11章 蒸汽动力装置循环
蒸汽动力循环
二、提高蒸汽动力循环热效率 的途径与方法
2. 再热循环
再热循环分析
q1 = (h1 − h4 ) + (h6 − h5 )
忽略水泵消耗 功， 循环作功：
wT = (h1 − h5 ) + (h6 − h2 )
循环热效率：
wT (h1 − h5 ) + (h6 − h2） ηt = = q1 (h1 − h4 ) + (h6 − h5）
提高蒸汽初温T 提高蒸汽初温T1
提高初温还可使终态的 干度增大, 干度增大,对汽轮机相对 内效率和使用寿命有利 提高新蒸汽的温度受材 料耐热性能的限制
降低终乏汽 干度降低的问题
三、有摩阻的实际循环
考虑到汽轮机的不 可逆损失,则理想循 可逆损失 则理想循 环的可逆绝热过程 1-2变为不可逆绝热 变为不可逆绝热 过程1-2 过程 act
汽轮机实际所作的功
wt ,act = h1 − h2act
汽轮机的相对内效率
汽轮机内蒸汽实际作功与理论功的比值叫做汽轮机的 相对内效率,简称汽轮机效率 相对内效率 简称汽轮机效率 T
η
ηT =
理想耗汽率
wt,act wt
=
h1 − h2act h1 − h2
D为蒸汽耗量,P0理想输出功率
耗汽率 装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量
h01 − h2′ ′ h01 − h2′
wnet = (h1 − h01 ) + (1 − α1 )(h01 − h2 ) = (1 − α1 )(h1 − h2 ) + α1 (h1 − h01 )
从热源吸入的热量为
q1 = h1 − h01′
工程热力学 课件 第十一章 蒸汽动力循环装置
循环净功为 wnet wt wp h1 h2 h4 h3
p v图上面积 1234561
循环净热量为 qnet q1 q2 h1 h4 h2 h3 h1 h2 h4 h3
T s图上面积 1234561
Ps mT P0 mT Dh1 h2
耗汽率d：装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量 理想耗汽率d0为 D 1 d0 P0 h1 h2 以实际内部功率Pi为基准，则内部功耗汽率为 d0 D 1 1 di Pi h1 h2act T h1 h2 T 考虑有效功，则有效功耗汽率为
可得热效率的近似式 h1 h2 p1 p2 v2 h1 h2 p1 p2 v2 t h1 h3 p1 p2 v2 h1 h2 p1 p2 v2 略去wp简化为
h1 h2 t h1 h2
循环初压力p1甚高时，水泵功约占汽轮机作功的 2%左右，精确计算时不应忽略水泵功
提高初压使乏汽干度降低，引起汽轮机内效率降低 并缩短使用寿命，通常不使乏汽干度低于88% 在提高p1的同时提高t1，可以抵消因提高初压引起 的乏汽干度的降低
背压p2对热效率的影响 在相同的初温初压下降低背压p2也能使热效率提 高 背压降低意味着冷凝器内饱和温度t2降低，故受环 境温度的限制 降低p2若不提高t1也会引起乏汽干度x2降低，后果 与单独提高p1类似
d0 D D de Ps P0Tm Tm
11-2 再热循环
再热循环
新蒸汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导入 锅炉中特设的再热器或其它换热设备中，使之再 加热，然后导入汽轮机继续膨胀到背压p2 再热循环热效率 循环所作的功（忽略水泵功）为
工程热力学高教第三版课后习题第十一章答案
（2） p1 = 3MPa ， t1 = 500 C ， p2 = 6kPa ，由 h-s 图查得：
h1 = 3453kJ/kg 、 h2 = 2226kJ/kg 、 x2 = 0.859 t2 = 36 o C
取 h2′ ≈ cwt2' = 4.187kJ/(kg ⋅ K) × 36 C = 150.7kJ/kg
o
若不计水泵功，则
ηt =
h1 − h2 3453kJ/kg − 2226kJ/kg = = 37.16% h1 − h2′ 3453kJ/kg − 150.7kJ/kg
142
第十一章 蒸汽动力装置循环
d=
1 1 = = 8.15 × 10−7 kg/J 3 h1 − h2 (3453 − 2226) × 10 J/kg
热效率
ηt =
h1 − h2 − wp h1 − h2 − wp
=
(2996 − 2005 − 3)kJ/kg = 34.76% (2996 − 150.7 − 3)kJ/kg
若略去水泵功，则
ηt =
d=
h1 − h2 2996kJ/kg − 2005kJ/kg = = 34.83% h1 − h2′ 2996kJ/kg − 150.7kJ/kg 1 1 = = 1.009 × 10−6 kg/J 3 h1 − h2 (2996 − 2005) ×10 J/kg
143
第十一章 蒸汽动力装置循环
解： （1）由 p1 = 12.0MPa 、 t1 = 450 o C 及再热压力 pb = 2.4MPa ，由 h-s 图查得
h1 = 3212kJ/kg、s1 = 6.302kJ/(kg ⋅ K)、hb = 2819kJ/kg 、 ha = 3243kJ/kg 、 h2 = 2116kJ/kg 、 x 2 = 0.820 p2 = 0.004MPa 、 s1 = sc = sb = 6.302kJ/(kg ⋅ K) ， sc ' = 0.4221kJ/(kg ⋅ K) 、 sc " = 8.4725kJ/(kg ⋅ K)
第十一章 蒸汽动力循环装置
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。
华科热力学第11章蒸汽动力装置循环资料.
由于水几乎不可压缩，垂直线段3-4几乎重合成为一点
2020/7/9
8
4——给水（未饱和水）状态(P1) ； T
P1
1
t1
4-5——给水在锅炉省煤器中定压 加热成饱和水 (P1' ts) ；
56
5-6——水在锅炉水冷壁中定压加热 4
成为饱和汽 (P1' ts)；
3
2
6-1——饱和汽在过热器中定压加热 成为新蒸汽 (P1' t1)。
PHale Waihona Puke '平均吸热温度 T1 明显提高
5
6
4
3
2 2
t,R会有较显著的提高 对机器的强度要求提高
s 提高初压力的影响
乏汽干度x2会降低
乏汽干度x2不得小于0.86
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17
热效率与初压的关系
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18
② P1、P2不变，将初温 t1提高 t1' 提高初温的结果相当于在原循环
P1 1 t1
平均吸热温度 T1 平均放热温度 T2 朗肯循环1234561的热效率
P1
T 4
1
t1
6
T1
5
ηt
1
T2 T1
同温限的卡诺循环12341
T2 4 3
2
s
q41>q41
12341>1234561
定温吸热过程41难于实现 过热蒸汽不采用卡诺循环
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12
若以饱和汽为工质实行卡诺循环62356
1234561基础上附加循环11221
T
平均吸热温度 T1 明显提高
BOILER
qin
Get清风11章：蒸汽动力循环装置 工程热力学课件第四版
环净功wnet,act； 〔3〕循环内部热效率ηi和实际耗汽率di； 〔4〕各过程及循环的不可逆损失。
解：(1) 此题装置示意图如图10-16，T–s 图如图10-17所示〔见教材P. 330~331, 四版〕。 先利用h-s图(或水蒸汽参数表)确 定各点参数。 由(T1、p1)→(h1、 s1)； 注意： s1=sa=sb=s2； 故可：(pa 、sa) → ha; (pb 、sb) → hb; (p2 、s2) → h2;
一、蒸汽动力装置中的主要设备〔8〕
管 道 阀 门
中压进汽阀 电 厂 外 观
平安阀
排污泵
二、工质为水蒸气的卡诺循环
p
T
1
e 4 5 p1 6 1
5
6
4
f
p2
3(2’) 8
o
8
3(2’ )
72
v om
7
2
ns
图11-1 水蒸气的朗肯循环
动力循环以蒸汽为工质时，原那么上可采用如上图中6-7-
8-5-6所示的卡诺循环，然而由于过程8-5难以实现等原因(?)，
蒸 汽 轮 机
一、蒸汽动力装置中的主要设备〔4〕
蒸 汽 轮 机 的 核 心 部 件 转 子
——
一、蒸汽动力装置中的主要设备〔5〕
发电机的定子和转子
一、蒸汽动力装置中的主要设备〔6〕
冷 凝 汽 化 器
锅炉给水泵
离心式风机
一、蒸汽动力装置中的主要设备〔7〕
电 厂 中 常 用 的 几 种 换 热 器
故在实际的蒸汽动力装置中不采用之。
三、朗肯循环及其热效率
在实际的蒸汽动力循环
华北电力大学课件,工程热力学 第11章、蒸汽动力装置循环_1515
理 想 情 况 下 汽 轮 机 功 ： w T h 1 h 2 3 4 3 2 . 1 1 9 9 0 . 3 1 4 4 1 . 8 k J / k g
w p h 3 h 2 v 2 p 1 p 2
v2 0.0010m3 0/k5g2
w p1.0 4k7/Jkg
p114 16 0Pa p250P 00 a
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理 想 情 况 下 水 泵 功 ： w p h 3 h 2 v 2 p 1 p 2 1 4 . 0 7 k J / k g
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2
§11-1 简单蒸汽动力装置循环 —朗肯循环(Rankine cycle)
一.简介
32019/5/3
朗肯 W.J.M. Rankine，1820~1872年， 英国科学家。
1820年6月5日出生于苏格兰的爱丁 堡。1855年被委任为格拉斯哥大学机 械工程教授。 1858年出版《应用力学 手册》一书，是工程师和建筑师必备的 指南。1859年出版《蒸汽机和其它动 力机手册》，是第一本系统阐述蒸汽机 理论的经典著作。朗肯计算出一个热力 学循环(后称为朗肯循环)的热效率，被 作为是蒸汽动力发电厂性能的对比标准。 1872年12月24日于格拉斯哥逝世。
2019/5/3
(1) 循环效率
汽轮机的相对内效率： ri实 理际 论功 功 hh11hh22a
水泵的效率：
p实 理际 论 泵 泵 hh33a 功 功 hh2 2
实际效率：
i h1h1h2h2rih3ah3h2ph2
工程热力学第11章答案
第11章蒸汽动力装置循环11-1朗肯循环中，汽轮机入口参数为：p1=12MPa、t1=540℃。
试计算乏汽压力分别0.005MPa、0.01MPa和0.1MPa时的循环热效率，通过比较计算结果，说明什么问题？解：查水和水蒸汽焓－熵图，汽轮机入口焓为：h1=3455kJ/kg乏汽压力p c为0.005MPa时：乏汽焓h2=2015kJ/kg，温度t s =34℃给水泵入口焓h2´=4.1868t s =4.1868×34=142.351kJ/kg11-3 某再热循环，其新汽参数为p1=12MPa、t1=540℃，再热压力为5MPa，再热后的温度为540℃，乏汽压力为p2=6kPa，设汽机功率为125MW，循环水在凝汽器中的温升为10℃。
不计水泵耗功。
求循环热效率、蒸汽流量和流经凝汽器的循环冷却水流量。
解：据 36001000mnet q w P =，蒸汽流量h t w P q net m /61.27710001621101253600100036003=×××==根据凝汽器中的热平衡：冷却水吸收的热量＝乏汽放出的热量 )(32h h q t c q m w p w −=∆循环水流量 ()()h t t c h h q q w p m w /81.13440101868.4912.154218261.27732=×−×=∆−=11-4 水蒸气绝热稳定流经一汽轮机，入口p 1=10MPa 、t 1=510℃，出口p 2=10kPa ，x 2=0.9，如果质量流量为100kg/s ，求：汽轮机的相对内效率及输出功率。
解：查h-s 图：热效率 %36.44583.3663583.20381112=−=−=q q t η 机组功率()()MW 69.2253600583.2038583.36631000500q q P 21m m =−××=−==q q w net11-6 汽轮机理想动力装置，功率为125MW ，其新汽参数为p 1=10MPa 、t 1=500℃，采用一次抽汽回热，抽汽压力为2MPa ，乏汽压力为p 2=10kPa ，不计水泵耗功。
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45 6 1
5 4
3
2
3
v 1—2：汽轮机中绝热膨胀 2—3：冷凝器中定压冷凝 3—4：给水泵中绝热压缩 4—5—6：锅炉中定压加热 6—1：过热器中定压加热
1 6
2
s
p
45 6 1
T
5
1 6
4
3
2
3
2
v
a
二、朗肯循环的热效率、汽耗率
b
s
1. 热效率 每千克新蒸汽在锅炉和过热器中吸收的热量为
q1 h1 h4 =面积4561ba4
kJx/(2kgs·sK2"2 ) ss12''
6.44340.4762 0.75 8.39520.4762
h2 x2h2" (1 x2 )h2' 1980 kJ / kg
1 p1 t1 p2 X=1
2
s
w h1 h 2 3424 1980 1444 kJ / kg
T
h3=h2’
蒸汽动力装置的热效率为
t
h1 h1
h2 h2
5
4 3
1 6
2
s
例11-1 某远洋船的汽轮机按朗肯循环用过热蒸汽工作，蒸汽的
初始参数为： p1=5Mpa，t1=440℃，冷凝器中的蒸汽压力 p2=0.005Mpa，试求循环热效率。
解 根据p1=5Mpa，t=440℃，由水蒸气h-s图（附图1）中找到
第十一章 蒸汽动力循环
• 第一节 • 第二节 • • 第三节
水蒸汽作为工质的卡诺循环 基本蒸汽动力装置理想循环 — 朗肯循环 其他蒸汽动力循环简介
基本要求：
1. 熟练掌握朗肯循环的工作过程和原理 2. 熟练掌握影响朗肯循环热效率的因素、有关
热效率的计算和和分析及p-v图和T-s图 3. 了解其他蒸汽动力循环
t
h1h2 h1h2
34241980 3424137.77
0.4394
d 3600 3600 2.49kg /(kW h)
h1 h2 3424 1980
h
1-3为实际过程
1 p1 t1
oi
h1 h1
h3 h2
h3 h1 oi (h1 h2 ) 34240.91444
每千克废汽在冷凝器中向冷却水放出的热量为
q2 h2 h3 =面积23ab2
p
T
1
45 d
61
5
6
c3
4
2
3
2
v
a
b
s
循环净热量为 q q1 q2 (h1 h4 ) (h2 h3 )
每千克蒸汽在汽轮机中作功为 ws1 h1 h2 =面积12cd1 每千克蒸汽在水泵中耗功为 ws2 h4 h3 =面积34dc3
2124.4kJ /kg
p2 2 3 X=1
t
h1 h3 h1 h2
3424 2124.4 3424137.77
0.3955
s
d 3600
3600
2.77kg /(kW h)
oi (h1 h2 ) 0.90 (3424 1980)
11.2 其他蒸汽动力循环
对于汽轮机动力装置,终压的范围为ｐ2＝0.003-0.004MPa。
例11-2 某基本蒸汽动力装置，其新汽压力p1=170bar，t1=550℃,汽 轮机排汽压力p2=0.05bar。求汽轮机所产生的功；循环热效率；汽 耗率；若汽轮机相对内效率ηoi=0.90，则实际循环热效率与实际汽 耗率为多少？
t (h1 h'2 )
kg /(kW h)
汽耗率ｄ随热效率ηt的提高而降低
三、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
t
h1 h1
h2 h2
1.初温t1对热效率的影响
T
5
1’ 1 6
初温、初压和终压
t1 t 提高初温还能提高绝热膨胀终 点的干度。
4 3
2 2’
s
2.初压ｐ1对热效率的影响
解h1=3根42据4kpJ1/=k1g7，0bs1a=r6，.4t413=45k5J0/℃(kg，·K查)。表得h 可逆过程1—2： s2=s1= 6.4434kJ/(kg·K)
p2=0.05bar时， h2’=137.77kJ/kg
h2”=2561.2 kJ/kg ，
s1 ’=0.4762kJ/(kg·K) s2” =8.3952
11.1 水蒸汽作为工质的卡诺循环
1.汽水混合物压缩过程c-5难以实现。 2.循环局限于饱和区，上限温度受限于临界温度，效率不高。 3.膨胀末期水分过多，不利于动力机。
11.2 基本蒸汽动力装置的理想循环 ——朗肯循环
一、朗肯循环及其工作过程
1. 工作过程
2. 朗肯循环的p-v图和T-s图
p
T
T
5’ 5
1’ 1 6’ 6
p1 t
4
3
2’ 2
s
提高初压将使绝热膨胀终点的干度下降。因为提高初 温能提高废汽的干度,所以提高初压和提高初温应同步进行。
3.终压p2对热效 t
4’
4 3
2
3’
2’
s
终压p2(t2对应的饱和压力)的降低受到环境温度的限制。
循环净功为
w ws1 ws2 (h1 h2 ) (h4 h3 ) (h1 h4 ) (h2 h3 )
q=w
循环的热效率为
t
w q1
(h1
h2 ) (h4 h3 ) (h1 h4 )
略去水泵消耗比轴功， h3 h4
t
h1 h1
h2 h3
点1，查得h1=3293.2kJ/kg。
h
1 p1 t1
h2=2069.2kJ/kg
p2=0.005Mpa查饱和水蒸气表得 h2′=137.77 kJ/kg
p2 X=1
2
t
h1 h2 h1 h2
3293.2 2069.2 3293.2 137.77
0.3879
s
2. 汽耗率
汽耗率也是衡量蒸汽动力装置工作好坏的重要经济指标 之一。汽耗率ｄ表示每产生1千瓦小时的功(等于3600kJ）需 要消耗多少kg的蒸汽。
１kg蒸汽在一个循环中所作的功为 w h1 h2
d 3600 h1 h2
kg /(kW h)
h1 h2 t (h1 h'2 )
d 3600
再热循环 回热循环 热电合供循环 蒸汽-燃气联合循环
本章小结：
1. 朗肯循环的基本原理和基本计算 工作原理、热效率及有关计算、汽耗率、 p-v图和T-s图
2. 蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 初温t1、初压ｐ1、终压p2
3. 了解其他蒸汽动力循环 再热循环、回热循环、热电合供循环、蒸汽-燃气联合循环