13蒸汽动力装置循环

第十三章蒸汽动力循环装置讲课时间：第十二周周四

2016-5-172

一、概述

蒸汽及蒸汽动力装置(steam power plant)

1）蒸汽是历史上最早广泛使用的工质，19世纪后期蒸汽动力装置的大量使用，促使生产力飞速发展，

促使资本主义诞生。

2）目前世界约75%电力、国内78%电力来自火电厂，绝大部分来自蒸汽动力。

3）蒸汽动力装置可利用各种燃料。

4）蒸汽是无污染、价廉、易得的工质。

一、概述（续）

蒸汽动力循环与气体动力循环的区别

1）水时而处于液态，时而处于气态，在汽化、凝结时定压也定温；

2）水和水蒸气不能燃烧，只能从外界向它传热，需配备锅炉设备，与内燃机比较，这种装置可称为“外燃动力装置”；

3）蒸汽动力装置可利用各种燃料（核燃料、劣质煤、可燃垃圾、太阳能、地热能等）

13-1 简单蒸汽动力装置循环—朗肯循环

在相同温限内，卡诺循环的热效率最高

卡诺循环

汽轮机

冷凝器

水泵

过热器）

由（锅炉过热器）构成的加热器和冷凝器，实际上就是换热器，通过它们实现了工质与热源和冷源的热量交换。加热器中，热源的热量通常来自于燃料的化学能，也可以是原子能、太阳能、地热能等。

冷凝器中的冷却介质通常为水，但在一些水资源匮乏的地区，有时也用空气作为冷却介质。

13-2考虑不可逆损失时的实际蒸

汽动力循环

膨胀前工质状态相同、压缩

3600?

13-3 通过改变蒸汽参数提高朗肯循环的热效率

T 1 T 1

2 提高蒸汽压p 1

但x 2下降且p 太高造成强度问题

T 1

T 平均吸热温度提高，效率提高

蒸汽动力、、、

船用蒸汽动力装置的整体构建与设计，张静巧，哈工程增压锅炉是蒸汽动力装置的主动力设备。蒸汽动力装置是大型舰船的主动力装置，它决定着军舰的航速性，机动性和续航力等重要战术技术性能。舰用锅炉是蒸汽动力装置的一个主要设备，构成了舰船的主推进装置，在蒸汽动力装置中具有重要的地位。舰用增压锅炉低的重量尺寸指标、良好的动态特性、高的经济性、可靠性和可维护性表明它良好地适用于海军大中型舰船的主动力装置。舰用增压锅炉在战斗、巡航等恶劣的工作条件下能够稳定正常的工作，对舰用增压锅炉的控制系统提出了更高的要求，要求其稳定性要好，响应速度要快。船舶蒸汽动力装置热力系统的仿真分析，马武学，哈工程增压锅炉动力装置较好地满足了现代船舶动力装置的技术要求，船用增压锅炉动力装置在可靠性、生命力、经济性、重量尺寸和维修性等方面都具有较为良好的性能，普通锅炉装置远不能与之相比。增压锅炉的应用减小了动力装置重量尺寸，这大大有利于提高船舶的航速及其机动性，目前增压锅炉动力装置是现代船舶动力推进装置的研究方向之一，因此，对增压锅炉动力装置的研究具有重要意义。蒸汽动力装置以其功率大、造价低、技术成熟、研制周期短、使用寿命长和制造运营经验丰富等一系列特点，成为我国重要的船用动力型式之一。增压锅炉动力装置的使用较好地满足了现代船舶动力装置所提出的技术要求。欧美各国发展的几种船用增压锅炉动力装置在可靠性、生命力、经济性、重量尺寸、机动性、耐久性和维修性等方面都具有较为良好的性能。其中尤以重量尺寸指标改善最为明显，普通锅炉装置远不能与之相比。动力装置的减小，大有利于提高船舶航速及其机动性。因此，增压锅炉动力装置是现代船舶动力推进装置的研究方向之一。船用动力装置是船舶的重要组成部分。其主要任务是保证船舶在航行、锚泊和系岸等工况下所需要的各种动力和能源(如热能、电能等)。因此，它决定着船舶的航速性、机动性和续航能力等重要技术性能。以水蒸汽作为工质的动力装置称为蒸汽动力装置，简称汽力装置。装置中蒸汽锅炉把燃料中的化学能转变为热能，再将水转变成具有一定压力和温度的蒸汽，蒸汽送入主汽轮机后热能转变成机械能带动螺旋桨回转做功，推动船舶运动。蒸汽动力装置被用作为船舶的主动力装置。船用主锅炉是蒸汽动力装置中的一个主要设备，在蒸汽动力装置中具有举足轻重的地位。它构成了船舶的主推进装置。增压锅炉动力装置中的烟气涡轮、压气机、辅助汽轮机各部件间匹配关系非常复杂，国外视其为专利技术而严格控制。该技术在国内有待进一步发展和完善，因此，开展船用增压锅炉动力装置技术研究对发展我国大功率蒸汽动力装置具有重要意义。增压锅炉是指利用压气机替代鼓风机向锅炉输送空气的锅炉。增压锅炉和烟气涡轮增压

第十章蒸汽动力循环及汽轮机基础知识

- 113 - 第十章蒸汽动力循环及汽轮机基础知识 10.1 蒸汽动力循环核电站二回路系统的功能是将一回路系统产生的热能（高温、高压饱和蒸汽）通过汽轮机安全、经济地转换为汽轮机转子的动能（机械能），并带动发电机将动能转换为电能，最终经电网输送给用户。热能转换为机械能是通过蒸汽动力循环完成的。蒸汽动力循环是指以蒸汽作为工质的动力循环，它由若干个热力过程组成。而热力过程是指热力系统状态连续发生变化的过程。工质则是指实现热能和机械能相互转换的媒介物质，其在某一瞬间所表现出来的宏观物理状态称为该工质的热力状态。工质从一个热力状态开始，经历若干个热力过程（吸热过程、膨胀过程、放热过程、压缩过程）后又恢复到其初始状态就构成了一个动力循环，如此周而复始实现连续的能量转换。核电厂二回路基本的工作原理如图10.1所示。节约能源、实现持续发展是当今世界的主流。如何提高能源的转换率也是当今工程热力学所研究的重要课题。电厂蒸汽动力循环也发展出如卡诺循环、朗肯循环、再热循环、回热循环等几种循环形式。 10.1.1 蒸汽动力循环形式简介 1.卡诺循环卡诺循环是由二个等温过程和二个绝热过程组成的可逆循环，表示在温熵（T －S ）图中，如图10.2所示。图中， A-B 代表工质绝热压缩过程，过程中工质的温度由T 2升到T 1，以便于从热源实现等温传热； B-C 代表工质等温吸热过程，工质在温度凝结水水蒸汽蒸汽推动汽轮机做功，将蒸汽热能转换成汽轮机动能；继而汽轮机带动发电机发电。凝结水从蒸汽发生器内吸收一回路冷却剂的热量变成蒸汽热力循环图10.1核电厂二回路基本的工作原理 T 1 S T 2

水蒸气及蒸汽动力装置

1.水的三相点的状态参数是不是唯一确定的？三相点与临界点有什么差异？ 2.刚性绝热的密闭容器内水的压力为4MPa,测得容器内温度为200℃，试问容器内的水是什么集态？因意外事故容器上产生了一不大的裂缝，试分析其后果？ 3.水的定压汽化过程中温度维持不变，因此有人认为过程中热量等于膨胀功，即w q=，对不对？为什么？ 4.由于 T c h T T p p ? = ?2 1普遍适用于一切工质，所以有人说水定压汽化时温度不变，因此其焓变量 2 1 = ? = ?T c h T T p p 。这一推论错误在哪里？ 5.饱和蒸汽郎肯循环（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？ 6.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。

7.图11-2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10-3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？ 8.各种实际循环的热效率无论是内燃机循环，燃气轮机循环，或是蒸汽循环都肯定地与工质性质有关，这些事实是否与卡诺定理相矛盾？ 9.蒸汽动力循环中，在动力机中膨胀作功后的乏汽被排入冷凝器中，向冷却水放出大量的热量 q2，如果将乏汽直接送入汽锅中使其再吸热变为新蒸汽，不是可以避免在冷凝器中放走大量热量，从而减少对新汽的加热量q1大大提高热效率吗？这样想法对不对?为什么？ 10.用蒸汽作为循环工质，其吸热和放热接近定温过程，而我们又常说以定温吸热和定温放热最为有利，可是为什么在大多数情况下蒸汽循环反较柴油机循环的热效率低? 11.应用热泵来供给中等温度(例如100℃上下)的热量是比直接利用高温热源的热量来得济，因此有人设想将乏汽在冷凝器中放出热量的一部分用热泵提高温度，用以加热低温段(100℃以下)的锅炉给水，这样虽然需要增添热泵设备。但却可以取消低温段的抽汽回热，使抽汽回热设备得以简化，而对循环热效率也能有所补益。这样的想法在理论上是否正确? 12.热量利用系数说明了全部热量的利用程度，为什么又说它不能完善地衡量循环的经济性？

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。

第六章蒸汽动力装置

第六章动力装置循环英文习题 1. Power generation by a steam turbine The power output of an adiabatic steam turbine is 5MW, and the inlet and the exit conditions of the steam are as indicated in Fig.6-1. (a) Compare the magnitudes of Δh, Δke, Δpe. (b) Determine the work done per unit mass of the steam flowing through the turbine. (c) Calculate the mass flow rate of the steam. 2. The simple ideal Rankine cycle Consider a steam power plant operating on the simple ideal Rankine cycle. The steam enters the turbine at 3 MPa and 350℃ and is condensed in the condenser at a pressure of 75 kPa. Determine the thermal efficiency of this cycle. 3. Effect of boiler pressure and temperature on efficiency Consider a steam power plant operating on the ideal Rankine cycle. The steam enters the turbine at 3 MPa and 350℃ and is condensed in the condenser at a pressure of 10 kPa. Determine (a) the thermal efficiency of this power plant, (b) the thermal efficiency if the steam is superheated to 600℃ instead of 350℃, and (c) the thermal efficiency if the boiler pressure is raised to 15 MPa while the turbine inlet temperature is maintained at 600℃ . FIGURE 6-1 FIGURE 6-2 FIGURE 6-3

工程热力学第十章蒸汽动力装置循环教案.docx

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匀速朗肯循环回热循环 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。 p 51 C2 v 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 '2000'需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大3232

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。

蒸汽动力装置

蒸汽动力装置自英国首次将使用汽轮机的蒸汽动力装置用于“透平尼亚”(Turbinia)号船以来，使用汽轮机的蒸汽动力装置已有近百年的历史。它曾经统治大功率舰船推进装置领域近半个世纪。20世纪60年代以来，随着航空发动机改装为舰用燃气轮机的成功，苏、美相继于1962年和1975年分别建成了第一艘全部采用燃气轮机的军舰。英国在1968年宣布了在护卫舰以上的大吨位军舰上全部采用燃气轮机的政策。加拿大海军也有类似的政策声明。但事实上，采用蒸汽动力装置推进的舰艇仍然是各国海军的主要力量之一。舰用蒸汽动力装置在这些挑战中仍在不断地完善自己，并有了新的发展。因此，舰用蒸汽动力装置在作为主要的舰艇动力上仍然有着不可取代的历史地位。无论在大吨位的航空母舰上，还是在采用压水堆的核动力潜艇上至今仍是唯一可用的不可取代的动力装置。因为前者需要较大的单机功率，使其他的动力装置不能与之攀比。后者的二回路实际上就是蒸汽循环。舰用蒸汽动力装置自20世纪60年代以来发展得比较稳定，技术相当成熟，达到了很高的水平。目前的发展特点如下： 1.功率有所增大战前护卫舰蒸汽轮机，单机功率一般仅4410kW(6000bp)，美海军在20世纪40年代末服役的“基林”级驱逐舰，单机功率22050kW(30000hp)。60年代服役的“薛尔曼”级驱逐舰和“布鲁克”和“诺克斯”级护卫舰，单机功率25725kW(35000hp)。60年代服役的“孔兹”级驱逐舰的蒸汽动力装置，单机功率31237.5kW(42500hp)，并作为标准动力装置使用。目前美海军最大的蒸汽动力装置用在航空母舰上，最大单机功率51450kW(70000hp)。前苏联为了满足各类舰艇对功率的要求，研制了功率不等的各种型号的机组，如TB-9功率为7350kW(10000hp)；TB-8为26460kW(36000hp)；TB-12为33075kW(45000hp)。而单机功率最大的是TB-4为51450kW(70000hp)。 2.机炉配置情况战前护卫舰机炉配置一般采用一炉一机一轴的方式。现可能由于汽轮机的单机功率增大等方面的原因，已改为2台锅炉配一机一轴的方案。美国驱逐舰延用2台锅炉配一台汽轮机驱动一根轴。因此，一般驱逐舰，甚至导弹驱逐领舰均无例外地采用4台锅炉。苏联20世纪40年代建造的07型驱逐舰采用1台锅炉配一机一轴方案。50年代建造的56型驱逐舰采用二台锅炉配一机一轴方案。航空母舰仍遵循二炉一机一轴的配置原则。 3.蒸汽参数上升美海军二战前1930年至1940年设计和在大战中使用的高速战斗舰艇的标准蒸汽参数一般选用4.22MPa(42.2atm)，454t(但护卫舰是3.16MPa(31.6atm)，399℃)；战后汽轮机蒸汽初参数有大幅度上升。战斗舰艇一般采用8.45MPa(84.5atm)，510～524℃。二战后美海军蒸汽参数的提高，并在广泛试验的基础上制定8.45MPa(84.5atm)，510℃为其战斗舰艇的标准蒸汽初参数是因为采用这个参数，可获得单位轴马力在巡航工况时最小热耗量，以及避免初温在超过538℃时带给过热器、主汽轮机和蒸汽管路以新的设计问题。其他国家在选择蒸汽参数上历来比较谨慎，它们采用的参数都比美国低。前苏联驱逐舰采用6.4MPa(64atm)，450～470℃；其他国家采用4.5 MPa(45atm)，450℃。也有用6MPa(60atm)，480℃的。日本护卫舰较低，只3.6MPa(36atm)，435℃。经过长期使用之后，目前全世界海军选用的舰用蒸汽参数基本趋于稳定。 4.锅炉由于重量轻、体积小、装置总效率高以及运行简单、适于自动控制等优点，美海军战斗舰艇在经过在DL-1-DL-5驱逐领舰上装舰使用之后，已决定放弃二战前用的双炉膛单烟道锅炉，即M型锅炉，而以单炉膛单烟道即D型锅炉取代。此外，美海军还将强制循环锅炉装在DL-2和DL-3两驱逐领舰上使用。经验证明，采用强制循环锅炉是不

工程热力学第十章蒸汽动力装置循环教案

工程热力学第十章蒸汽动力装置循环教案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

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减少，同时对压缩机不利。 p v

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