6 蒸汽动力循环和制冷循环
6.1 蒸汽动力循环
6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀
6.3 制冷循环
6.1 蒸汽动力循环
汽轮机
水泵
冷凝器
锅炉
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 。
kg/kJHHHW s 12 ??? ?
sWQH ???
汽轮机
水泵
冷凝器
锅炉
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, 放出的热量 。
kg/kJHHHQ 232 ??? ?
sWQH ???
汽轮机
水泵
冷凝器
锅炉
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
? ? kgkJPPVV d PW PPP /344
3
??? ?
sWQH ???
kg/kJHHHW P 34 ??? ?
汽轮机
水泵
冷凝器
锅炉
Energy Analysis 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
kg/kJHHHQ 411 ??? ?
sWQH ???
汽轮机
水泵
冷凝器
锅炉
理想 Rankine循环的热效率
? ? ? ? ? ?
41
4321
1 HH
HHHH
Q
WW Ps
?
????????
蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机
的做功量
41
21
1 HH
HH
Q
W s
?
?????
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 。
? ?hkW/kgWkJ/kgWS S C ????? 3 6 0 01
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。
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
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 。
? ?
? ? 21
21
HH
HH
W
W
s
s
s ?
??
?
?? ?
可
不?
实际 Rankine 循环的热效率
? ? ? ?
41
21
41
4321
HH
HH
HH
HHHH
?
???
?
??????
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 。
（ 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
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
H2=126.1kJ/kg
2.5MPa
H S
5MPa
H S
4MPa
H S
20 ℃ 86.30 0.2961 88.65 0.2956
40 ℃ 169.77 0.5715 171.97 0.5705
87.71 0.2958
171.09 0.5709
7187091 7 1
7187
2 9 5 805 7 0 90
2 9 5 804 2 2 60 4
..
.H
..
..
?
??
?
?
（ 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
? ? ? ?
kW
..HHmmWP sT
20452
1330702080
3600
1060 3
12
??
?
?
????
水泵消耗的理论功率
? ? ? ?
kW
..HHmmWN PP
67
51215125
3 6 0 0
1060 3
34
?
?
?
????
热效率
? ? ? ? 38440
109190
672045236003600
6
1
.
.Q
NP PT ?
?
???????
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 。
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)
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
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
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
H S
4MPa
H S
40 ℃ 171.97 0.5705 174.18 0.5696
80 ℃ 338.85 1.0720 340.84 1.0704
173.74 0.5698
340.44 1.0707
741 7 3443 4 0
741 7 3
5 6 9 800 7 0 71
5 6 9 805 9 2 60 4
..
.H
..
..
?
??
?
? H4=181.33kJ/kg
水泵所消耗的功
WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg
热效率
? ? 2 8 0 70
331 8 153 0 4 5
45748 1 1
1
.
..
..
Q
W ?
?
???????
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 。
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 。
6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀
6.2.1节流膨胀
ΔH = 0
流体进行节流膨胀是, 由于压力变化而引起的
温度变化称为节流效应或 Joule-thomson效应
H
J P
T
??
?
??
?
?
???
μJ﹥ 0 节流后温度降低
μJ = 0 节流后温度不变
μJ ﹤ 0 节流后温度升高
理想气体 μJ = 0
实际气体 μJ 值可为正值, 负值或零
H
J P
T
??
?
??
?
?
???
6.2.2 作外功的绝热膨胀
等熵膨胀效应系数
μs 必为正值 。 气体进行等熵膨胀时, 对外做
功, 膨胀后气体温度总是下降 。
s
s P
T
??
?
??
?
?
???
6.3 制冷循环
高温 环境
低温 环境
6.3.1 蒸汽压缩制冷循环
1 逆向 Carnot循环
蒸发器
冷凝器
膨胀机
q0
q2
压缩机
1
23
4
T1
T2
T
S
1
23
4
循环的吸热量
q0=TL(S1-S4)
循环的放热量
q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4)
⊿ H＝ q＋ WS
制冷剂完成一个循环 ⊿ H＝ 0,净功为
制冷系数
? ? ? ? ? ?0 2 1 4N i H LW q q q T T S S? ? ? ? ? ? ? ??
TL
TH
T
S
1
23
4
0
14
L
qSS
T
??
0
N
q
W? ?
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 。
? ?
? ? ? ?
140
14
L L
c
N H L H L
T S Sq T
W T T S S T T
?
?
? ? ?
? ? ?
02NW q q? ? ? 200NW q q? ? ?
某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在２ 5０ K吸收热量 QL,
在３００ 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
250 5
3 0 0 2 5 0? ???可 逆
2000 5
400
L
N
Q
W? ? ? ?
（ 1）
??? 可 逆 该制冷过程是可逆的
（ 2） QL=1000kJ QH=－ 1500kJ
（ 3） WN=100kJ QH=－ 700kJ
250 5
3 0 0 2 5 0? ???可 逆
??? 可 逆 该制冷过程是不可逆的
1000 2
1 5 0 0 1 0 0 0
LL
N H L
QQ
W Q Q? ? ? ? ?? ? ?
7 0 0 1 0 0 6
100
HsL
NN
QWQ
WW?
?? ?? ? ? ?
??? 可 逆 该制冷过程是不可能的
? ?N L HW Q Q? ? ?
2 单级蒸汽压缩制冷
蒸发盘管
冷冻室
冷凝盘管
压缩机
毛细管
高温 环境
低温 冷室
蒸发器
冷凝器
高温 环境
低温 冷室
蒸发器
冷凝器
1-2 可逆绝热压缩过程
Ws=H2 － H1 kJ/kg
2-4 等压冷却、冷凝过程
q2=H4-H2kJ/kg
4-5 节流膨胀过程
H5=H4
4-1 等压、等温蒸发过程
q0=H1 － H5 kJ/kg
制冷系数
0 14
21s
q HH
W H H
? ???
?
T0
T
T
S
1
2
34
5
sH q W? ? ?
焓值：查图、表或计算
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
0
0
/QG k g h
q
?
3600
s
T
GWP k W?
? ?1
3 6 0 0 3 6 0 0
s
Ts
GWk J k g hP W G k W
k g h s
?? ? ? ? ???
?? ? ? ? ?? ? ? ?
??
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 。
1点 -25℃ 饱和蒸汽
查表得 H1＝ 231.9kJ/kg
S1 ＝ 0.9367kJ/(kg·K)T0
T
T
S
1
2
34
5
2点 P2 ＝ 1MPa,S2 ＝ S1 ＝ 0.9367kJ/(kg·K)
查表得 H2 ＝ 278.7 kJ/kg
T0
T
T
S
1
2
34
5
4 点 1MPa饱和液体
查表得 H4 ＝ 104.2 kJ/kg
T0
T
T
S
1
2
34
5
H1＝ 231.9kJ/kg H2 ＝ 278.7 kJ/kg
H4 ＝ 104.2 kJ/kg H5 ＝ H4
T0
T
T
S
1
2
34
5
0 1 5 1 4
2 3 1, 9 1 0 4, 2 1 2 7, 7 /
q H H H H
k J k g
? ? ? ?
? ? ?
5
0
0
1, 6 7 1 0 1 3 0 8 /
1 2 7, 7
QG k g h
q
?? ? ?
21 2 7 8, 7 2 3 1, 9 4 6, 8 /sW H H k J k g? ? ? ? ?
0 1 2 7, 7 2, 7 3
4 6, 8s
q
W
? ? ? ?
T0
T
T
S
1
2
34
5
2′
5′
4′
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 refrigerants:
NH3
CH3Cl
CO2
C3H8
2 Chloro Fluoro Carbons CFC’s
CFCl3 (R-11)
CF2Cl2 (R-12)
大气：
O2 2 O?
O? + O2 O3 ozone
CFC’s:
CFCl3 + UV light ? CCl2F? + Cl?
Cl? + O3 ? O2 + ClO?
ClO? + O?? Cl? + O2
3 Hydro Chloro Fluoro Carbons HCFC’s,
CHCl2F (R-22)
CHCl2CF3 (R-123)
4 (Hydro) Fluoro Carbons HFC’s
CF4 (R-14)
CHF3 (R-23)
CF3F3 (R-116)
CHF2CHF2 (R-134a)
6.1 蒸汽动力循环
6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀
6.3 制冷循环
6.1 蒸汽动力循环
汽轮机
水泵
冷凝器
锅炉
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 。
kg/kJHHHW s 12 ??? ?
sWQH ???
汽轮机
水泵
冷凝器
锅炉
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, 放出的热量 。
kg/kJHHHQ 232 ??? ?
sWQH ???
汽轮机
水泵
冷凝器
锅炉
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
? ? kgkJPPVV d PW PPP /344
3
??? ?
sWQH ???
kg/kJHHHW P 34 ??? ?
汽轮机
水泵
冷凝器
锅炉
Energy Analysis 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
kg/kJHHHQ 411 ??? ?
sWQH ???
汽轮机
水泵
冷凝器
锅炉
理想 Rankine循环的热效率
? ? ? ? ? ?
41
4321
1 HH
HHHH
Q
WW Ps
?
????????
蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机
的做功量
41
21
1 HH
HH
Q
W s
?
?????
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 。
? ?hkW/kgWkJ/kgWS S C ????? 3 6 0 01
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。
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
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 。
? ?
? ? 21
21
HH
HH
W
W
s
s
s ?
??
?
?? ?
可
不?
实际 Rankine 循环的热效率
? ? ? ?
41
21
41
4321
HH
HH
HH
HHHH
?
???
?
??????
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 。
（ 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
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
H2=126.1kJ/kg
2.5MPa
H S
5MPa
H S
4MPa
H S
20 ℃ 86.30 0.2961 88.65 0.2956
40 ℃ 169.77 0.5715 171.97 0.5705
87.71 0.2958
171.09 0.5709
7187091 7 1
7187
2 9 5 805 7 0 90
2 9 5 804 2 2 60 4
..
.H
..
..
?
??
?
?
（ 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
? ? ? ?
kW
..HHmmWP sT
20452
1330702080
3600
1060 3
12
??
?
?
????
水泵消耗的理论功率
? ? ? ?
kW
..HHmmWN PP
67
51215125
3 6 0 0
1060 3
34
?
?
?
????
热效率
? ? ? ? 38440
109190
672045236003600
6
1
.
.Q
NP PT ?
?
???????
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 。
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)
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
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
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
H S
4MPa
H S
40 ℃ 171.97 0.5705 174.18 0.5696
80 ℃ 338.85 1.0720 340.84 1.0704
173.74 0.5698
340.44 1.0707
741 7 3443 4 0
741 7 3
5 6 9 800 7 0 71
5 6 9 805 9 2 60 4
..
.H
..
..
?
??
?
? H4=181.33kJ/kg
水泵所消耗的功
WP=H4-H3=181.33-173.88=7.45kJ/kg
热效率
? ? 2 8 0 70
331 8 153 0 4 5
45748 1 1
1
.
..
..
Q
W ?
?
???????
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 。
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 。
6.2 节流膨胀与作外功的绝热膨胀
6.2.1节流膨胀
ΔH = 0
流体进行节流膨胀是, 由于压力变化而引起的
温度变化称为节流效应或 Joule-thomson效应
H
J P
T
??
?
??
?
?
???
μJ﹥ 0 节流后温度降低
μJ = 0 节流后温度不变
μJ ﹤ 0 节流后温度升高
理想气体 μJ = 0
实际气体 μJ 值可为正值, 负值或零
H
J P
T
??
?
??
?
?
???
6.2.2 作外功的绝热膨胀
等熵膨胀效应系数
μs 必为正值 。 气体进行等熵膨胀时, 对外做
功, 膨胀后气体温度总是下降 。
s
s P
T
??
?
??
?
?
???
6.3 制冷循环
高温 环境
低温 环境
6.3.1 蒸汽压缩制冷循环
1 逆向 Carnot循环
蒸发器
冷凝器
膨胀机
q0
q2
压缩机
1
23
4
T1
T2
T
S
1
23
4
循环的吸热量
q0=TL(S1-S4)
循环的放热量
q2= TH(S3-S2) = -TH(S1-S4)
⊿ H＝ q＋ WS
制冷剂完成一个循环 ⊿ H＝ 0,净功为
制冷系数
? ? ? ? ? ?0 2 1 4N i H LW q q q T T S S? ? ? ? ? ? ? ??
TL
TH
T
S
1
23
4
0
14
L
qSS
T
??
0
N
q
W? ?
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 。
? ?
? ? ? ?
140
14
L L
c
N H L H L
T S Sq T
W T T S S T T
?
?
? ? ?
? ? ?
02NW q q? ? ? 200NW q q? ? ?
某蒸汽压缩制冷过程,制冷剂在２ 5０ K吸收热量 QL,
在３００ 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
250 5
3 0 0 2 5 0? ???可 逆
2000 5
400
L
N
Q
W? ? ? ?
（ 1）
??? 可 逆 该制冷过程是可逆的
（ 2） QL=1000kJ QH=－ 1500kJ
（ 3） WN=100kJ QH=－ 700kJ
250 5
3 0 0 2 5 0? ???可 逆
??? 可 逆 该制冷过程是不可逆的
1000 2
1 5 0 0 1 0 0 0
LL
N H L
W Q Q? ? ? ? ?? ? ?
7 0 0 1 0 0 6
100
HsL
NN
QWQ
WW?
?? ?? ? ? ?
??? 可 逆 该制冷过程是不可能的
? ?N L HW Q Q? ? ?
2 单级蒸汽压缩制冷
蒸发盘管
冷冻室
冷凝盘管
压缩机
毛细管
高温 环境
低温 冷室
蒸发器
冷凝器
高温 环境
低温 冷室
蒸发器
冷凝器
1-2 可逆绝热压缩过程
Ws=H2 － H1 kJ/kg
2-4 等压冷却、冷凝过程
q2=H4-H2kJ/kg
4-5 节流膨胀过程
H5=H4
4-1 等压、等温蒸发过程
q0=H1 － H5 kJ/kg
制冷系数
0 14
21s
q HH
W H H
? ???
?
T0
T
T
S
1
2
34
5
sH q W? ? ?
焓值：查图、表或计算
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
0
0
/QG k g h
q
?
3600
s
T
GWP k W?
? ?1
3 6 0 0 3 6 0 0
s
Ts
GWk J k g hP W G k W
k g h s
?? ? ? ? ???
?? ? ? ? ?? ? ? ?
??
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 。
1点 -25℃ 饱和蒸汽
查表得 H1＝ 231.9kJ/kg
S1 ＝ 0.9367kJ/(kg·K)T0
T
T
S
1
2
34
5
2点 P2 ＝ 1MPa,S2 ＝ S1 ＝ 0.9367kJ/(kg·K)
查表得 H2 ＝ 278.7 kJ/kg
T0
T
T
S
1
2
34
5
4 点 1MPa饱和液体
查表得 H4 ＝ 104.2 kJ/kg
T0
T
T
S
1
2
34
5
H1＝ 231.9kJ/kg H2 ＝ 278.7 kJ/kg
H4 ＝ 104.2 kJ/kg H5 ＝ H4
T0
T
T
S
1
2
34
5
0 1 5 1 4
2 3 1, 9 1 0 4, 2 1 2 7, 7 /
q H H H H
k J k g
? ? ? ?
? ? ?
5
0
0
1, 6 7 1 0 1 3 0 8 /
1 2 7, 7
QG k g h
q
?? ? ?
21 2 7 8, 7 2 3 1, 9 4 6, 8 /sW H H k J k g? ? ? ? ?
0 1 2 7, 7 2, 7 3
4 6, 8s
q
W
? ? ? ?
T0
T
T
S
1
2
34
5
2′
5′
4′
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 refrigerants:
NH3
CH3Cl
CO2
C3H8
2 Chloro Fluoro Carbons CFC’s
CFCl3 (R-11)
CF2Cl2 (R-12)
大气：
O2 2 O?
O? + O2 O3 ozone
CFC’s:
CFCl3 + UV light ? CCl2F? + Cl?
Cl? + O3 ? O2 + ClO?
ClO? + O?? Cl? + O2
3 Hydro Chloro Fluoro Carbons HCFC’s,
CHCl2F (R-22)
CHCl2CF3 (R-123)
4 (Hydro) Fluoro Carbons HFC’s
CF4 (R-14)
CHF3 (R-23)
CF3F3 (R-116)
CHF2CHF2 (R-134a)
