第九章蒸汽动力装置循环分解

went卡诺< wnet 朗肯 对比9-10-11-12
11点x太小,不利于汽 机强度； 12-9两相区难压缩；
s wnet卡诺小
§10-1 Basic Power Cycle using Water Vapor-
Rankine Cycle 基本蒸汽动力循环---朗肯循环
1.水蒸气动力循环系统
汽轮机作功： ws,12 h1 h2
凝汽器中的定压放热量：
h
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功：
ws,34 h4 h3
锅炉中的定压吸热量：
4
q1 h1 h4
3
1 2
s
朗肯循环热效率的计算
t

wnet q1

ws,12 ws,34 q1
h
一般很小，占 0.8~1%，忽略 泵功
表面式回热器 抽汽
给O水pen Feed冷wa凝te水r heater 混合式回热器
(1) 蒸汽抽汽回热循环
T
1
1kg 6 kg
a
4 5 (1- )kg
3
2
由 于 T-s 图 上 各 点 质 量 不同，面积不再直接 代表热和功
1 1kg
6
s 1kg
a2
α kg
3
5
4
(1-α )kg
a kg
锅炉
4
给水泵
3
2' 热用户
用发电厂作了功的蒸 汽的余热来满足热用 户的需要，这种作法 称为热电联(产)供。
热用户为什么要用换 热器而不直接用热力 循环的水？ 背压式缺点： 热电互相影响 供热参数单一
抽汽调节式热电联产(供)循环
过热器 汽轮机 发电机

P 4 s P 5 6 1 6 s 5 3 P 2 4 s 3 2 P P s h 1
h-s 图
ν
s
23
⑶ 蒸汽动力装置为什么不采用卡诺循环
朗肯循环1234561 朗肯循环 平均吸热温度 T 1 平均放热温度 T2 朗肯循环1234561的热效率 朗肯循环 的热效率
T2 ηt =1− T 1
P1
′ T 4′
14
15
16
17
蒸汽动力循环
• 循环中工质偏离液态较近，时而处于液态，时而 处于气态，因而对蒸汽动力循环的分析必须结合 水蒸气的性质和热力过程 。 • 由于水和水蒸气均不能燃烧而只能从外界吸热， 必需配备制备蒸汽的锅炉设备，因而装置的设备 也不同。 “外燃动力装置”。 • 燃烧产物不参与循环，因此蒸汽动力装置可以使 用各种常规的固体、液体、气体燃料及核燃料， 可以利用劣质煤和工业废热，还可以利用太阳能 和地热等能源，这是这类循环的一大优点。
(P1, ts)
绝热压缩 给水泵
定压加热 水冷壁
饱和汽6 饱和汽
(P1, ts)
定压放热 凝汽器
定压加热 过热器
过热汽1 过热汽
(P1, t1)
绝热膨胀 汽轮机
22
重新循环） （重新循环）
给水4 给水
凝结水3 凝结水
(P2, h’2)
乏汽2 乏汽
(P2, h2)
⑵ 朗肯循环的P-v图和h-s图 朗肯循环的 图和 图 P-v图 图
19
P1
1 理想化的蒸汽动力装置基本循环 T t1 是朗肯循环 1(P1,t1)—— 进 入 汽 轮 机 时 的 新蒸汽（过热汽）状态； 新蒸汽（过热汽）状态； 1-2——蒸汽在汽轮机中 绝热 蒸汽在汽轮机中绝热 蒸汽在汽轮机中 4 3 2 膨胀（定熵）的作功过程； 膨胀（定熵）的作功过程； 2(P2)—— 从 汽 轮机排 出时的 s 乏汽（湿蒸汽）状态； 乏汽（湿蒸汽）状态； 2-3——乏汽在凝汽器中定压（定温）凝结放热过程； 乏汽在凝汽器中定压 放热过程 乏汽在凝汽器中定压（定温）凝结放热过程； 3——凝结水（饱和水）状态 2) ； 凝结水（ 凝结水 饱和水）状态(P 3-4——凝结水在给水泵中绝热压缩（定熵）成为锅炉 凝结水在给水泵中绝热压缩（ 凝结水在给水泵中绝热压缩 定熵） 给水； 给水； 由于水几乎不可压缩，垂直线段3-4几乎重合成为一点 由于水几乎不可压缩，垂直线段 几乎重合成为一点

பைடு நூலகம்
蒸汽动力装置循环
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根

T
wt ,act wt
h1 h2act h1 h2
h2act h2 1T h1 h2 h2 1T h0
h0 h1 h2 称为理想绝热焓降
大功率汽轮机的ηT在0.85~0.92之间
▪ 实际循环内部功wnet,act：每千克蒸汽在实际工作循环中作出的循 环净功
wnet,act wt,act wP,act wt,act h1 h2act
1 1 h1 1 1 h1
h2 h2
h1 h1
h2 h2
▪ 回热循环工质平均吸热温度提高，平均放热温度不变，故循环热效率 提高，大于单纯朗肯循环热效率
第34页/共44页
▪ 回热循环工质吸热量减少，锅炉热负荷减低，节省金属材料 ▪ 由于汽耗率增大，汽轮机高压端蒸汽流量增加，低压端流量减小，
wt
wp q1
h1 h2 h4 h3 h1 h4
第5页/共44页
水泵功的近似值为
wp h4 h3 u4 p4v4 u3 p3v3
p4 p3 v3 p1 p2 v2
可t 得 hh热11 效hh率32 的 pp近11 似pp22式vv22
h1 h2 p1 h1 h2 p1
p2 v2 p2 v2
略
t
去w
h1 h2 p简h化1 为h2
循环初压力p1甚高时，水泵功约占汽轮机作 第6页/共44页
➢ 蒸汽参数对热效率的影响 ▪ 初温t1对热效率的影响 在相同的初压及背压下，提高新蒸汽的温度可使热效率增大 提高初温还可使终态2的干度x2增大，有利于提高汽轮机内效率和 延长汽轮机的使用寿命 提高初温受材料耐热性能的限制，最高蒸汽温度很少超过600℃
用轴功率表示为
Ps mT P0 mT Dh1 h2

23 The steam is then condensed at constant pressure and temperature to a saturated liquid, state 3.The heat removed from the steam in the condenser is typically transferred to the cooling water.
T 5
t
h1 h1
h2 h3
1
影响热效率的
6
参数？
4
p tp
A.蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T
5' 5
4' 4
1' 1 6'
6
优点：
•T1
• v 2'
寸小
t
，汽轮机出口尺
缺点：
• 对强度要求高
•x
不利于
B.蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
优点：
p1 , p2不变，t1
T
§10-2 蒸汽回热循环与再热循环
(regenerative cycle and reheat cycle)
1.蒸汽回热循环(regenerative)
1 1kg
a2
α kg
6
3
5
4
抽汽 冷凝水
Closed Feed water heater 去凝汽器
表面式回热器 抽汽
给水
(1) 蒸汽抽汽回热循环
1' 1
5
6
4
•T1
• x 2'
全。
t
，有利于汽机安
缺点： • 对耐热及强度要求 高，目前初温一般 在550℃左右

• 优点： • 理论上工质可以完全膨胀； • 体积小，功率大； • 速度高，运转平稳，连续输出功 ； • 启动快，达满负荷快 ；
• 缺点： • 燃气轮的叶片长时间工作于高温 下要求用耐高温、高强度材料； • 压气机消耗了燃气轮机产生功 率的绝大部分，但重量功率比 (specific weight of engine)仍较大
1-2-3-4-1为定容加热理想循环； 1-2‘-3’-3-4-1为混合加热理想循环； 1-2“-3-4-1为定压加热理想循环。
•三种循环排出的热量都相同， •循环的热效率的比较
在相同的热强度和机械强度下，定压加热理想循环的 热效率最高，混合加热理想循环次之，而定容加热理 想循环最低。
9-4 燃气轮机装置循环 Gas turbine cycle
•预胀比 表示工质在燃烧过程中比容增长程度，决定于喷
油量。
机器负荷 喷油量
t,p
9.3.3混合加热理想循环（dual combustion cycle）
现代高速柴油机并非单纯的按定压加热循环工作，而是按照一 种既有定压加热又有定容加热的所谓混合加热循环工作。
定量分析 （空气为工质）
q 1cv(T 2 T 2) cp(T 3 T 2 )
具有相同压缩比和吸热量时的比较
1-2-3-4-1为定容加热理想循环； 1-2-2‘-3’-4‘-1为混合加热理想循环； 1-2-3“-4”-1为定压加热理想循环。
•各循环放热量的比较
•三种理想循环热效率比较
能否得出定容加热循环最好，定压加热循环 最差的结论？
活塞式内燃机理想循环的比较2
具有相同的最高压力和最高温度时的比较 •实际上是热强度和机械强度相同情况下的比较。
T1 T4

p
2 1
3 4
v T
2 1 3 4
s
燃机理想循环热效率
吸热量： 吸热量：
T
2 1
3 4
q1 = cp ( T3 −T2 )
放热量： 放热量：
s
q2 = cp ( T4 −T ) 1
热效率： 热效率：
q2 T4 −T 1 ηt =1− =1− q1 T3 −T2
第十章 蒸汽动力装置循环
简单蒸汽动力装置循环——朗肯循环 朗肯循环 简单蒸汽动力装置循环 汽轮机 锅 炉 4 给水泵 1 2 凝汽器
s
wnet q1 − q2 wT − wP ηt = = = q1 q1 q1 (h1 − h2 ) − (h4 − h3） = h1 − h4
T4 −T 1 ηtp =1− 热效率： 热效率： κ(T3 −T2 )
3、定容加热理想循环 、 p 3 奥托（Otto)循环 奥托（
2 4 1
汽油机 点燃式
吸热量： 吸热量：
12： 定熵压缩 ： 23： 定容加热 ： 34：定熵膨胀 ： 41： 定容放热 ：
v
q1 = cV (T3 −T2 )
放热量 放热量 ： q2 = cV (T4 −T ) 1 热效率： 热效率：
4
0
柴油自燃 t=335℃
p2'=3~5MPa t2'=600~800℃ p3=5~9MPa t4=1700~1800℃ p5=0.3~0.5MPa t5≈500℃
5 1’ 1 V
实际工作循环抽象与简化 p 3
1.工质 1.工质
4
理想气体，工质数量不变 理想气体，
忽略进排气阀损失， 2. 忽略进排气阀损失， 0-1和1'-0过程抵消 -

h1 h 2 ( p 1 p 2 ) v 2 t h1 h 3 ( p 1 p 2 ) v 2 h1 h 2 ( p 1 p 2 ) v 2 h1 h 2 ( p 1 p 2 ) v 2 h1 h 2 h1 h 2
忽略水泵消耗 功， 循环作功：
w ( h h ) ( h h ) T 1 5 6 2
循环热效率：
( h h ) ( h h ） w 1 5 6 2 T t q ( h h ) ( h h ） 1 1 4 6 5
二、提高蒸汽动力循环热效率 的途径与方法
3. 回热循环
第十一章
蒸汽动力循环装置
蒸汽动力循环装置特点


动力机最早的工质为水蒸气，热力过程状态发生变化 水和水蒸汽不能助燃，只能从外热源吸收热量，所以 要 配备锅炉，装置设备不同于气体动力循环 燃烧产物不参与循环,可利用各种燃料
蒸汽动力循环—朗肯循环
气体动力循环不采用卡诺循环的原因 a:定温加热和放热难于进行 b:定温线和绝热线斜率接近,循环作功不大 蒸汽动力循环不采用卡诺循环的原因 a:蒸汽压缩过程难于实现 b:循环局限于饱和区,上限温度受制于临界 温度 膨胀末期,蒸汽干度过小,不利于动力机安 全
水泵功通常相对较小,略 去对计算准确度影响很小, 故可简化为
二、提高蒸汽动力循环热效率 的途径与方法
提高热效率方法：
提高汽轮机入口参数(温度、压力)
降低汽轮机出口压力
减少各过程不可逆性
采用再热、回热等措施
提高蒸汽压p1
提高初压带来设备强度 和乏汽干度降低问题
ห้องสมุดไป่ตู้
提高蒸汽初温T1
提高初温还可使终态的 干度增大,对汽轮机相对 内效率和使用寿命有利 提高新蒸汽的温度受材 料耐热性能的限制

C D都为等温过程，设T1 = 300 K，T2 = 200 K， V2 = 2V1。求循环效率。
解：
QAB
WAB
m M
RT1 ln
V2 V1
p
A T1=300K
B
吸热
D
m5 QBC EBC M 2 R(T2 T1)
T2=200K C
放热
V1
V2 V
QCD
WCD
m M
RT2
ln
V1 V2
卡诺循环
理想气体准静态卡诺循环由两个等温过程和两
个绝热过程组成。(气体做功吸热的原动力来源于
压力差)膨胀过程工作物质的温度不能高于T1，压
缩过程中不能低于T2。
AB过程：
p
A
Q1
m M
RT1 ln
VB VA
0
Q1 T1
B
CD过程：
Q2
m M
RT2
ln
VD VC
0
BC和DA过程：
Q0
D
Q2
T2
C
VA VD VB VC V
W 1 | Q2 |
Q1
Q1
η 1 T2 ln VC VD T1 ln VB VA
T1VBγ1 T2VCγ1
T1VAγ1 T2VDγ1
VB VC VA VD
卡诺循环效率： 1 T2
T1
p
A
T1
B
D
T2 C
VA VD VB VC V
卡诺致冷机：
气体对外做功吸热 的原动力依然是压 力差。气体放热的 原动力是外界对气 体做功。
扩散过程 功变热过程 热传导过程
气体自由膨胀
自动