工程热力学蒸汽动力循环

第10章蒸汽动力装置循环一、选择题在蒸汽动力循环中，为达到提高循环热效率的目的，可采用回热技术来提高工质的（）[宁波大学2008研]A．循环最高温度B．循环最低温度C．平均吸热温度D．平均放热温度【答案】C【解析】在蒸汽动力循环中，采用回热技术可以提高工质的平均吸热温度，从而达到提高循环热效率的目的。

二、判断题1．回热循环的热效率比郎肯循环高，但比功比朗肯循环低。

（）[天津大学2004研] 【答案】对2．抽气回热循环由于提高了效率，所以单位质量的水蒸气做功能力增加。

（）[同济大学2006研]【答案】错【解析】抽气回热循环中部分未完全膨胀的蒸汽从汽轮机中抽出，去加热低温冷却水，这样就使得相同的工质情况下，抽气回热循环做功小于普通朗肯循环，因而单位质量的水蒸气做功能力降低。

3．实际蒸汽动力装置与燃气轮装置，采用回热后平均吸热温度与热效率均提高。

（）[湖南大学2007研]【答案】对【解析】对实际的蒸汽的动力装置于燃气轮机装置来说，采用回热后，平均吸热温度升高，于是热效率也得到提高。

三、简答题1．朗肯循环采用回热的基本原理是什么？[天津大学2004研]解：基本原理是提高卡诺循环的平均吸热温度来提高热效率。

2．画出朗肯循环和蒸汽压缩制冷循环的T-s图，用各点的状态参数写出：（1）朗肯循环的吸热量、放热量、汽轮机所做的功及循环热效率。

（2）制冷循环的制冷量、压缩机耗功及制冷系数。

[西安交通大学2004研]解：画出朗肯循环和蒸汽压缩制冷循环的T-s图如图10-1所示。

郎肯循环蒸汽压缩制冷循环图10-1（1）参考T-s图，可以得到：朗肯循环的吸热过程为4→1的定压加热过程，吸热量：；郎肯循环的放热过程为2→3的过程，在冷凝器中进行，放热量：；汽轮机中，做功过程为绝热膨胀过程1→2，做工量：；在水泵中被绝热压缩，接受功量为，相对于汽轮机做功来说很小，故有热效率：（2）参考上面的T-s图，可以得到：蒸汽压缩制冷循环的吸热量为：；压缩机耗功为：；制冷系数为：。

工程热力学热力循环的热力学模型与计算方法工程热力学是研究能量转换和能量传递的学科，而热力循环是工程热力学中常见的能量转换方式。

在热力循环系统中，我们希望能够准确地评估其热力学性能，以便进行优化设计和性能分析。

本文将讨论热力循环的热力学模型和计算方法。

一、热力循环的基本原理与模型工程热力循环包括蒸汽动力循环、冷空气循环、制冷循环等多种形式，其中以蒸汽动力循环最为常见。

蒸汽动力循环是利用水蒸汽作为工质，在蒸汽锅炉中通过燃烧燃料产生高温高压蒸汽，然后通过涡轮机等能量转换装置将蒸汽的热能转化为机械能。

热力循环的基本原理是根据能量守恒和热力学第一定律建立的，可以通过一系列的热力学模型来描述。

在蒸汽动力循环中，主要涉及的热力学模型有蒸发模型、膨胀模型、压缩模型和冷凝模型。

蒸发模型用于描述蒸汽锅炉中的燃烧过程，通过燃料的燃烧产生热能，将水加热为高温高压蒸汽。

膨胀模型用于描述蒸汽在涡轮机中的膨胀过程，将热能转化为机械能。

压缩模型用于描述冷却水泵等装置对蒸汽进行压缩的过程，使其能够回到蒸汽锅炉中重新加热。

冷凝模型用于描述冷凝器中蒸汽的冷凝过程，将蒸汽的热能释放到冷却水中。

二、热力循环的计算方法热力循环的计算方法主要包括热量平衡计算和功率计算。

热量平衡计算是热力循环分析的基础，用于计算系统中传递的热量。

在热力循环系统中，热量的传递主要包括燃烧热的传递、换热器的传热和冷凝器的传热。

通过计算各个部件的热量平衡，可以得到系统中的热量转移情况。

功率计算是热力循环分析的重要部分，用于评估系统的能量转换效率。

功率计算主要涉及涡轮机的热力学性能和效率计算。

在蒸汽动力循环中，可以通过燃烧热的释放和蒸汽涡轮的工作来计算系统的净功率输出。

同时，还可以根据涡轮机的输入功率和输出功率计算涡轮机的效率。

在热力循环的计算过程中，还需要考虑一些影响系统性能的因素，如压力损失、能量损失和效率损失等。

这些因素将直接影响系统的总体性能和能量利用率。

三、热力循环的优化设计热力循环的优化设计是提高系统性能和能量转换效率的关键。

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。

第十章蒸汽动力装置循环1、干饱和蒸汽朗肯循环（图10-1 中循环6-7-3-4-5-6）与同样初压力下的过热蒸汽朗肯循环（图10-1 中循环1-2-3-4-5-6-1）相比较，前者更接近卡诺循环，但热效率却比后者低，如何解释此结果？答：循环6-7-3-4-5-6局限于饱和区，吸热温度受到水的临界温度的制约，其平均吸热温度较低，故其热效率较循环1-2-3-4-5-6-1低。

2、本世纪二三十年代，金属材料的耐热性仅达400℃，为使蒸汽初压提高，用再热循环很有必要。

其后，耐热合金材料有进展，加之其他一些原因，在很长一段时期内不再设计制造按再热循环工作的设备。

但近年来随着初压提高再热循环再次受到注意。

请分析其原因。

答：朗肯循环中提高新蒸汽压力和温度都可以提高循环的热效率，在本世纪二三十年代，材料的耐热性较差，通过提高蒸汽的温度而提高热机的效率比较困难，因此采用再热循环来提高蒸汽初压。

随着耐热材料的研究通过提高蒸汽的温度而提高热机的效率就可以满足工业要求。

因此很长一段时期不再设计制造再热循环工作设备。

近年来使用的蒸汽初压大大提高，由于初压的提高使得乏气干度迅速降低，引起气轮机内部效率降低，另外还会侵蚀汽轮机叶片缩短汽轮机寿命，所以乏气干度不宜太低，必须提高乏气干度，就要使用再热循环。

3、图10-13 所示回热系统中采用的是混合式回热器，靠蒸气与水的混合达到换热的目的。

另有一种表面式换热器，如图10-26 所示，蒸汽在管外冷凝，将凝结热量传给管内的水，这种布置可减少系统中高压水泵的数量。

试分析这种系统在热力学分析上与混合式系统有否不同？图10-26答：回热循环的计算最重要的是计算抽气量：对于混合式回热加热器：其热平衡方程为：()()()1'1'100041h h h h -=--αα 可得：404011'h h h h --=α对于表面式换热器：热平衡方程为：假设在理想换热情况下，没有热损失。

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 。

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。

第七章 水蒸气性质和蒸汽动力循环7-2 已知下列各状态：（1）MPa p 31=、C t 300=；（2）MPa p 51=、C t 155=；（3）MPa p 3.01=、92.0=x ；试利用水和水蒸气热力性质表查出或计算出各状态的比体积、熵和热力学能。

解:（1）MPa p 3=300=t ℃kg m v /081226.03= kg kJ h /4.2992= )/(5371.6K kg kJ s ⋅= kg kJ kg m Pa kg kJ pv h u /722.2748/081226.0103/4.299236=⨯⨯-=-=（2）MPa p 5= t=155℃kg m v /0010933.0)140155(1401600010768.00010988.00010768.03=-⋅--+= kg kJ h /7.656)140155(14016023.59219.67823.592=-⋅--+= )/(8869.1)140155(1401607345.19377.17345.1K kg kJ s ⋅=-⋅--+= kg kJ pv h u /2335.6510010933.01057.6563=⨯⨯-=-=(3) MPa p 3.0= x=0.92kg m v /0010732.03=' kg m v /60587.03=''kg kJ h /58.561=' kg kJ h /26.2725='')/(6721.1K kg kJ s ⋅=' )/(9921.6K kg kJ s ⋅=''kg m v x v x v /5575.0)1(3=''+'-= )/(5665.6)1(K kg kJ s x s x s ⋅=''+'-= kg kJ h x h x h /1656.2552)1(=''+'-= kg kJ pv h u /92.2384=-=7-5 过热水蒸气的参数为MPa p 131=、C t 5501=。