第十章蒸汽动力循环

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>'

2

32000νν≈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。

1-2过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。

2-3过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。

3-4过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。

朗肯循环与卡诺循环

1）乏汽凝结是完全的，不是只与C 点而一直进行到（3）点，全部液化。 2）汽轮机采用过热整齐（不是饱和蒸汽）。 3）过热区、过冷区加热是高压。

缺点在过冷区，高压加热，减少平均温差对热效率是不利的，但对简化设备有

很

大的好处。

1、 压缩比容为Q 2′的水较压缩比容v c 的水汽混合物容易得多，简化设备用泵代

替 压缩机。

2、采用过热蒸汽对增加了平均吸热温度膨胀终了时乏气的干度增加，这些都是有

利

的。

二、朗肯循环热效率

用T-S 图分析，设工质是1kg 。 则1kg 工质定压过程总的吸热量q 1=h 1-h 4 则1kg 工质定压过程总的吸热量q 2=h 2-h 3 故循环有效吸热量

q 0=q 1-q 2=（h 1-h 4）-（h 2-h 3）

1kg 工质在T 中绝热过程所作的功 12T w h h =-

1kg 工质在P 中绝热过程消耗的功 43P w h h =- 故循环净功

01234()()w h h h h =--- 则 00w q = 012

11

t w q q q q η-∴=

=

142314124314

()()

()()

h h h h h h h h h h h h ---=

----=

-

由于过冷水在泵中绝热压缩过程，水具有不可压缩性故水温变化很 小。 0u ?=

即 43v v = 0w = 0q = 故 4343212()wp h h p p v h h '

=-=--

即 43h h =

∴ 上式可简化：

12

14

t h h h h η-=- 参数确定：1h 、2h 可表示or 图，3h 只可查表

三、改变水蒸气参数对朗肯循环热效率的影响

1.提高蒸汽初温对热效率的影响

设初压p 1＝const ，乏汽压力p 2＝const,

↑T 1→ T 1'→ (T m1' ＞T m1 ) 。

过程2'-3和原过程2-3放热温度相同，即

T m2' ＝T m2 ＝T 2

于是，由等效卡诺循环的热效率公式ηt

＝1－(T 2/T m1)可知，蒸汽初温由T 1提高到

T 1'时，朗肯循环的热效率提高。

此外，当蒸汽的初温提高时，如果蒸汽的初压不变，绝热膨胀终了状态比原状态2有较大的干度。乏汽的干度增大。 说明乏汽中含有的水分减少，这有利于减少汽轮机内部的功耗散，也有利于改善汽轮机叶片的工作条件。但另一方面，为提高蒸汽的初温，则要求锅炉过热器所用材料具有较好的耐热性。

2.提高蒸汽初压对热效率的影响

设初温T 1 ＝const ，乏汽压力p 2 ＝const 。

↑p 1→p 1'→(T m1' ＞T m1 ) 。

过程2'-3和原过程2-3放热温度相同，即 T m2' ＝

T m2 ＝T 2

于是，根据等效卡诺循环的热效率公式ηt ＝1－(T 2/T m1)可知，提高蒸汽初

压p 1，可使朗肯循环的热效率提高。

当提高蒸汽的初压时，如果蒸汽的初温不变，则绝热膨胀终了状态2'比原状态2有较小的干度。 干度减小说明乏汽中含有的水分增加，这会引起汽轮机内部的耗散增加。特别是干度较低而水分过多 时，由于水滴的冲击，汽轮机叶片的表

面受破坏，甚至引起叶片振动，影响叶片的使用寿命。因此，一般同时提高蒸汽的初温及初压，既能提高热效率，又能保证汽轮机内部良好的工作条件。

3.降低乏汽压力对热效率的影响

设初温T1＝const ，初压p1＝const

降低乏汽的压力p 2→与乏汽压力相应的饱和温度也随 着降低，放热过程

2'-3'要比原过程2-3有较低的放热温度 ，即

T 2‘＜T 2。虽然这时加热过程的起点T 0也降低为

T 0'，

但它对整个加热过程的平均加热温度影响很小。

因而，由等效卡诺循环的热效率公式可知，

降低乏汽的压力p 2，可以提高朗肯循环的热效

率。

乏汽的凝结温度主要取决于自然环境中冷却介质的温度。当乏汽的凝结温度降低到28℃时，乏汽的压力相应地降低为0.0039MPa 左右。

10-3 回热循环（抽汽循环）

上次课我们重点讲了朗肯循环，水加热或过热蒸汽不是在定温下进行的。所以朗肯循环热效率小于同温限间卡诺循环的热效率。另外我们从它的状态分析可知。

当20.04p bar =时29t →=℃

198p bar =时310t →=℃

将水从29℃加热到310℃，在朗肯循环中是直接由锅炉的燃料燃烧

释放的热量供给，产生1kg 蒸汽所需的热量1q 中大约有50%的热量被凝气器中的

水带走，因而热效率不变，所以为提高t η，

蒸汽功力装置都采用给水回热气的回热循环。

一、回热循环

为分析方便，以一次抽气为例。如图

叙述，每千克状态"1"的新蒸汽进入汽轮机

中绝热膨胀到状态101010(,)p t 时，即从汽轮机中抽出αkg ，被引进回热器。R 中使之在定压下凝结放热。成为1α千克的饱积水，剩下的（11α-）千克的蒸汽继续绝热膨胀到状态"2"然后进入冷凝气凝结成2'饱和水。经给水泵进入回热气，在其中接受α千克蒸汽凝结时放出的热量，将温度提高到10'并与α千克蒸汽凝结成水R 或1kg 10'的饱和水。 然后由泵进入锅炉，接受外热源加热，在高压下成为1kg 的"1"状态新器。这种不是全部工作蒸汽在热机中膨胀放热而是取出其中一部分用以回热给水→抽气回热 2、循环热效率 tR η 根据 0

1

tR w q η= a:0w 的确定

回热循环中1kg 蒸汽在汽轮机中所作的功可分两部分，一部分是α千克工质从p 1-p 01所作的功，一部分为()1α-kg 蒸汽从p 1-p 2所作的功，则

01101112()(1)()w h h h h αα=-+--

101012()(1)()h h h h α=-+-- b: 1q 的确定

1101q h h '=-

10101211()(1)()

tR o h h h h h h αη-+--∴=

'

-

为了与郎肯循环比较，确定01h ' 首先：根据热平衡得

1012010(1)()()h h h h αα'''--=-

or 根据稳定流动方程

011012012012(1)h h h h h h h ααα''=+-''-=

'

-

从而可得 0121012()h h h h α'''=+-

2-3过程线下面的面积不表示

(1)kg

α-蒸汽所放出的热

代入 tR η 得 1121011121101(1)()()

(1)()()

tR h h h h h h h h ααηαα--+-=

'--+-

1121121212(1)()(1)()

t h h h h h h

h h ααη-->

---=='

-

结论：这一循环与朗肯循环122'561-----不同之处

（1） 水自2’到10'的加热不由外热源供给（在锅炉中吸热量减小）

（2） α千克的蒸汽在作了一部分功后不再向外热源放热向外热源放热的只有

(1)α-千克，因而减少了排向低温热源的热损失。

∴循环中向外热源吸入的热量1q 和向外热源放出的热量2q 及0w 都比朗肯循环中小，而tR η

增大.

现代大型蒸汽动力装置大部分采用回热措施。一般抽汽回热的级数为3～8级，而且往往回热和再热同时并用，以求使蒸汽动力装置得到尽可能高的热效率。但这将使装置的复杂性大为增加，装置的投资成本也大为增加。 10-4 再热循环

为了提高热效率，可以采用再热的方法来提高加热过程的平均加热温度。

工作过程：当蒸汽在汽轮机中膨胀作功而压力降低到某个中间压力时，把蒸汽从汽轮机引出,送至再热器重新加热，使蒸汽的温度再次达到较高的温度，然后送回汽轮机的低压汽缸，进一步膨胀作功。

采用再热措施的理想循环称为再热循环。由0-1—定压吸热过程，1-a —绝热膨胀过程，a-1'—定压再热过程，1'-2'—绝热膨胀过程，2'-3—定压放热过程，3-0—绝热加压过程等组成。

量。不能用面积反映循环中真实热量关系及循环热效率。

要使整个加热过程的平均加热温度比没有再热时的高，应使a-1‘的平均加热温度高于0-1的平均加热温度。即a点的温度不宜过低。当再热过程a-1'的平均加热温度高于加热过程0-1的平均加热温度时，则循环的平均加热温度得以提高。

由于平均加热温度提高，而平均放热温度不变，按等效卡诺循环热效率公式，可知再热循环具有比朗肯循环高的热效率。

再热循环的热效率可表示为

对比朗肯循环热效率

则只有当

时（即循环a-1‘-2-2-a的热效率大于朗肯循环的热效率），再热循环具有比朗肯循环高的热效率。

采用再热措施时，乏汽的干度显著的提高。因此在一定的蒸汽初温的限制条件下，采用再热循环 就可应用更高的蒸汽初压，使循环的热效率得到进一步提高。现代蒸汽动力装置中，蒸汽初压高于13MPa 的大型装置都采用再热措施。 10．5热电循环 一、 背压式热电循环

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。

优点：热能利用率高

缺点：热负荷和电负荷不能调节, 供热参数单一 二、 调节抽气式热电循环

抽汽式热电联供循环, 可以自动调节热、电供应比例，以满足不同用户的需要。它的实质是利用气轮机中间抽气来供热。

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

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℃，然后此蒸汽在低压汽轮机中膨胀至0.0981bar ，对每公斤蒸汽求下列各值：（1）高压和低压汽轮机输出的等熵功；（2）给水泵的等熵压缩功；（3）循环热效率；（4）蒸汽消耗率。 解：参考图10.2理想再热循环的T-s 图。

在状态点3的压力p 3=68.67bar ，温度t 3=400℃。

从水蒸汽表查得h 3=3157.26kJ/kg ·K ，s 3=6.455kJ/kg ·K ，v 3=0.04084m 3

/kg 。 从点3等熵膨胀至43，p 4=9.81bar ，从h-s 图查得h 4s =2713.05kJ/kg 。 在点5的压力p 5=9.81bar ，温度t s =400℃，从水蒸汽表查得h 5=3263.61kJ/kg,

v 5=0.3126m 3/kg 。从点5等熵膨胀至6s ，6s 点的压力p 6s =0.0981bar ，从h-s 图查得h 6s =2369.76kJ/kg 。在状态点1，压力p 1=0.0981bar ，液体的焓h 1=190.29kJ/kg ，

液体的比容v 1=0.001m 3

/kg 。

（1）高压汽轮机输出的等熵功；

w t(h)=h 3-h 4s =3157.26-2713.05=444.21 kJ/kg

低压汽轮机的输出功：

w t(L)=h s -h 6s =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 (p 2s -p 1)=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。

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