化工热力学-第六章-蒸汽动力循环与制冷循环

1第六章蒸汽动力循环与制冷循环26.1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3水泵锅炉1234P1T1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。气轮机冷凝器4T-S图QHQLWsTT吸T放S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。12345（1）工质进汽轮机状态不同（2）膨胀过程不同2.郎肯循环（3）工质出冷凝器状态不同（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。郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着等压线变化卡诺循环：湿蒸汽卡诺循环：等熵过程卡诺循环：气液共存卡诺循环：等熵过程卡诺循环：等温过程郎肯循环也是由四个步骤组成，与卡诺循环不同表现在郎肯循环：干蒸汽郎肯循环：不可逆绝热过程61—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。122’34ST水过热蒸汽饱和蒸汽沸点定压升温定温定压汽化定压升温73.郎肯循环过程的热力学计算∴4141HHHQH'233'2HHHQL2323HHHQL1'2'12HHHws1212HHHws2121'HHHHWWSRSsSRsSWW(1)工作介质在锅炉中吸热量kJ/kg(2)工作介质在冷凝器中排放的热量kJ/kg（理想）(3)汽轮机工作介质的单位产功量（理想）kJ/kg∵834HHHwp3443ppVpVVdpwPPpHsspHpsQ414321)((4)水泵中工作介质的单位耗功量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(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：94.应用举例[P135-138例6-1～6-2]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15104kW,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:(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插图核反应堆锅炉汽轮机t=320℃12或2’34冷凝器P1=7MPat1=360℃22’134TSP2=0.008MPa11解:12一.提高郎肯循环热效率的措施HLHscTTQw131214121HHHHHHHHQwHs对卡诺循环：对郎肯循环：(3)使吸热过程向卡诺循环靠近，以提高热效率要使η↑：(1)H2↓，降低压力P2（汽轮机出口蒸汽压力）(2)H1↑，提高汽轮机进口蒸汽的压力或温度131.再热循环7QRHwsh+wsL4321p2P1Tp32S541368再热循环的热效率RHHSLSHRHHpSLSHsQQwwQQ（2）乏汽湿含量减少，干度增加。结论：（1）η提高141234562’1kgαkg(1-α)kgTS123456水2’αkg(1-α)kg2.回热循环15（2）热效率提高，但设备成本提高。6123))(1(1HHHHQQQQwwHLHHps42454552)1(HHHHHHHH回热循环的热效率：抽气量α取回热器作能量衡算结论：（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-T6163.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/输入的总热量。HLQQ17锅炉汽轮机12342134TSQLqHWS18（2）抽气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19TS1723456α1-α1冷凝器热用户锅炉水泵水泵加热器234567P’αα-αhαh20HRHsHsshRHHQQwQwHHHHwHHQHHQ能量利用参数热效率27715761)1(HRHQQ③热电循环效率TS173456α1-α2214.应用举例[P140-143例6-3~6-4]例6-3自看例6-4某化工厂采用如下的蒸汽动力装置以同时提供动力和热能。已知汽轮机入口的蒸汽参数为3.5MPa,435℃,冷凝器的压力为0.004MPa,中间抽汽压力P’为1.3MPa,抽汽量为10kg/s,其中一部分进入加热器,将锅炉给水预热到抽汽压力P’下的饱和温度,其余提供给热用户,然后冷凝成饱和水返回锅炉循环使用。已知该装置的供热量是50103kJ/h.试求此蒸汽动力循环装置的热效率与能量利用系数。22TS1234567P’1冷凝器汽轮机热用户锅炉水泵水泵加热器234567P’αα-αhαh23解：246.2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由热力学第一定律：SWQZgcH221Q=0（来不及传热），Ws=0（不做功）若忽略掉动能、位能的影响∴ΔH=0对于H=f（T，P）∵P发生变化∴T也随之发生变化25（1）定义式流体节流时，由于压力变化而引起的温度变化，称为微分节流效应2.微分节流效应（焦汤效应）（6-12）数学式：HJPT节流过程：dPPHdTTHdHTP0dHPTHTHPHPT∵H=f（T，P）26pPCTH（6-13）PTTVTVPH][1PPJTVTVC故27HJPTPRTVP0pJCPRTPRT(2)节流膨胀致冷的可能性①对理想气体=0∵PV=RTV=RT/P这说明了理想气体在节流过程中温度不发生变化28HJPT0PTVTV0PTVTV0PTVTV②真实气体有三种可能的情况，由定义式知当μJ0时，表示节流后压力下降，温度也下降致冷当μJ=0时，表示节流后压力下降，温度不变化当μJ0时，表示节流后压力下降，温度上升，致热不产生温度效应29（3）小结①节流膨胀过程的主要特征是等焓过程；②理想气体节流时温度不变，不能用于致冷、致热；③真实气体节流效应取决于气体的状态，在不同的状态下节流，具有不同的微分节流效应值。303转化点，转化曲线转化点：当时，（T，P）所对应的点。0HJPT图示：致冷区PT等H线μJ0μJ0μJ=0T↗致热区T↘转化曲线:将各转化点联结起来所组成的曲线.在转化曲线左侧，等焓线上，随P↘，T↘，μJ0，致冷区在转化曲线右侧，等焓线上，随P↘，T↗，μJ0，致热区转化线上,μJ=0314积分节流效应（6-14）dpVTVTCpTpppH211积分节流效应的求法:三种（1）公式法若p变化不太大，μJ为常数)(12ppTJH若p变化大，μJ不为常数，用式（6-14）计算，但很麻烦，一般不用。3212TTTH2112273)(29.0TppTH(2)T-S图法P1P2T1T2ST(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：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。等H线33二.对外作功的绝热膨胀SspT1.可逆绝热膨胀特点：等熵过程(1)微分等熵膨胀温度效应系数定义式：（6-15）(2)等熵膨胀致冷的可能性对于定组成单相体系，自由度为2，S=f（T，P）对于等熵过程：0dPpSdTTSdSTp34∴μS恒大于0pTSTpSpTSpTTVpSTCTSpppSSCTVTpT0T0pC0pTV（Maxwell第一关系式）（6-16）说明了任何气体在任何状态下经绝热膨胀，都可致冷。这与节流膨胀不同。35这就说明了在相同条件下等熵膨胀系数大于节流膨胀系数,因此由等熵膨胀可获得比节流膨胀更好的致冷效果.pJSCVJS将（6-16）式与（6-13）式比较，得∵任何气体均有V0Cp0∴恒大于零.36①利用积分等熵温度效应dpTTTppss2112dpCTVTdpTppppppss2121(3)积分等熵温度效应等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化，称之。计算积分等熵温度效应的方法有4种：②理想气体的积分等熵温度效应ΔTS37在有T-S图时，最方便的方法是由T-S图读取ΔTSkkppTT11212kkppTT11212111211112112kkkksppTTppTTTT对于理想气体绝热可逆过程③T-S图法P1P2T1T2TS38④用等焓节流效应计算pJsCVdpCVdpTpppppJs2121dpVCTTpppHs211若Cp=const392.不可逆对外做功的绝热膨胀对活塞式膨胀机当t30℃ηs=0.65当t30℃ηs=0.7～0.75对透平机ηs=0.8～0.85不可逆对外做功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀效应和节流膨胀效应之间。ST122’理想功实际功SRSWWsWsQH2121H-H'H-Hs∵绝热Q=040三.等熵膨胀与节流膨胀的比较122’0TSP1P21.等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。HTTs12TTTs'-TTT12H制冷量：QOSQOH2.413.设备与操作节流膨胀：针形阀，简单，可用于气液两相区操作等熵膨胀：膨胀机，复杂，需要低温润滑油，不能用于产生液滴的场合。4.操作条件与运行情况一般大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。426.3制冷循环当冷冻温度大于-100℃，称普通冷冻。小于-100℃称深度冷冻。一.制冷循环为逆向卡诺循环正向卡诺循环：工质吸热温度大于工质放热温度。逆向卡诺循环