主讲:蒋琪英 E-mail:jiangqiying @swust.edu.cn 6. 蒸汽动力循环与制冷循环 主讲:蒋琪英 E-mail:jiangqiying @swust.edu.cn

6. 蒸汽动力循环与制冷循环

6. 蒸汽动力循环与制冷循环 目的: 主要内容: 要求： 通过本章的学习，掌握蒸汽动力循环和制冷循环的基本原理和基本计算方法。 主要内容: (1) Rankine 循环的热力过程及热效率的计算。 (2) 再热循环和回热循环的原理。 (3)节流膨胀和绝热膨胀的原理、特点及应用 (4) 制冷循环的基本概念、原理和计算。 要求： （1）了解蒸汽动力循环的基本过程，掌握Rankine 循环Rankine 循环的热力学分析方法、热效率和汽耗率的概念，以及Rankine 的改进 （2）制冷循环中掌握制冷的原理、制冷循环的基本组成、单位工质循环量的计算，了解热泵的基本概念和在工业中的应用。

6. 蒸汽动力循环与制冷循环 几个基本概念： 循环： 体系从初态开始，经历一系列的中间状态后，又回到初态，此封闭的热力学过程。 蒸汽动力循环： 以水蒸汽为工质，将热能连续不断转换成机械能的热力循环。主要为如各种热机。 大型化工厂、火力发电厂，为全厂提供动力、共热及供应工艺用蒸汽。 制冷循环： 消耗能量而实现热由低温转向高温的逆过程。 低温反应、结晶分离、气体液化以及空调、冰箱、冷库等

6.1 蒸汽动力循环 6.1.1 Rankine循环及其热效率 1.工作流程 1 构成元素：水泵、锅炉、透平机和冷凝器 锅 炉 水泵 过热器 汽轮机 1 2 3 4 构成元素：水泵、锅炉、透平机和冷凝器 3→4水在 水泵中被压缩 4 →1进入锅炉的水被汽化，成为过热蒸汽 1 →2进入透平机膨胀作功 2 →3作功后的低压湿蒸汽进入冷凝器被冷凝成水，在回到水泵中，完成一个循环。 图6-1 Rankine循环示意流程图

6.1 蒸汽动力循环 2.工作过程 （1）高温吸热：状态4的工质水在锅炉中吸热，升温、汽化并在过热器中吸热成为高温的过热蒸汽1。 （2）膨胀作功：过热蒸汽1 在透平膨胀机中经绝热可逆膨胀，成为低温低压的湿蒸汽2（工程上习惯称乏气），同时对外作功。 （3）低温放热：膨胀后的乏气在冷凝器中放热冷凝，成为饱和水3，冷凝放出的热量由冷却水带走。 （4）泵输送升压：来自冷凝器的饱和水3，用泵经绝热可逆压缩后送回锅炉循环使用（状态4），此过程耗功。

6.1 蒸汽动力循环 3. 理想Rankine循环过程能量平衡方程 1—2过程：气轮机中工质作等熵膨胀（即可逆绝热膨胀），对外输出轴功Ws： Ws = ∆H = H2-H1（KJ/Kg）（工质） 2—3过程：湿蒸汽在冷凝器中等压冷凝，工质冷凝的放热量Q2 ： Q2= ∆H =H3-H2（KJ/Kg）（工质） 3—4过程：饱和水在水泵中作可逆绝热压缩，水泵消耗的Wp： Wp= ∆H =H4-H3（KJ/Kg）（工质） 由于水为液体，具有不可压缩性，体积变化很小，因此工质在压缩过程中消耗的功： （6-1） （6-2） （6-3） （6-4）

6.1 蒸汽动力循环 4—1过程：锅炉中水等压升温和等压汽化，工质在锅炉中的吸热量Q1： Q1= ∆H =H4-H1（KJ/Kg）（工质） （6-5） 冷凝器 锅 炉 水泵 过热汽 汽轮机 1 2 3 4 Ws可逆绝热膨胀 Q1 Q2 Wp可逆绝热压缩 图6-2 能量示意图

6.1 蒸汽动力循环 4.循环过程的T-S图 Q1：收锅炉材料限制，约550-600℃ Q2：受环境温度限制

6.1 蒸汽动力循环 5.动力循环的评价指 热效率 锅炉提供的热量中转化为净功的分率 汽耗率 输出1kW·h的净功所消耗的蒸汽量（SSC） （6-6） （Wp«Ws） （6-7） 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。

6.1 蒸汽动力循环 6.计算循环各参数的选择 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。 状态点1：根据p1、t1值可查相关的热力学数据表得H1、S1值 状态点2 ：根据p2，同时为等熵即S1=S2，可得H2，t2 状态点3：等压，即p3=p2，等压线与饱和线交点，可得H3、S3 状态点4：等压、等熵，即p4=p3，S4=S3，可得H4、S4

6.1 蒸汽动力循环 7.实际循环过程 等熵效率ηs 实际Rankine循环热效率 （6-8） （6-9）

6.1 蒸汽动力循环 例6-1 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

6.1 蒸汽动力循环 解:（1）确定各点的参数 1点（过热蒸汽）: 根据p1=4MPa、t1 =440 ℃,查过热水蒸气表 得 H1=3307.1kJ/kg、S1=6.9041kJ/(kg·K); 2点（湿蒸汽）, p2=4kPa，S2=S1 =6.9041kJ/(kg·K) ，查饱和水蒸气表得 Hg=2554.4kJ/kg ，Hl=121.46kJ/(kg·K) Sg=8.4746kJ/kg，Sl=0.4226kJ/(kg·K)，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

6.1 蒸汽动力循环 3点（饱和液体） ： p3=4kPa H3= Hl =121. 46 kJ/kg S3=Sl=0.4226kJ/(kg·K) 4点（未饱和水） 方法1 H4=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/(kg·K)，查未饱和水性质表 t 2.5MPa H S 5MPa 4MPa 20 ℃ 86.30 0.2961 88.65 0.2956 87.71 0.2958 40 ℃ 169.77 0.5715 171.97 0.5705 171.09 0.5709

6.1 蒸汽动力循环 H4=126.1kJ/kg （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(H2 - H3)=60 ×103 ×(2080.0 - 121.5) =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

6.1 蒸汽动力循环 水泵消耗的理论功率 热效率

6.1 蒸汽动力循环 (1)蒸气的质量流量； (2)乏气的湿度； (3)循环的热效率。 例6-2 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 t0＝20 ℃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5×104kW，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； (2)乏气的湿度； (3)循环的热效率。

6.1 蒸汽动力循环 解：首先确定各点的热力学参数 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/(kg·K); 2点（湿蒸汽）, p2=0.008MPa, 查饱和水蒸气表得 Hg=2577.0kJ/kg Hl=173.88kJ/(kg·K) Sg=8.2287kJ/kg Sl=0.5926kJ/(kg·K) 此过程 汽轮机作等熵膨胀 S2=S1 =6.2801kJ/(kg·K) , S2=Sgx2+(1-x2)Sl 6.2801=8.2287x2+(1-x2) × 0.5926 x2=0.7448

6.1 蒸汽动力循环 H2=Hgx2+(1-x2)Hl =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=ηsWR=-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

6.1 蒸汽动力循环 H4=181.33kJ/kg 乏气的湿度为 1-0.8573=0.1427 3点 0.008MPa饱和液体 乏气的湿度为 1-0.8573=0.1427 3点 0.008MPa饱和液体 H3=173.88kJ/(kg·K) S3=0.5926kJ/(kg·K) 4点 p4=7MPa, S4=S3=0.5926kJ/(kg·K)查未饱和水性质表 5MPa H S 7.5MPa 4MPa 40 ℃ 171.97 0.5705 174.18 0.5696 173.74 0.5698 80 ℃ 338.85 1.0720 340.84 1.0704 340.44 1.0707 H4=181.33kJ/kg

6.1 蒸汽动力循环 水泵所消耗的功 WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg 热效率

6.1 蒸汽动力循环 8.蒸汽参数对Rankine循环热效率的影响 蒸汽的温度 T ↑ ，Q 1↑ ，WN ↑,η ↑ T ↑，泛气干度↑，提高气 轮机的安全运行温度的提 高受到设备材料性能的限制 图6-3 提供进气温度的T-S图

6.1 蒸汽动力循环 —蒸汽压力 p进 ↑，Q1 ↓，WN不变，T平均 ↑，η ↑ p 出↓，T放热↓，Ws ↑， η ↑ 出口压力不能低于0.004MPa

6.1 蒸汽动力循环 6.1.2 Rankine 循环的改进 措施：回热循环、再热循环和热电循环 1.回热循环效率 利用部分蒸汽来加热锅炉供水，使压缩机的低温预热阶段在锅炉外的回热器中进行，从而提高循环的平均吸热温度 抽气量α： （6-10） 热效率 （6-11） 图6-4 回热循环的 装置示意图与T-S图

6.1 蒸汽动力循环 2.热电循环 供热 qL qH 锅 炉 1 2 3 4 Ws 1 2 锅 炉 3 7 5 6 4 冷 凝 器 汽轮机 供热 qL qH 锅 炉 1 2 3 4 Ws 1 汽 轮 机 2 锅 炉 3 冷 凝 器 供热 7 5 6 4 水泵 混合器 a.背压式 b.抽气式 图6-5 热电气轮机联合供热循环

6.2 节流膨胀与作对外功的绝热膨胀 6.2.1 节流膨胀（等熵） 1. 节流膨胀 定义： 流体在管道流动时，有时流经阀门、孔板等设备，由于局部阻力，使流体压力显著降低的过程。 特点： Q=0， Ws=0，∆Z=0， ∆H=0， ∆S>0 图 6-6 节流示意图

6.2 节流膨胀与作对外功的绝热膨胀 2.节流效应（ Joule-thomson效应）： 节流时的温度变化 （6-12）

6.2 节流膨胀与作对外功的绝热膨胀 积分节流效应 压力变化为有限值所引起的温度变化∆TH T1，p1—节流前的温度和压力 （6-13）

6.2 节流膨胀与作对外功的绝热膨胀 6.2.2 作外功的绝热膨胀（等熵） 绝热膨胀时通过膨胀机实现 等熵膨胀效应系数μs （6-14） 等熵膨胀效应∆TS （6-14） （6-15）

图6-8 节流效应及等熵膨胀效应在T-S图上的表示 节流膨胀与做外功的绝热膨胀的比较 原理 特点 降温程度 降温条件 设备与操作 适用范围 图6-8 节流效应及等熵膨胀效应在T-S图上的表示

主要表现为： 在相同的条件下，绝热作功膨胀比节流膨胀产生的温度降大，且制冷量也大；另外，绝热作功膨胀适用于任何气体，而节流膨胀是有条件的，对少数临界温度极低的气体（如H2 、He 和CH4），必须预冷到一定的低温进行节流，才能获得冷效应。但膨胀机设备投资大，运行中不能产生液体；而节流膨胀所需的设备仅是一个节流阀，其结构简单，操作方便，可用于汽、液两相区的工作，甚至可直接用于液体的节流。因此绝热作功的膨胀主要用于大、中型设备，特别是用于深冷循环中，此时能耗很大，用等熵膨胀节能效果突出。至于节流膨胀则在任何制冷循环中都要使用，即使在采用了膨胀机的深冷循环中，由于膨胀机不适用于温度过低和有液体的场合。

6.3 制冷循环

6.3 制冷循环

6.3 制冷循环 6.3.1 蒸汽压缩制冷 蒸发盘管 冷冻室 毛细管 冷凝盘管 压缩机

6.3 制冷循环 蒸汽压缩制冷及能量变化 高温 环境 低温 冷室 蒸发器 冷凝器

6.3 制冷循环 蒸汽压缩制冷及能量变化 高温 环境 低温 冷室 蒸发器 冷凝器

6.3 制冷循环 1.单级制冷压缩循环 1-2 可逆绝热压缩 Ws=H2 － H1（ kJ/kg） (6-16) 2-4 等压冷却、冷凝过程 q2=H4-H2（kJ/kg） (6-17) 4-5 节流膨胀过程 H5 = H4 （kJ/kg） (6-18) 4-1 等压、等温蒸发过程 q0 =H1 － H5 (kJ/kg) (6-19) 制冷系数 T 2 4 3 T T0 1 5 S 图 6-12 单级压缩T-S图 焓值：查图、表或计算 (6-20)

6.3 制冷循环 2.多级压缩制冷循环 由于多级压缩使各蒸发器的压力不同，因此多级压缩制冷可以同时提供几种不同温度的低温。 图6-13多级压缩制冷的示意图与T − S 图 由于多级压缩使各蒸发器的压力不同，因此多级压缩制冷可以同时提供几种不同温度的低温。 通常情况下，多级压缩制冷比单级压缩制冷节省能量，但设备投资增加。然而压缩级数过多时，由于设备阻力增加等原因，节能效果不显著。

6.3 制冷循环 3. 复叠式制冷循环 图6-14 双级复叠式制冷循环示意图与T − S 图 图中1-2-3-4 为低温级制冷循环，5-6-7-8 为更低温度级制冷循环。1-2-3-4 制冷循环中的蒸发器又是5-6-7-8 制冷循环的冷凝器，即蒸发冷凝器。即利用低温级制冷循环中制冷剂的蒸发供冷来冷凝更低温度级制冷循环中压缩机的排汽。复叠式制冷中只有5-6-7-8 制冷循环中的蒸发器才提供冷量。

6.3 制冷循环 6.3.2 吸收式制冷循环 吸收式制冷就是以热能为动力的一种制冷方法. 吸收式制冷需要两种介质作为工作流体，如水-氨、水-溴化锂等。其中低沸点组分用作制冷剂，利用它的蒸发和冷凝来实现制冷；高沸点组分用作吸收剂，利用它对制冷剂的吸收和解吸作用来完成工作循环。氨吸收制冷通常用于低温系统，制冷温度一般为278 K 以下；溴化锂吸收制冷适用于空气调节系统，制冷温度一般为278 K 以上，最低制冷温度不低于273 K。 图6-16 吸收式制冷循环示意图

6.3 制冷循环 热能利用系数（ε） (6-21) Q0 是蒸发器中吸收的热量（制冷能力）； Q 是热源供给的热量。 特点： 直接利用热能制冷，可以利用工业余热和低温热源，也可以直接利用燃料热能，还可以利用太阳能的辐射热。这对提高一次能源利用率，减少废热排放和温室效应等环境污染，具有重要意义. (6-21)

6.3 制冷循环 2点 p2 ＝ 1MPa，S2 ＝S1 ＝ 0.9367kJ/(kg·K) 例6-8 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，每小时制冷量Q0为1.67×105 kJ·h-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 ： H1＝231.9kJ/kg S1 ＝0.9367kJ/(kg·K) 2点 p2 ＝ 1MPa，S2 ＝S1 ＝ 0.9367kJ/(kg·K) 查表得 H2 ＝ 278.7 kJ/kg T0 T S 1 2 3 4 5

6.3 制冷循环 4 点 1MPa饱和液体，查表得 H4 ＝ 104.2 kJ/kg， H5 ＝ H4

6.3 制冷循环 若制冷剂的“制冷能力”为Q0 kJ/h，那么，制冷剂的循环量为 压缩机消耗的功率 (6-21) (6-22)

6.3 制冷循环 制冷剂的选择 潜热要大。 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。 化学稳定性、不易燃、不分解、无腐蚀性。 价格低。 冷冻剂对环境应该无公害。

6.3 制冷循环 6.3.3 热泵及应用 热泵是以消耗一部分能量（机械功或电等）为代价，通过热力循环，将热能不断地从低温区输送到高温区的装置。热泵的作用是将低品位的能量提高到能够被利用的较高温度，达到重新用于工业生产或人工取暖的目的. 热泵循环的热力学原理与制冷循环的完全相同，只是两者的工作范围和使用目的不同。制冷装置是用来制冷，热泵是用来供热 热泵循环的能量平衡方程为： −QH =QL +W （6-23） QH 为热泵的供热量； QL 为取自低温热源的热量； W 为完成循环所消耗的净功量。

6.3 制冷循环 供热系数：单位功量所得到的供热量来衡量，用ε H 表示 理想热泵（逆向Carnot 循环）的供热系数为 （6-24） 供热系数与制冷系数的关系式 （6-24） （6-25） （6-26） 上式表明，供热系数大于制冷系数，且ε H 永远大于1。这说明热泵所消耗的功最后也转变成热而一同输到高温热源。因此，热泵是一种合理的供热装置。