13蒸汽动力装置循环

第十一章蒸汽动力循环装置水蒸气是工业上最早使用来作为动力机的工质。

在蒸汽动力装置中水时而处于液态，时而处于气态。

因而蒸汽动力装置循环不同于气体动力循环。

此外，水和水蒸气不能燃烧，只能从外界吸收热量，所以蒸汽循环必须配备锅炉，因此装置设备也不同于气体动力装置。

由于燃烧产物不参与循环，故而蒸汽动力装置可利用各种燃料，如煤、渣油，甚至可燃垃圾。

§11－1简单蒸汽动力装置循环——朗肯循环1、工质为水蒸气的卡诺循环由第二定律可知，在相同温限内卡诺循环的热效率最高，而采用气体作工质的循环中，定温过程（加热及放热）难以实现，并且气体绝热线及等温线在p-v图上斜率接近，因此有w较小。

i在采用蒸汽做工质时，由于水的汽化和凝结，当压力不变时温度也不变，因而有了定温放热和定温吸热的可能。

又因为定温即是定压，其在p-v图上与绝热线斜率相差较大，因而可提高w，所以蒸汽机原则上可采用卡诺循环，如图中5－6－7－8－5所i示。

而实际的蒸汽动力装置中不采用上冻循环，其主要原因有以下几点：1）在压缩机中绝热压缩8－5过程难以实现；2）徨仅局限于饱和区，上限温度受临界温度的限制，故即使实现卡诺循环，其热效率也不高；3）膨胀末期，湿蒸汽干度过小，含水分甚多，不利于动力机安全。

所以，实际蒸汽动力循环均以朗肯循环为其基础。

2、朗肯（Rankine）循环朗肯循环是最简单也是最基本的蒸汽动力循环，它由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵4个基本的、也是主要的设备组成。

右图中为该装置的示意图。

水在锅炉中被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机膨胀作功，作功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷凝成水，凝结后的水在水泵中被压缩升压后，再回到锅炉中，完成一个循环。

为了突出主要矛盾，分析主要参数对循环的影响，与前述循环一样，首先对实际循环进行简化和理想化，略去摩阻及温差传热等不可逆因素，理想化后的循环由右图(a )所示的热力过程组成，对应的T-s 图如图(b )所示。

第九章 蒸汽动力循环装置工业上最早使用的动力机是用水蒸气做工质的蒸汽动力装置。

在蒸汽动力装置中水时而处于液态，时而处于气态，如在蒸汽锅炉中液态水汽化产生蒸汽，经汽轮机膨胀作功后，进入冷凝器又凝结成水再返回锅炉，而且在汽化和凝结时可维持定温，因而蒸汽动力装置循环不同于气体动力循环。

此外，水和水蒸气不能助燃，只能从外热源吸收热量，所以蒸汽循环必需配备锅炉，因此装置设备也不同于气体动力循环。

由于燃烧产物不参与循环，故而蒸汽动力装置可利用各种燃料，如煤、渣油,甚至可燃垃圾。

第一节简单蒸汽动力装置循环———朗肯循环一、 工质为水蒸气的卡诺循环热力学第二定律已证明，在相同温限内卡诺循环的热效率最高。

在采用气体作工质的循环中,因定温加热和放热难于进行，而且气体的定温线和绝热线在p-v图上的斜率相差不多，以致卡诺循环所作的功并不大，故在实际上难于采用。

在采用蒸汽作工质时，由于水的汽化和蒸汽的凝结，当压力不变时温度也不变，因而实际上也就有了定温加热和放热的可能。

更因这时定温过程亦即定压过程，在p-v图上其与绝热线之间的斜率相差亦大，故所作的功也较大。

所以，以蒸汽为工质时原则上可以采用卡诺循环，如图11-1中循环6-7-8-5-6所示。

然而在实际(b)(a)图9-1 水蒸气的朗肯循环的蒸汽动力装置中不采用卡诺循环，其主要原因是：首先，在压缩机中绝热压缩过程8-5难于实现，因状态8是水和蒸汽的混合物，压缩过程中压缩机工作不稳定，同时状态8的比体积比水的比体积大得多，需用比水泵大得多的压缩机；其次，循环局限于饱和区，上限温度受制于临界温度，故即使实现卡诺循环，其热效率也不高；再次，膨胀末期，湿蒸汽干度过小，即含水分甚多，不利于动力机安全。

实际蒸汽动力循环均以朗肯循环为其基础。

二、朗肯循环及其热效率简单蒸汽动力装置流程示意图如图9-2所示，其理想循环———朗肯循环图9-2简单蒸汽动力装置流程示意图的p-v图和T-s图见图9-1。

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。

蒸汽动力循环装置提高效率的方法1. 使用多级蒸汽动力循环装置：通过增加多个蒸汽轮机和各个级别的回热器，可以充分利用热能，提高装置的效率。

每个级别都利用已经冷却的蒸汽，使其再次加热，并选择不同的压力点以充分利用能量。

2. 使用高效的燃烧系统：采用高效的燃烧系统，如流体化床燃烧器或气化燃烧器，可以更充分地燃烧燃料，并减少烟气中的污染物生成。

这不仅可以提高燃料利用效率，还可以减少对环境的负面影响。

3. 优化锅炉和回热器设计：通过优化锅炉和回热器的设计，增加燃料燃烧的热能传递，从而提高装置的热效率。

增加燃料燃烧的燃烧时间和温度，减少烟气温度和烟气中的热量损失。

4. 使用高效的蒸汽涡轮机：选择高效的蒸汽涡轮机，可以减少能量损失，提高装置的效率。

采用多级蒸汽涡轮机和温度叶片等先进技术，可以更好地利用蒸汽的能量。

5. 采用热能储存系统：通过采用热能储存系统，可以在低耗电负荷时存储部分热能，然后在高耗电负荷时释放。

这种方式可以平衡装置的能量供应，提高效率。

6. 优化循环过程：通过优化蒸汽动力循环装置的操作参数，如水蒸气的压力和温度，可以提高装置的性能。

选择合适的循环压力，以在蒸汽生成和排气过程中最大限度地提高效率。

7. 进行余热回收：通过在涡轮蒸汽排气过程中回收余热，可以充分利用热能，减少能量损失。

采用热交换器将排气蒸汽中的热量传递给进料水，从而提高装置的热效率。

8. 使用高效的冷凝器：选择高效的冷凝器，可以将涡轮蒸汽排气中的热量更充分地释放出来，并转化为有用的能源。

通过减少蒸汽在冷凝器中的压力损失，可以提高装置的效率。

9. 优化冷却水系统：通过优化蒸汽动力循环装置的冷却水系统，可以提高冷凝的效率。

使用高效的冷却塔或换热器，以便更好地冷却循环水，并减少冷却水的消耗。

10. 定期维护和清洁：定期进行设备维护和清洁，以确保蒸汽动力循环装置的正常运行。

清洁涡轮叶片和燃烧器，消除积碳和污垢，可以提高设备的性能和效率。

定期检查和更换老化的设备部件，也可以减少能量损失和系统故障。

蒸汽循环系统工作原理引言蒸汽循环系统是一种常见的能量转换系统，广泛应用于发电厂以及工业生产中。

它通过将燃料燃烧产生的热能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能。

本文将详细介绍蒸汽循环系统的工作原理。

一、燃料燃烧产生热能蒸汽循环系统的工作原理首先涉及到燃料的燃烧。

在发电厂中，通常使用的燃料有煤炭、天然气和石油等。

燃料在燃烧室中与空气进行反应，产生高温高压的燃烧气体。

这些燃烧气体中的热能将用于加热工质（一般为水）。

二、蒸汽发生器中的热能传递燃烧产生的热能将通过烟气传递给蒸汽发生器中的工质。

蒸汽发生器是一个热交换器，它将热能从烟气传递给工质，使工质的温度升高。

这个过程中，烟气的温度下降，而工质的温度上升。

三、蒸汽的膨胀和冷凝经过蒸汽发生器后，工质变成了高温高压的蒸汽。

蒸汽将进入蒸汽涡轮机中膨胀。

蒸汽涡轮机是通过蒸汽的高速流动驱动叶轮旋转，从而产生机械能。

在膨胀过程中，蒸汽的温度和压力均下降。

随后，蒸汽将进入凝汽器中冷凝。

凝汽器是一个热交换器，它将蒸汽的热量传递给冷却介质（通常是冷凝水）。

在冷却介质的作用下，蒸汽冷凝成水，并释放出大量的热能。

这个过程中，冷凝水的温度升高。

四、再次加热和循环冷凝水将经过泵被再次加热。

再次加热器通过将冷凝水加热至饱和温度以上，使其变成高温高压的水蒸气。

再次加热后的水蒸气将进入蒸汽涡轮机中膨胀，驱动叶轮旋转，产生机械能。

蒸汽涡轮机产生的机械能通过联轴器传递给发电机，将机械能转换为电能。

而冷凝水则经过泵被再次加热，形成一个循环。

这样，蒸汽循环系统就实现了能量的转换和利用。

结语蒸汽循环系统通过将燃料燃烧产生的热能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能，实现了能源的高效利用。

它是发电厂以及工业生产中常用的能量转换系统。

通过蒸汽循环系统的工作原理，我们可以更加深入地理解蒸汽发电的过程，并认识到其在能源领域的重要性。

蒸汽动力循环的知识点总结总览：蒸汽动力循环是一种热力循环，其基本原理是通过燃烧燃料来产生热能，然后利用热能产生的高温高压蒸汽驱动蒸汽机或者涡轮机，最终将热能转化为机械能。

蒸汽动力循环一般包括以下几个基本组成部分：1. 锅炉：将水加热生成蒸汽的设备；2. 蒸汽机或者涡轮机：利用蒸汽动力产生机械功的设备；3. 冷凝器：将流过蒸汽机或者涡轮机的低温低压蒸汽冷凝成水的设备；4. 泵：将冷凝水经过加压再次送入锅炉的设备。

基本原理：蒸汽动力循环的基本原理是通过引入高温高压蒸汽来推动轮机转动，然后在轮机功率输出后将蒸汽冷凝成水再次送入锅炉加热，形成循环。

循环过程中，蒸汽在不同的温度和压力下进行相变，从而产生热能和机械能的转换。

整个循环过程符合热力学的一定规律，例如热力学第一定律和第二定律等。

循环的效率：蒸汽动力循环的效率通常用热效率和热功效率来衡量。

热效率是指工作流体产生的功率与输入的热量之比，可以用以下公式来表示：η = W/Q其中，η为热效率，W为物体产生的功率，Q为输入的热量。

热功效率是指工作流体产生的功率与燃料热值之比，可以用以下公式来表示：ηth = W/Qc其中，ηth为热功效率，Qc为燃料的热值。

优化蒸汽动力循环的效率是很重要的工程问题，需要考虑很多因素，包括锅炉和轮机的设计、流体性质和循环工艺等。

循环的组件：1. 锅炉：通过燃烧燃料来产生高温高压蒸汽的设备。

主要包括燃料供给系统、燃烧室、加热表面和管道等组件。

2. 蒸汽机或者涡轮机：利用蒸汽动力来产生机械功的设备。

主要包括转子、转子叶片、蒸汽进出口和机械传动系统等组件。

3. 冷凝器：将流过蒸汽机或者涡轮机的低温低压蒸汽冷凝成水的设备。

主要包括冷凝管道、冷却水系统和冷却塔等组件。

4. 泵：将冷凝水经过加压再次送入锅炉的设备。

主要包括旋片式泵、离心泵和柱塞泵等组件。

循环的性能评估：针对蒸汽动力循环的性能评估，主要包括循环的效率、热力学性能和经济性能等方面。

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 QW t =η121212111T T S T S T Q Q Q W t -=∆∆-=-==η （STdS T ∆≡⎰⋂） 理想 121T T C -=η 循环完善性充满系数=ABCDAabcda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 tex E W =η 或 sup,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=ηTsup ,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。

第12章蒸汽动⼒循环第⼗⼆章蒸汽动⼒循环Chapter 12Vapor Power Cycles通过这⼀章的学习要解决的问题：1.为什么在实际蒸汽动⼒循环中不采⽤卡诺循环？2.什么是朗肯循环？3.怎样计算朗肯循环的热效率？4.蒸汽参数如何影响朗肯循环的热效率？5.有摩阻的实际循环；6.再热循环、回热循环四个主要装置：锅炉Boiler （B ）汽轮机Turbine （T ）凝汽器Condensor （C ）⽔泵Pump （P ）蒸汽动⼒装置基本循环系统锅炉汽轮机发电机⽔泵凝汽器为什么在实际蒸汽动⼒装置中不采⽤卡诺循环？以⽔蒸汽为⼯质原则上可以采⽤卡诺循环，12-1简单蒸汽动⼒循环-朗肯循环(Rankine cycle)TOs 1243①湿蒸汽的压缩难以实现；②温差⼩，循环热效率不⾼；③膨胀末端x 太⼩，不利于动⼒机的安全。

朗肯循环的基本过程1-2：过热蒸汽等熵膨胀2-3：乏汽定压放热3-4：冷凝⽔等熵压缩4-1：给⽔定压加热1342pv朗肯循环的p-v 图构成朗肯循环的四个过程：1-2 汽轮机中定熵膨胀过程；2-3 冷凝器中定压放热凝结过程；3-4 ⽔泵中的定熵压缩过程；4-1 锅炉中的定压吸热汽化过程。

4321Ts hs1324朗肯循环的T-s 和h-s 图朗肯循环各过程的能量计算1222343114T p w h h q h h w h h q h h =-=-=-=-4321Tsnett 1w q η=热效率热效率34h h ≈net 12431411()()p T t w w w h h h h q q h h η----===-12141213t t h h h h h h h h ηη--==-- 或忽略⽔泵功12'h h -s蒸⽓初参数p 1，t 1，乏⽓压⼒p 24321影响热效率的参数T12-2 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响如果确定了新汽的温度（初温T1 ）、压⼒（初压p 1）以及乏汽的压⼒（终压p2），那么整个朗肯循环也就确定了蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响，也就是指初温、初压和终压对朗肯循环热效率的影响蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响sT43211'2'1.蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响有利于汽轮机安全。