第十一章 蒸汽动力循环

第十一章蒸汽动力循环（5+1学时）1. 教学目标及基本要求掌握蒸汽动力循环的分析方法；理解提高蒸汽动力循环热效率的途径和措施；掌握利用蒸汽性质图表进行有回热和再热的蒸汽动力循环计算的方法；熟悉在h-s和T-s图上表示和分析动力循环的方法。

了解新型动力循环。

2. 各节教学内容及学时分配11-1 概述（0.5学时）11-2 蒸汽卡诺循环（0.5学时）11-3 朗肯循环（0.5学时）11-4 蒸汽参数对循环热效率的影响（1学时）11-5 蒸汽再热循环（0.5学时）11-6 回热循环（1学时）11-7 热电循环（0.5学时）11-8 工质性质对循环热效率的影响，联合循环（0.5学时）★习题课：回热循环计算（1学时）3. 重点难点蒸汽卡诺循环；朗肯循环；复杂循环（回热、再热）的计算。

循环分析的一般方法。

4. 教学内容的深化和拓宽新型动力循环。

5. 教学方式讲授，讨论，.ppt6. 教学过程中应注意的问题蒸汽不要当理想气体计算，如∆h = c p∆T。

计算流速开平方前勿忘单位制统一。

7. 思考题和习题思考题：教材的课后自检题（部分在课堂上讨论）习题：教材习题1~68. 师生互动设计讲授中提问并启发讨论：蒸汽动力循环的热效率不高，其冷源损失很大，若取消冷凝器而代以压缩机将湿蒸汽压回锅炉，如何？若保持给水温度不变，回热抽汽的压力是高些好是低些好（只讨论一级回站）？9. 讲课提纲、板书设计第十一章 蒸汽动力循环 11-1 概述水蒸气：使用最早且最广泛。

“外燃动力装置”：可使用各种固体、液体、气体燃料及核燃料，可使用劣质煤，还可利用太阳能和地热等能源。

（比较：内燃机）循环的热力学分析：Law I ： w q =21q q q q −==∫δP T w w w w −==∫δ循环热效率 1212111q q q q q q w t −=−==η平均吸热温度 s q T ∆=/11 平均放热温度 s q T ∆=/22　121T T− 121q q t =−=η11-2 蒸汽卡诺循环用湿蒸汽可实现卡诺循环。

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。

蒸汽动力循环的四个主要过程
蒸汽动力循环的四个主要过程是：
1. 压缩：在蒸汽动力循环中，蒸汽从锅炉中产生并进入蒸汽轮机。

在进入蒸汽轮机之前，蒸汽需要被压缩以增加其热能密度。

压缩过程通常通过蒸汽压缩机完成，其中蒸汽被压缩到较高的压力。

2. 膨胀：压缩后的蒸汽进入蒸汽轮机进行膨胀。

在膨胀过程中，蒸汽的热能被转化为机械能，驱动蒸汽轮机旋转并做功。

通过连接到轮轴上的发电机，膨胀过程中产生的机械能可以转化为电能。

3. 冷凝：在膨胀过程结束后，蒸汽处于低压状态。

为了进一步提高热效率，蒸汽需要在冷凝器中冷凝成水，释放出余热。

在冷凝过程中，蒸汽失去热能并变成液态。

这些液态水可以被重新加热并再次进入蒸汽轮机，形成循环。

4. 加热：冷凝后的水被泵送到锅炉中，在那里它被加热至高温。

在锅炉中，水接触到燃烧的燃料，经过吸热反应转化为蒸汽。

加热过程使蒸汽再次进入压缩过程，形成循环。

第十一章蒸汽动力一、是非题1．在目前的技术条件下，水蒸气卡诺循环是难以实现的。

（）2．在目前的技术条件下，即使实现了水蒸气卡诺循环，其热效率也是不高的。

（）3．热效率随着蒸汽初压的提高而增加，因此，设计时总是选择装置所能承受的最大压力。

（）4．热效率随着蒸汽初温的提高而增加，因此，设计时总是选择金属材料所能承受的最大温度。

（）5．汽轮机的背压总是高于冷却水温度所对应的饱和压力。

（）6．从热电循环的经济性角度考虑，应尽可能提高热电循环的能量利用系数。

（）7．蒸汽动力循环在采用高的初参数和再热、回热等措施以后，热效率距相同温度范围的卡诺循环热效率尚有相当大的距离。

主要是因为平均吸热温度比金属容许温度还低得较多。

（）二、思考题1．蒸汽中间再过热的主要作用是什么？是否任何条件下再过热都有好处？为什么？2．蒸汽动力循环的热效率不高，其冷源损失很大，若取消冷凝器而代以压缩机将湿蒸汽压回锅炉其结果将如何？3．回热是什么意思？为什么回热能提高循环的热效率？4．假如保持给水温度不变，回热抽汽的压力是高些好是低些好（只讨论一级回热）？5．总结一下，蒸汽动力循环是根据哪些原则并利用了哪些方法提高热效率的。

6．循环的热效率t与整个装置的效率是一回事吗？它们有什么区别和联系。

7．在织造厂、造纸厂以及制药厂等较集中的地区兴建发电厂时，选用哪种蒸汽循环比较合适？三、习题11-1 某朗肯循环的蒸汽参数为：t1=500°C，p2=0.004MPa试计算p1分别为3,6,12MPa时的：（1）水泵所消耗的功量及进出口水温差；（2）汽轮机作功量及循环功比；（3）汽轮机出口汽干度；（4）循环热效率；（5）分析以上结果可以说明什么问题。

11-2 朗肯循环中，蒸汽参数为：p1=3.5MPa,t1=435°C。

试计算背压p2分别为0.004MPa, 0.01MPa, 0.1MPa时的循环热效率。

11-3 某热电厂中，装有按朗肯循环工作的功率为1.2万千瓦的背压式汽轮机，蒸汽参数为p1=3.5MPa、t1=435°C，p2=0.6MPa。

11第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环11-1 试根据水蒸气的h -s 图，求出下述已知条件下的各状态的其它状态参数p 、v 、t 、h 、s 及x (或过热蒸汽的过热度D ＝t －t s )。

已知：(1) p ＝0.5 MPa 、t ＝500 ℃；(2) p ＝0.3 MPa 、h ＝2 550 kJ/kg ；(3) t ＝180 ℃、s ＝6.0 kJ/(kg ·K)；(4) p ＝0.01 MPa 、x ＝0.90；(5) t ＝400 ℃、D ＝150 ℃。

解 查h -s 图得（１）h =3500 kJ/kg ，s =8.08 kJ/(kg ·k)，0.72 m =v 3/kg, =D 448℃； （２）s =6.54 kJ/(kg ·k)，x =0.921，t =134 ℃，57.0=v m 3/kg ； （３）h =2520 kJ/kg, x =0.865，=v 0.168 m 3/kg ；（４）h =253 4 kJ/kg ，s =7.4 kJ/(kg ·k)，t =46℃；（５）h =320 0 kJ/kg ，s =6.68 kJ/(kg ·k)，x =1，p =4Mpa 。

-2 根据水蒸气表，说明下述已知条件下的各状态的其它状态参数t 、v 、h 及s 。

已知： (1) p ＝0.3 MPa 、t ＝300 ℃；(2) p ＝0.5 MPa 、t ＝155 ℃； (3) p ＝0.3 MPa 、x ＝0.92。

解 查水蒸汽表得 （1）kg m 16081.03=v ,kg kJ 2.4299=h ,K kg kJ 8540.6⋅=s ； （2）kg m 525093001.03=v ,kg kJ 525.656=h ,K kg kJ 5886.1⋅=s ;（3）t s =133.54 ℃，v ′ =0.001 073 5 m 3/kg ，，/kg m 86605.03=′′′vkJ/kg 5.2725,kJ/kg 4.561=′′=′h hK)kJ/(kg 993.6K),kJ/(kg 6717.1s ⋅=′′⋅=′s 。

第11章蒸汽动力循环一、教案设计教学目标: 使学生熟练掌握水蒸气朗肯循环、回热循环、再热循环和热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方式和途径。

知识点：朗肯循环、回热循环、再热循环和热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方式和途径重点：分析朗肯循环的分析方式，提高循环循环效率的方式和途径。

难点：回热循环、再热循环和热电循环；提装置循环效率的方式和途径。

教学方式：教学+多媒体演示+课堂讨论师生互动设计：提问+启发+讨论☺问：自己观察过身旁的热力系统的状态转变吗？☺问：你以前明白热力系统的状态转变往往伴随着系统与外界间能量的互换吗？☺问：你明白温度计什么原理吗？温度计测温的理论依据你试探过吗？☺问：用过压力计吗？氧气瓶上压力表读数是瓶中的真实压力吗？☺问：能举出几个具体的强气宇、广延量？热力进程、热力循环？☺问：爆炸进程能以为是准静态进程吗？☺问：你能说出进程量与状态量的区别吗？请具体举例。

☺问：你碰到的哪些现象属于不可逆现象？学时分派：4学时+2讨论二、大体知识热机：将热能转换为机械能的设备叫做热力原动机。

热机的工作循环称为动力循环。

动力循环：可分蒸汽动力循环和气动力循环两大类。

第一节 蒸汽动力大体循环一朗肯循环朗肯循环是最简单的蒸汽动力理想循环，热力发电厂的各类较复杂的蒸汽动力循环都是在朗肯循环的基础上予以改良而取得的。

一、装置与流程蒸汽动力装置：锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵等四部份主要设备。

工作原理：p-v 、T-s 和h-s 。

朗肯循环可理想化为：两个定压进程和两个定熵进程。

3’-4-5-1水在蒸汽锅炉中定压加热变成过热水蒸气， 1-2过热水蒸气在汽轮机内定煽膨胀，2-3湿蒸气在凝汽器内定压(也定温)冷却凝结放热， 3-3’凝结水在水泵中的定情紧缩。

二、朗肯循环的能量分析及热效率 取汽轮机为控制体，成立能量方程:3121h h h h --=η三、提高朗肯循环热效率的大体途径 依据：卡诺循环热效率 1．提高平均吸热温度直接方式式提高蒸汽压力和温度。