作原理及T-S图
蒸汽动力循环的主要设备有：
透平机（汽轮机）
冷凝器
水泵
锅炉、过热器等组成
工作介质一般为水
2
锅炉
4
1
气 轮 机
2
冷 凝 器
3
水泵
P1T1的高压高温蒸汽进入 气轮机等熵膨胀到状态2， 同时对外做功，2点状态 为乏汽从汽轮机流出后进 入冷凝器，乏汽在冷凝器 中放出汽化潜热而变为该 压力下的饱和水，放出的 热量由冷却水带走，达到 状态3，饱和水经水泵升 压到P1进入锅炉，在锅炉 吸收热量，使工质变化到 状态1，完成一个循环。
19
m NP W
实际输出轴 功率
循环过程输出 的净功
锅炉和冷凝器的传热速率，即单位时间锅炉和冷凝器 所传递的热量。
QH qH m
QL qL m
20
解： 首先根据题意画出循环的T-S图。
21
从水蒸汽表可查得8600kPa，5000C的过热蒸汽的 h1=3390.9kJ·kg-1，s1=6.6858kJ·kg-1·K-1。 （1）过热蒸汽在透平中为等熵膨胀过程，因此：
23
s2 sg x2 sl (1 x2 )
x2=0.80467
同理：
h2 hg x2 hl (1 x2) 2117.3kJ kg1
透平等熵膨胀作出的可逆轴功为：
wSR h h2 h1 2117.3 3390.9