工程热力学第十章蒸汽动力装置循环作业

第10章 动力循环
例1：某朗肯循环的蒸汽参数取为1t =550C 0，1p =30bar ，2p =0.05bar 。

试计算1) 水泵所消耗的功量，2) 汽轮机作功量, 3) 汽轮机出口蒸汽干度, 4) 循环净功， 5) 循环热效率。

解：根据蒸汽表或图查得1、2、3、4各状态点的焓、熵值：
1h =3568.6KJ/kg 1s =7.3752kJ/kgK
2h =2236kJ/kg 2s =7.3752kJ/kgK 3h =137.8kJ /kg 3s =0.4762kJ/kgK
4h =140.9kJ/kg
则 1) 水泵所消耗的功量为
34h h w p -==140.9-137.78=3.1kJ/kg
2) 汽轮机作功量
21h h w t -==3568.6-2236=1332.6kJ/kg
3) 汽轮机出口蒸汽干度
2p =0.05bar 时的'2s =0.4762kJ/kgK "
2s =8.3952kJ/kgK.
则 =--='
2
"2'
2
2s s s s x 0.87 或查h-s 图可得 x =0.87. 4) 循环净功
p T w w w -=0=1332.6-3.1=1329.5kJ/kg 5) 循环热效率
411h h q -= =3568.6-140.9=3427.7KJ/kg
故 1
q w T =η =0.39=39%
例2：在一理想再热循环中，蒸汽在68.67bar 、400℃下进入高压汽轮机，在膨胀至9.81bar 后，将此蒸汽定压下再热至400℃，然后此蒸汽在
在状态点3的压力p3=68.67bar，温度t3=400℃。

从水蒸汽表查得h3=3157.26kJ/kg·K，s3=6.455kJ/kg·K，v3=0.04084m3/kg。

从点3等熵膨胀至43，p4=9.81bar，从h-s图查得h4s=2713.05kJ/kg。

在点5的压力p5=9.81bar，温度t s=400℃，从水蒸汽表查得h5=3263.61kJ/kg, v5=0.3126m3/kg。

从点5等熵膨胀至6s，6s点的压力p6s=0.0981bar，从h-s图查得h6s=2369.76kJ/kg。

在状态点1，压力p1=0.0981bar，液体的焓h1=190.29kJ/kg，液体的比容v1=0.001m3/kg。

（1）高压汽轮机输出的等熵功；
w t(h)=h3-h4s=3157.26-2713.05=444.21 kJ/kg
低压汽轮机的输出功：
w t(L)=h s-h6s=3263.61-2369.76=893.88 kJ/kg
(2)假设液体的比容保持常数，给水泵的等熵压缩功为：
w p=v(p2s-p1)=0.001(6867-9.81)=6.857kJ/kg
(3)循环的热效率：
%
9.37379.056
.5501.2960857
.688.89321.444)()()
()()(4533126543==+-+=-+----+-=
ηs s s s s th h h h h h h h h h h
（4）蒸汽耗率70.222
.13313600
3600===
net w kg/kW ·h 4点的状态参数p 4=37.278bar ，t 4=400℃，从水蒸汽表查得h 4=3215.46kJ/kg 。

显然，由于汽轮机背压p 2的提高使背压式蒸汽发电厂的循环热效率低于凝汽式蒸汽发电厂的循环热效率。

但从能量利用的角度来看，背压循环的“能量利用系数”K 又比凝汽循环高。

工质从热源得到的能量
已被利用的能量
=
K
凝汽循环
409.01
==
q w
K 背压循环（理想情况下）
11
2
=-=
q q w K 实际上由于各种热损失和电、热负荷之间的不协调，一般K=0.7左右。

例3：某蒸汽动力循环。

汽轮机进口蒸汽参数为p 1=13.5bar ，t 1=370℃,汽轮机出口蒸汽参数为p 2=0.08bar 的干饱和蒸汽，设环境温度t 0=20℃,试求：（1）汽轮机的实际功量、理想功量、相对内效率；（2）汽轮机的最大有用功量、熵效率；（3）汽轮机的相对内效率和熵效率的比较。

解：先将所研究的循环表示在h-s 图（图10.3）上，然后根据已知参数在水蒸气图表上查出有关参数：
h 1=3194.7kJ/kg s 1=7.2244kJ/(kg ·K)
1.257722
2=''=''='h h h kJ/kg
2=s 2=''h 2
=''s h 2=='
(1)21'（2）汽轮机的最大有用功和熵效率 汽轮机的最大有用功
kg
kJ s T h s T h e e w x x n /1.912)2295.22931.2577()2244.72937.3194()
()(20210131max =⨯--⨯-=---=-=⋅ 汽轮机的熵效率
677.01
.9126
.617max 123===
η⋅n x w w （3）汽轮机的相对内效率和熵效率的比较
计算结果表明，汽轮机的对内效率ri η小于熵效率exo η。

因为这两个效率没有直接联系，它们表明汽轮机完善性的依据是不同的。

汽轮机的相对内效率ri η是衡量汽轮机在给定环境中，工质从状态可逆绝热地过渡到状态2所完成的最大有用功量（即两状态熵的差值）利用的程度，即实际作功量与最大有用功量的比值。

2=
''x
由图10.3可见，汽轮机内工质实现的不可逆过程1-2，可由定熵过程1-2’和可逆的定压定温加热过程2’-2两个过程来实现。

定熵过程1-2’的作功量为
8.9342121=-=''h h w kJ/kg
在可逆的定压定温加热过程2′-2中，使x 2′=0.8684的湿蒸汽经加热变为相同压力下的干饱和蒸汽，其所需热量为q 2=h 2-h 2′。

因为加热过程是可逆的，故可以想象用一可逆热泵从环境（T 0=293K ）向干饱和蒸汽（T 2=314.7K ）放热。

热泵消耗的功量为
w 2′2=q 2-T 0
7.22)()(220222
2
=---=''s s T h h T q kJ/kg 。

故1-2过程的最大有用功为 1.9127.228.9342221max =-=-=''•w w w n kJ/kg
与前面计算结果相同。

显见，ri η与ex η的差别为
2112
'
=
ηw w ri 而 2
22112
max 12''•+==ηw w w w w n ex
思考及练习题
1．各种气体动力循环和蒸汽动力循环，经过理想化以后可按可逆循环进行计算，但所得理论热效率即使在温度范围相同的条件下也并不相等。

这和卡诺定理有矛盾吗。

2．能否在蒸汽动力循环中将全部蒸汽抽出来用于回热(这样就可以取消凝汽器，从而提高热效率，能否不让乏汽凝结放出热量，而用压缩机将乏汽直接压入锅炉，从而减少热能损失,提高热效率。

3．采用加热和再热的目的是什么？为什么在相同的温度范围内，回热循环的热效率高于朗肯循环的热效率？（用T -S 图说明）。

4．分析动力循环经济性的方法有哪几种？各有何特点？
5．蒸汽动力循环热效率低的主要原因是什么？如何提高热能的利用率？采用热电循环热效率是提高了还是降低了？
6．由于冷凝器作用，蒸汽排汽温度已接近自然环境温度，即已充分利用了可能达到的冷源温度，为什么说大量热量损失到外界去了？
7．能否在蒸汽动力装置中将全部蒸汽抽出来用于回热。

（这样就可取消冷凝器）从而提高热效率？能否不让乏汽凝结放热，而用压缩机直接将乏汽压入锅炉，从而节约热能，提高热效率？
8．能量利用系数说明了全部能量利用的程度，为什么又说不能完善地说明循环的经济性呢？
9．在蒸汽的朗肯循环中，如何理解热力学第一、二定律的指导作用？ 10．既然卡诺循环在一定温限中热效率最高，为什么理论蒸汽动力循环不采用卡诺循环，而采用朗肯循环？
11．将朗肯循环表示在p -v 、T -S 、h -s 上，并说明采用过热蒸汽的原因。

12．提高朗肯循环热效率有哪些主要途径？利用T -S 图和h -s 图说明。

13在一回热循环中，进入汽轮机的蒸汽为37.278bar 、400℃，离开汽轮机为0.0981bar 、在膨胀至3.924bar 后，从汽轮机抽出一些蒸汽对来自凝汽器的给水加热，流体离开加热器时为3.924bar 的饱和水。

假设膨胀和压缩都是等熵，求循环的热效率。

14核动力循环。

锅炉从t 1=320℃的核反应堆吸入热量Q 1产生压力为72bar 的干饱和蒸汽（点1），水蒸气经汽轮机作功后在0.08bar 压力下排出（点2），乏汽在冷凝器中向t 0=20℃的环境定压放热后变为40℃的过冷水（点3），最后过冷水经泵送回锅炉（点4）完成循环。

已知该厂的额定功率为750000kW,汽轮机的相对内效率ri η=0.7，泵效率p η=0.8。

试求: 蒸汽的质量流量，并对该循环进行热力学分析。