工程热力学第十章蒸汽动力装置循环教案
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第十章 蒸汽动力循环
蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质 ：水蒸汽。 用途 ：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点：
1、蒸汽动力装置的基本循环
朗肯循环匀速
回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析
y T 的计算公式
y T 的影响因素分析
y T 的提高途径 10-1 水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环
（蒸汽动力循环）至今不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。
二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能按卡诺循环进行。
1-2 绝热膨胀（汽轮机）
2-C 定温放热（冷凝汽） 可以实现
5-1 定温加热（锅炉）
C-5 绝热压缩（压缩机） 难以实现 原因：2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且3点的湿蒸汽比容比水大的多'23νν>'
232000νν≈需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大减少，同时对压缩机不利。
p v
2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。
3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机
为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上
限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使T1高于临界温度，改进的结果就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。
10-2 朗肯循环
过程：
从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵P送进省煤器D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱和蒸汽进入S继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热过程—朗诺循环。
1-2 绝热膨胀过程，对外作功
2-3 定温（定压）冷凝过程（放热过程）
3-4 绝热压缩过程，消耗外界功
4-1 定压吸热过程，（三个状态）
4-1过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。
1-2过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。
2-3过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。
3-4过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。朗肯循环与卡诺循环
1）乏汽凝结是完全的，不是只与C 点而一直进行到（3）点，全部液
化。
2）汽轮机采用过热整齐（不是饱和蒸汽）。 3）过热区、过冷区加热是高压。
缺点在过冷区，高压加热，减少平均温差对热效率是不利的，但对简
化设备有很
大的好处。
1、压缩比容为Q 2′的水较压缩比容v c 的水汽混合物容易得多，简化设备用泵代替 压缩机。
2、采用过热蒸汽对增加了平均吸热温度膨胀终了时乏气的干度增加，
这些都是有利
的。
二、朗肯循环热效率
用T-S 图分析，设工质是1kg 。
则1kg 工质定压过程总的吸热量q 1=h 1-h 4 则1kg 工质定压过程总的吸热量q 2=h 2-h 3 故循环有效吸热量
q 0=q 1-q 2=（h 1-h 4）-（h 2-h 3）
1kg 工质在T 中绝热过程所作的功 12T w h h =-
1kg 工质在P 中绝热过程消耗的功 43P w h h =- 故循环净功
01234()()w h h h h =--- 则 00w q =
01211
t w q q
q q η-∴==
14
2314
124314
()()()()h h h h h h h h h h h h ---=----=
-
由于过冷水在泵中绝热压缩过程，水具有不可压缩性故水温变化很 小。 0u ?=
即 43v v = 0w = 0q =
故 4343212()wp h h p p v h h '=-=-- 即 43h h = ∴ 上式可简化：
1214
t h h
h h η-=-
参数确定：1h 、2h 可表示or 图，3h 只可查表
三、改变水蒸气参数对朗肯循环热效率的影响
1.提高蒸汽初温对热效率的影响
设初压p1＝const，乏汽压力p2＝
const,
↑T1→ T1'→ (T m1' ＞T m1 )。
过程2'-3和原过程2-3放热温度相
同，即 T m2' ＝T m2 ＝T2
于是，由等效卡诺循环的热效率
公式ηt＝1－(T2/T m1)可知，蒸汽初温
由T1提高到T1'时，朗肯循环的热效率
提高。
此外，当蒸汽的初温提高时，如果蒸汽的初压不变，绝热膨胀终了状态比原状态2有较大的干度。乏汽的干度增大。说明乏汽中含有的水分减少，这有利于减少汽轮机内部的功耗散，也有利于改善汽轮机叶片的工作条件。但另一方面，为提高蒸汽的初温，则要求锅炉过热器所用材料具有较好的耐热性。
2.提高蒸汽初压对热效率的影响
设初温T1 ＝const，乏汽压力p2 ＝const。
↑p1→p1'→(T m1' ＞T m1 )。
过程2'-3和原过程2-3放热温度相同，即 T m2'
＝T m2 ＝T2
于是，根据等效卡诺循环的热效率公式ηt＝
1－(T2/T m1)可知，提高蒸汽初压p1，可使朗肯循
环的热效率提高。
当提高蒸汽的初压时，如果蒸汽的初温不变，
则绝热膨胀终了状态2'比原状态2有较小的干度。干度减小说明乏汽中含有的水分增加，这会引起汽轮机内部的耗散增加。特别是干度较低而水分过多时，由于水滴的冲击，汽轮机叶片的表面受破坏，甚至引起叶片振动，影响叶片的使用寿命。因此，一般同时提高蒸汽的初温及初压，既能提高热效率，又能保证汽轮机内部良好的工作条件。
3.降低乏汽压力对热效率的影响
设初温T1＝const，初压p1＝const
降低乏汽的压力p2→与乏汽压力相应的饱和温度也随着降低，放热过程2'-3'要比原过程2-3有较低的放热温度，即T2‘＜T2。虽然这时加热过程的起点T0也降低为T0'，
但它对整个加热过程的平均加热温度影响很小。
因而，由等效卡诺循环的热效率公式可知，
降低乏汽的压力p2，可以提高朗肯循环的热效
率。
乏汽的凝结温度主要取决于自然环境中冷却
介质的温度。当乏汽的凝结温度降低到28℃
时，乏汽的压力相应地降低为0.0039MPa左右。
10-3 回热循环（抽汽循环）
上次课我们重点讲了朗肯循环，水加热或过热蒸汽不是在定温下进行的。所以朗肯循环热效率小于同温限间卡诺循环的热效率。另外我们从它的状态分析可知。
当20.04p bar =时29t →=℃ 198p bar =时310t →=℃
将水从29℃加热到310℃，在朗肯循环中是直接由锅炉的燃料燃烧 释放的热量供给，产生1kg 蒸汽所需的热量1q 中大约有50%的热量被凝气器中的水带走，因而热效率不变，所以为提高t η，蒸汽功力装置都采用给水回热气的回热循环。 一、 回热循环
为分析方便，以一次抽气为例。如图
叙述，每千克状态"1"的新蒸汽进入汽轮机中绝热膨胀到状态101010(,)p t 时，即从汽轮机中抽出αkg ，被引进回热器。R 中使之在定压下凝结放热。成为1α千克的饱积水，剩下的（11α-）千克的蒸汽继续绝热膨胀到状态"2"然后进入冷凝气凝结成2'饱和水。经给水泵进入回热气，在其中接受α千
克蒸汽凝结时放出的热量，将温度提高到10'并与α千克蒸汽凝结成水R 或1kg 10'的饱和水。 然后由泵进入锅炉，接受外热源加热，在高压下成为1kg 的"1"状态新器。这种不是全部工作蒸汽在热机中膨胀放热而是取出其中一部分用以回热给水→抽气回热 2、循环热效率 tR η 根据 0
1
tR w q η= a:0w 的确定 回热循环中1kg 蒸汽在汽轮机中所作的功可分两部分，一部分是α千克工质从p 1-p 01所作的功，一部分为()1α-kg 蒸汽从p 1-p 2所作的
功，则 01101112()(1)()w h h h h αα=-+-- 101012()(1)()h h h h α=-+--
b: 1q 的确定
1101q h h '=-
工程热力学13---动- 力-循-环
动 力 循 环 一、动力循环的分析方法 1．热力学第一定律分析方法（以热效率t η为指标）： 热力学第一定律效率= 投入系统的能量 有效利用的能量 动力循环 Q W t = η 121212111T T S T S T Q Q Q W t -=??-=-==η （S TdS T ?≡?? ） 理想 1 2 1T T C -=η 循环完善性 充满系数= ABCDA abcda 面积面积对应卡诺循环功量实际循环功量= 2．热力学第二定律分析方法（以火用效率ex η为指标）： 热力学第二定律效率= 投入系统的可用能 有效利用的可用能 T
动力循环 sup ,x t ex E W = η 或 sup ,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=η sup ,x E 核算起点不同，可有两种结果： ① 以投入的燃料的化学能为起点 Q E E F x x ==,sup , ② 以释放热量的可用能为起点 ??? ? ?-==T T Q E E Q x x 0,sup ,1 两种分析法，一个考虑能量的“数量”，一个考虑能量的“质量”。各有侧重，相辅相成，不可偏废。两者的结合才能全面反映能量的经济性。 如书上本章*10-6 对蒸气动力循环的火用分析， 用热一律分析： 乏汽排热能量损耗最大，冷凝器散热损失约占总热量的 54.26%， 但因放热温度低，火用损失并不大，约占总火用的2.22%； 用热二律分析：锅炉的燃烧与传热火用损失最大，约占总火用的58.91% /35.84%；但其热损失仅为10%。 13 蒸汽动力循环 13.1 朗肯循环 根据热力学第二定律，在一定温度范围内卡诺循环的效率最高。 如果采用
15． 制冷循环 15.1制冷与逆卡诺循环 将物体冷却到低于周围环境的温度，并且维持这一低温，称为制冷。为实现这一目的，需要将热量从低温物体（如冷藏室）移向高温物体（如环境）。由热力学第二定律可知，这一过程不能自发实现，必须消耗外部可用能，通常是消耗机械能或高温热源所提供的热能。因此制冷循环是一种逆向循环。如果循环的目的是从低 温物体取走热量，以维持物体的低温状态，称之为制冷循环。 前已述及，在两个恒温热源间的动力循环中，卡诺循环的热效率最高。按照 图15-1，由两个定温过程和两个定熵过程按照与卡诺循环相反方向（逆时针）运行的循环称为逆卡诺循环。可以证明在两个恒温热源间，逆卡诺循环的制 冷系数最大，为 L H L T T T -= max ε （15-1） 式中，H T 和L T 分别是高温热源与低温热源的温度。 L H L L Q Q Q W Q -== ε ← L L H H T Q T Q ≤ 从式中可以看出，和卡诺循环一样，逆卡诺循环的制冷系数也只与高温热源与低 温热源的温度有关。 15.2 空气压缩式制冷循环 利用空气作为制冷工质构成空气压缩制冷循环——逆布雷顿循环。和下节将要讲到的蒸汽制冷循环不同的是：在空气制冷循环中，工质不会发生相变，而是依靠显热在定压情况下吸收和放出热量，因此制冷量较小，偏离逆卡诺循环较远，经济性较低。
鉴于空气定温吸热、放热不易实现，改用两个定压过程代替，因而压缩空气制冷循环实为逆向的布雷顿循环。 分析：低温热源（冷库）吸热 412h h q -= 高温热源（环境）放热 321 h h q -= 耗功 ()()413221h h h h q q w ---=-= 制冷系数 ()()()()1 14 1324132414132412---=----=----== T T T T T T T T T T h h h h h h w q ε 过程1-2、 3-4 定熵， 43112 12T T p p T T =??? ? ??=-κ κ → κκπ1 1 24132-==--T T T T T T 故 1 1 1-= -κ κπ ε （15-2） 可见 ↑→ ↓ επ 减小增压比，可使 制冷系数提高， 但这会使 膨胀温降减小，制冷量下降。 压缩空气制冷循环的 优点：工质易得，安全。 缺点：制冷量不大。（空气热容小，增加↑π → ↓ε） 故一般在普冷（50->℃）很少用(除了用于飞机空调，直排)，在深冷（100-<℃）可用于导弹内红外探测器的冷却，不计成本效率）。 为增大制冷量须增大流量，活塞式的压气机、膨胀机让位于 叶轮式的压气
- 113 - 第十章 蒸汽动力循环及汽轮机基础知识 10.1 蒸汽动力循环 核电站二回路系统的功能是将一回路系统产生的热能（高温、高压饱和蒸汽）通过汽轮机安全、经济地转换为汽轮机转子的动能（机械能），并带动发电机将动能转换为电能，最终经电网输送给用户。 热能转换为机械能是通过蒸汽动力循环完成的。蒸汽动力循环是指以蒸汽作为工质的动力循环，它由若干个热力过程组成。而热力过程是指热力系统状态连续发生变化的过程。工质则是指实现热能和机械能相互转换的媒介物质，其在某一瞬间所表现出来的宏观物理状态称为该工质的热力状态。工质从一个热力状态开始，经历若干个热力过程（吸热过程、膨胀过程、放热过程、压缩过程）后又恢复到其初始状态就构成了一个动力循环，如此周而复始实现连续的能量转换。核电厂二回路基本的工作原理如图10.1所示。 节约能源、实现持续发展是当今世界的主流。如何提高能源的转换率也是当今工程热力学所研究的重要课题。电厂蒸汽动力循环也发展出如卡诺循环、朗肯循环、再热循环、回热循环等几种循环形式。 10.1.1 蒸汽动力循环形式简介 1.卡诺循环 卡诺循环是由二个等温过程和二个绝热过程组成的可逆循环，表示在温熵（T －S ）图中，如图10.2所示。图中， A-B 代表工质绝热压缩过程，过程中工质的温度由T 2升到T 1，以便于从热源实现等温传热； B-C 代表工质等温吸热过程，工质在温度 凝 结 水 水 蒸 汽 蒸汽推动汽轮机做功，将蒸汽热能转换成汽轮机动能；继而汽轮机带动发电机发电 。 凝结水从蒸汽发生器内吸收一回路冷却剂的热量变成蒸汽 热力循环 图10.1核电厂二回路基本的工作原理 T 1 S T 2
第十章 蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质 ：水蒸汽。 用途 ：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 朗肯循环 匀速 回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1 水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环（蒸汽动力循环）至今不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能按卡诺循环进行。 1-2 绝热膨胀（汽轮机） 2-C 定温放热（冷凝汽） 可以实现 5-1 定温加热（锅炉） C-5 绝热压缩（压缩机） 难以实现 原因：2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且3点的湿蒸汽比容比 水大的多'23νν>' 2 32000νν≈需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大 p v
减少，同时对压缩机不利。 2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使T1高于临界温度，改进的结果就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2 朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T 中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵P送进省煤器D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱和蒸汽进入S继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热过程—朗诺循环。 1-2 绝热膨胀过程，对外作功 2-3 定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4 绝热压缩过程，消耗外界功 4-1 定压吸热过程，（三个状态） 4-1过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。
7 动力循环（Power Cycles） 热能向机械能转换需要通过工质地循环,理想地循环是卡诺循环,但卡诺循环并不实用,其中地等温过程就难以实现.利用相变过程固然可以实现等温过程,但在吸热温度、压力方面却不遂人愿,所以实际循环与卡诺循环地差异比较大.但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有,实际循环与卡诺循环一样,也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成,其中吸热常常伴随燃料燃烧放热. 为了提高动力循环地能量转换地经济性,必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析,以寻求提高经济性地方向及途径. 实际动力循环都是不可逆地,为提高循环地热经济性而采取地各种措施又使循环变得非常复杂.为使分析简化,突出热功转换地主要过程,一般采用下述手段：首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环,分析该理论循环,找出影响其循环热效率地主要因素和提高热效率地可逆措施；然后分析实际循环与理论循环地偏离之处和偏离程度,找出实际损失地部位、大小、原因及改进办法.本课程主要关心循环中地能量转换关系,减少实际损失是具体设备课程地任务,因此我们主要论及前者. 7.1 内燃动力循环 内燃机地燃料燃烧（吸热）、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行地,结构紧凑.由于燃烧是在作功设备
内进行地,所以称为内燃机. 汽车最常用地动力机是内燃机,但是随着技术地进步、环境保护标准地提高与石油天然气资源紧缺,使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池地电动汽车已经呼之欲出.目前提到汽车发动机仍然主要是指内燃机. 内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、热效率高和操作方便等特点,广泛用于交通运输、工程机械、农业机械和小型发电设备等领域.它是仿照蒸汽机地结构发明地,最初使用煤气作为燃料.随着石油工业地发展,内燃机获得了更合适地燃料——汽油和柴油.德国人奥托（Nicolaus A. Otto）首先于1877年制成了实用地点燃式四 1—气缸盖和气缸体；2—活塞；3—连杆；4—水泵；5—飞轮；6 —曲轴；7—润滑油管；8—油底壳；9—润滑油泵；10—化油器； 11—进气管；12—进气门；13—排气门；14—火花塞 图7-1 单缸四冲程内燃机结构
第十一章蒸汽压缩制冷循环 制冷：对物体进行冷却，使其温度低于周围环境温度，并维持这个低温，称为制冷。 制冷技术广泛应用于生产、科研、生活中。 制冷循环的目的：是将低温热源的热量转移到高温热源。 根据热力学第二定律，为了达到这个目的，必须提供机械能或热能作为代价。 根据所消耗的能量形式不同，一般可将逆循环分为两大类： ①消耗机械能的压缩式制冷循环。 包括：空气压缩制冷循环和蒸汽压缩制冷循环。 ②消耗热能的制冷循环。 包括：蒸汽喷射式制冷循环和吸收式制冷循环。 本章介绍最常用的蒸汽压缩制冷循环，并分析提高其经济性的途径。 第一节制冷剂及p-h图 制冷剂是制冷装置的工质，主要是低沸点物质。蒸汽压缩制冷装置中的制冷剂主要是氟里昂和液氨。 常用的氟利昂有：氟利昂12（CF2Cl2）、氟利昂22（CHF2Cl）、氟利昂134a （C2H2F4）、氨等。物理性质见表11-1。
制冷剂在制冷循环中存在汽-液相变，为了计算制冷循环中个过程的能量变化和状态参数，需要查找制冷剂的饱和蒸汽表和过热蒸汽表。 但是，工程上更多的是应用制冷剂的压-焓图（p-h图）进行分析。 p-h图是根据制冷剂蒸汽性质表绘制的。 p-h图是以logp为纵坐标、以h为横坐标建立的半对数坐标图。 如图11-1所示。 说明：①采用logp为坐标，可以使压力从0.001~0.01Mpa，从0.01~0.1Mpa，从0.1~1Mpa所占的坐标高度相同，使低压区图线面积增大，读数更准确。 ②因为实际蒸汽压缩制冷循环常用的工作压力围都远低于临界压力，所以工程上使用的p-h图都没有绘制较高压力部分。 p-h图分析：全图共有六条线、三个区（未饱和液体区、湿蒸汽区、过热蒸汽区）和一个点临界点C）。
第十章蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质：水蒸汽。 用途：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 匀速 朗肯循环回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环（蒸汽动力循环）至今 不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能 按卡诺循环进行。 p 51 C2 v 1-2绝热膨胀（汽轮机） 2-C定温放热（冷凝汽）可以实现 5-1定温加热（锅炉） C-5绝热压缩（压缩机）难以实现 原因： 2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1 、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且 3 点的湿蒸汽比容比 水大的多 '2000'需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大3232
减少，同时对压缩机不利。 2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理 论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使 T1高于临界温度，改进的结果 就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T 中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵 P 送进省煤器 D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱 和蒸汽进入 S 继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热 过程—朗诺循环。 1-2绝热膨胀过程，对外作功 2-3定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4绝热压缩过程，消耗外界功 4-1定压吸热过程，（三个状态） 4-1 过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2 过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3 过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4 过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。
动 力 循 环 一、动力循环的分析方法 1．热力学第一定律分析方法（以热效率t η为指标）： 热力学第一定律效率= 投入系统的能量 有效利用的能量 动力循环 Q W t = η 121212111T T S T S T Q Q Q W t -=??-=-==η （S TdS T ?≡?? ） 理想 1 2 1T T C -=η 循环完善性 充满系数= ABCDA abcda 面积面积对应卡诺循环功量实际循环功量= 2．热力学第二定律分析方法（以火用效率ex η为指标）： 热力学第二定律效率= 投入系统的可用能 有效利用的可用能 动力循环 sup ,x t ex E W = η 或 sup ,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=η T
sup ,x E 核算起点不同，可有两种结果： ① 以投入的燃料的化学能为起点 Q E E F x x ==,sup , ② 以释放热量的可用能为起点 ??? ? ?-==T T Q E E Q x x 0,sup ,1 两种分析法，一个考虑能量的“数量”，一个考虑能量的“质量”。各有侧重，相辅相成，不可偏废。两者的结合才能全面反映能量的经济性。 如书上本章*10-6 对蒸气动力循环的火用分析， 用热一律分析： 乏汽排热能量损耗最大，冷凝器散热损失约占总热量的54.26%， 但因放热温度低，火用损失并不大，约占总火用的2.22%； 用热二律分析：锅炉的燃烧与传热火用损失最大，约占总火用的58.91% /35.84%； 但其热损失仅为10%。 13 蒸汽动力循环 13.1 朗肯循环 根据热力学第二定律，在一定温度范围内卡诺循环的效率最高。 如果采用气体作为工质，则很难实现卡诺循环中的等温吸热和等温放热这两个过程。 然而我们已经知道，在湿蒸汽区内，蒸汽的 吸热和放热都是等温过程，同时也是等压过程。因此如果以饱和蒸汽作为工质，可以在蒸汽的湿蒸汽区内实现卡诺循环。图 13-1给出了饱和蒸汽卡诺循环的T －s 图。等温吸热过程4-1为在锅炉中的定压吸热过程；等温放热过程2-3
工程热力学第十章蒸汽动力装置循环教案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第十章 蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质 ：水蒸汽。 用途 ：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 朗肯循环匀速 回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1 水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环 （蒸汽动力循环）至今不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能按卡诺循环进行。 1-2 绝热膨胀（汽轮机） 2-C 定温放热（冷凝汽） 可以实现 5-1 定温加热（锅炉） C-5 绝热压缩（压缩机） 难以实现 原因：2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且3点的湿蒸汽比容比水大的多'23νν>' 232000νν≈需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大减少，同时对压缩机不利。 p v
2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使T1高于临界温度，改进的结果就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2 朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵P送进省煤器D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱和蒸汽进入S继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热过程—朗诺循环。 1-2 绝热膨胀过程，对外作功 2-3 定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4 绝热压缩过程，消耗外界功 4-1 定压吸热过程，（三个状态） 4-1过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。朗肯循环与卡诺循环
14 气体动力循环 14.1 燃气轮机装置与定压加热循环 燃气轮机装置是以燃气为工质的热动力装置，最简单的燃气轮机装置示意图如图14-1所示，由压气机、燃烧室和燃气轮机三个基本部分组成。 在燃气轮机循环中，空气不断地被压气机吸入，经压缩升压后，送入燃烧室； 压缩空气在燃烧室中和供入的燃料在定压下燃烧，形成高温燃气；高温燃气与来自燃烧室夹层通道中的压缩空气混合，使混合气体的温度降到燃气轮机叶片所能承受的温度范围后，进入燃气轮机的喷管；燃气在喷管中膨胀加速，形成高速气流，冲击叶轮对外输出功量；做功后的废气排入环境。燃气轮机做出的功量除一部分带动压气机外，其余部分（循环净功）对外输出。 显然，上述燃气轮机循环是一个不可逆的开式循环，而且循环中工质的成分、 质量都有变化。为了便于分析，需要把实际循环作理想化的假设： ① 燃烧室中喷入的燃料质量忽略不计； ② 忽略阻力的影响，燃烧过程压力变化不大，可以把燃料燃烧的化学过程假 定为工质从高温热源吸收热量的定压吸热过程； ③ 燃气轮机 排出的废气压力和压气机吸入的气体压力都非常接近大
气压力，可以把废气的排放假定为 工质向冷源放热后，再返回到压气机的定压放热过程； ④ 工质在压气机和燃气轮机中向外散热很少，可以理想化为可逆绝热过 程，即定熵过程； ⑤ 工质为理想气体，比热容为定值。 通过上述假定，燃气轮机循环就被简化为定量工质完成的可逆的封闭循环。该循环由定熵压缩过程（1-2）、定压加热过程（2-3）、定熵膨胀过程（3-4） 和定压放热过程（4-1）四个可逆过程组成，称为燃气轮机装置的定压加热理想循环，又称布雷顿循环，其p-v 图和T-s 图如图14-2所示。 对组成布雷顿循环的各过程进行能量分析计算，可以得出其热效率如下： 吸热量（2-3）： ()2323T T c h h q p H -=-= 放热量（4-1）： ()1414T T c h h q p L -=-= 按照循环热效率的定义，可得： ()() 2 3142314111T T T T T T c T T c q q p p H L t --- =--- =- =η （14-1） 由于1-2以及3-4是定熵过程，并且23p p =,14p p =,可得，
第六章 水蒸气性质和蒸汽动力循环 思 考 题 1. 理想气体的热力学能只是温度的函数，而实际气体的热力学能则和温度及压力都有关。试根据水蒸气图表中的数据，举例计算过热水蒸气的热力学能以验证上述结论。 [答]： 以500℃的过热水蒸汽为例，当压力分别为1bar 、30bar 、100bar 及300bar 时，从表中可查得它们的焓值及比容，然后可根据u h pv =-计算它们的热力学能，计算结果列于表中： 由表中所列热力学能值可见：虽然温度相同，但由于是实际气体比容不同，热力学能值也不同。 2. 根据式(3-31)c h T p p =?? ????? ??? ? ????可知：在定压过程中d h =c p d T 。这对任何物质都适用，只要过程是定压的。如果将此式应用于水的定压汽化过程，则得d h = c p d T =0 （因为水定压汽化时温度不变，d T =0）。然而众所周知 , 水在汽化时焓是增加的 (d h >0)。问题到底出在哪里? [答] ：的确，d h =c p d T 可用于任何物质，只要过程是定压过程。水在汽化时，压力不变，温度也不变，但仍然吸收热量（汽化潜热）吸热而不改变温度，其比热应为无穷大，即此处的p C 亦即为T C ，而T C =∞。此时0dh =∞g ＝不定值，因此这时的焓差或热量（潜热）不同通过比热和温差的乘积来计算。 3. 物质的临界状态究竟是怎样一种状态？ [答] ：在较低压力下，饱和液体和饱和蒸汽虽具有相同的温度和压力，但它们的密度却有很大的差别，因此在重力场中有明显的界面（液面）将气液两相分开，随着压力升高，两饱和相的密度相互接近，而在逼近临界压力（相应地温度也逼近临界温度）时，两饱和相的密度差逐渐消失。流体的这种汽液两相无法区分的状态就是临界状态。由于在临界状态下，各微小局部的密度起伏较大，引起光线的散射形成所谓临界乳光。
第十章 动力循环 1．基本概念 热机：将热能转化为机械能的设备叫做热力原动机，简称热机。 动力循环：热机的工作循环称为动力循环。根据热机所用工质的不同，动力循环可分为蒸汽动力循环和燃气动力循环两大类。 朗肯循环（Rankine Cycle ）：由可逆绝热压缩过程、定压加热过程、可逆绝热膨胀过程、定压冷却过程组成的热力循环，主要工质为水。若使用有机工质，则为有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle ，简称ORC ） 抽汽回热循环：分级抽取汽轮机中的蒸汽加热低温段的水，提高平均吸热温度，从而提高水蒸气动力循环的热效率。 再热循环：为了克服汽轮机尾部蒸汽湿度过大造成的危害，将汽轮机高压段中膨胀到一定压力的蒸汽重新引到锅炉的中间加热器（称为再热器）加热升温，然后再送入汽轮机使之继续膨胀做功。 奥托循环：定容加热理想循环是汽油机实际工作循环的理想化，又称为奥托循环。理论上，由可逆绝热压缩过程、定容加热过程、可逆绝热膨胀过程、定容冷却过程组成。 狄塞尔（Diesel ）循环：定压加热理想循环是柴油机实际工作循环的理想化。理论上，由可逆绝热压缩过程、定压加热过程、可逆绝热膨胀过程、定容冷却过程组成。 燃气轮机：燃气轮机装置是一种以空气和燃气为工质、旋转式的热力发动机。燃气轮机装置主要由三部分组成，即燃气轮机、压气机和燃烧室。 布雷顿（Brayton ）循环：理论上，由可逆绝热压缩过程、定压加热过程、可逆绝热膨胀过程、定压冷却过程组成。 2．常用公式 朗肯循环的热效率: 31323112 11s.p s.t 10t ) ()(' '----= -=-== h h h h h h q q q q w w q w ＝消耗收获η 通常水泵消耗轴功与汽轮机作功量相比甚小，可忽略不计，因此33h h ='，于是可简化为 3 12 1t h h h h --= η 二级回热循环热效率:
工程热力学思考题答案,第 十一章 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
第十一章 制冷循环 1.家用冰箱的使用说明书上指出，冰箱应放置在通风处，并距墙壁适当距离，以及不要把冰箱温度设置过低，为什么 答：为了维持冰箱的低温，需要将热量不断地传输到高温热源（环境大气），如果冰箱传输到环境大气中的热量不能及时散去，会使高温热源温度升高，从而使制冷系数降低，所以为了维持较低的稳定的高温热源温度，应将冰箱放置在通风处，并距墙壁适当距离。 在一定环境温度下，冷库温度愈低，制冷系数愈小，因此为取得良好的经济效益，没有必要把冷库的温度定的超乎需要的低。 2.为什么压缩空气制冷循环不采用逆向卡诺循环 答：由于空气定温加热和定温放热不易实现，故不能按逆向卡诺循环运行。在压缩空气制冷循环中，用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程。 3.压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机，压缩空气制冷循环是否也可以采用这种方法为什么 答：压缩空气制冷循环不能采用节流阀来代替膨胀机。工质在节流阀中的过程是不可逆绝热过程，不可逆绝热节流熵增大，所以不但减少了制冷量也损失了可逆绝热膨胀可以带来的功量。而压缩蒸气制冷循环在膨胀过程中，因为工质的干度很小，所以能得到的膨胀功也极小。而增加一台膨胀机，既增加了系统的投资，又降低了系统工作的可靠性。因此，为了装置的简化及运行的可靠性等实际原因采用节流阀作绝热节流。 4.压缩空气制冷循环的制冷系数、循环压缩比、循环制冷量三者之间的关系如何 答： T （a （b ） 压缩空气制冷循环状态参数图
7 动力循环( Power Cycles) 热能向机械能转换需要经过工质的循环, 理想的循环是卡诺循环, 但卡诺循环并不实用, 其中的等温过程就难以实现。利用相变过程固然能够实现等温过程, 但在吸热温度、压力方面却不遂人愿, 因此实际循环与卡诺循环的差异比较大。但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有, 实际循环与卡诺循环一样, 也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成, 其中吸热常常伴随燃料燃烧放热。 为了提高动力循环的能量转换的经济性, 必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析, 以寻求提高经济性的方向及途径。
实际动力循环都是不可逆的, 为提高循环的热经济性而采取的各种措施又使循环变得非常复杂。为使分析简化, 突出热功转换的主要过程, 一般采用下述手段: 首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环, 分析该理论循环, 找出影响其循环热效率的主要因素和提高热效率的可逆措施; 然后分析实际循环与理论循环的偏离之处和偏离程度, 找出实际损失的部位、大小、原因及改进办法。本课程主要关心循环中的能量转换关系, 减少实际损失是具体设备课程的任务, 因此我们主要论及前者。 7.1 内燃动力循环 内燃机的燃料燃烧( 吸热) 、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行的, 结构紧凑。由于燃烧是在作功设备内进
行的, 因此称为内燃机。 汽车最常见的动力机是内燃机, 可是随着技术的进步、环境保护标准的提高与石油天然气资源紧缺, 使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池的电动汽车已经呼之欲出。当前提到汽车发动机依然主要是指内燃机。 内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、 1—气缸盖和气缸体; 2—活塞; 3—连杆; 4 —水泵; 5—飞轮; 6—曲轴; 7—润滑油管; 8—油底壳; 9—润滑油泵; 10—化油器; 11