华北电力大学课件,工程热力学 第11章、蒸汽动力装置循环
工程热力学11
整体煤气化联合循环(IGCC)
工作流程
气化炉中煤 煤气； 煤气的净化； 燃气轮机循环； 余热锅炉回收排气热量； 蒸汽轮机循环
整体煤气化联合循环(IGCC)
优点
热效率高，目前40~46%，预计可52%； 环保性能好，SO2, NOx, CO2, 粉尘排放低，可燃
用高硫煤；
可实现煤化工综合利用，生产硫、硫酸、甲醇、尿
s
汽耗率的概念
工程上常用汽耗率, 反映装置经济性，设备尺寸
汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h
3600
功量所消耗的蒸汽量kg
d wnet
wnet的单位是kJ/kg 1kW=1 kJ/s
d
kg kW
h
kg kJ s
h
kg kJ 1h 3600
h
3600kg kJ
ws,12 h1 h2
凝汽器中的定压放热量 h
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功
ws,34 h4 h3
4
锅炉中的定压吸热量
3
q1 h1 h4
1 2
s
Hale Waihona Puke 郎肯循环热效率的计算t
wnet q1
ws,12 ws,34 q1
h
一般很小， 占0.8~1%，
忽略泵功
4
t
h1 h1
h2 h3
3
1 2
1
h1
ha
0
蒸汽抽汽回热循环的特点
•优点 >缺点 提高热效率 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面 可兼作除氧器
•缺点 循环比功减小，汽耗率增加 增加设备复杂性 回热器投资
小型火力发电厂回热级数一般为1～3级， 中大型火力发电厂一般为 4～8级。
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
蒸汽动力装置循环PPT课件
T
1 56 4
3
2
0
s
朗肯循环T–s图
T
5 4
1 1’ 67
3
2 2‘
0
s
再热循环T–s图
第16页/共29页
3. 再热对热效率的影响及中间压力
（1）再热对热效率的影响 一次再热吸收的总热量：
对外放热： 热效率：
q 1 ( h 1 h 4 ) ( h 1 h 7 ) q 2 h 2 h 3
T
时进行再热，再热器出口温度为540ºC，排汽
压力为0.008 MPa，
试确定乏气干度和循环热
效率，并与相同初，
T
终状态参数的朗肯循环
进行比较。
5
1 1’ 67
4
3
2 2‘
0
s
再热循环T–s图
第21页/共29页
例题
2. 在朗肯循环中，蒸汽进入汽轮机的压力
P1=13.5MPa, 初温度t1=550ºC，乏气压力为 0.004MPa，求循环净功，加热量、热效率、
T
5
1 1’ 67
4
3
2 2‘
0
s
再热循环T–s图
第18页/共29页
4. 一次再热循环热经济性分析： 1. 采用蒸汽中间再热后，汽轮机的排汽干度提高，
使汽轮机低压缸的蒸汽温度保持在允许温度内， 减轻湿蒸汽对冲击和侵蚀，增加了汽轮机工作 的安全性。
2. 在相同参数范围内，再热循环的有用功和热效率 均高于朗肯循环的结果，即再热循环的热经济性 高于朗肯循环。
✓然后：分析实际循环与理论循环的偏离 程度，找出实际损失的部位，大小， 原因，及改进措施。
第2页/共29页
6—1 蒸汽动力装置循环
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)
工程热力学课件--华北电力大学(北京).ppt
2019-8-26
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20
例题： 如图，已知大气压pb=101325Pa，U型 管内 汞柱高度差H=300mm，气体表B读数为 0.2543MPa，求：A室压力pA及气压表A的读 数pgA
2019-8-26
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21
解： pB pb peB
101325Pa 0.2543106 Pa 355600Pa
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势
平衡的本质：不存在不平衡势
2019-8-26
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31
2.平衡与稳定
稳定：参数不随时间变化
稳定但存在不平衡势差 去掉外界影响，则状态变化
2019-8-26
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32
稳定未必平衡
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？
1
1kg工质：w =pdv
2
w 1 pdv
p 1 2019-8-26
p外
注意： 上式仅适用于
准静态过程
2
谢谢观赏
50
p
1.
p 1 2019-8-26
示功图
W
mkg工质：
W =pdV
.
2
2
V
W 1 pdV
1kg工质：
p外
2
谢谢观赏
w =pdv
2
w pdv
1
51
p 准静态容积变化功的说明
pA H pB
(133.32300) Pa 355600Pa 0.3956MPa
pA pb peA p eA pA pb 0.3956MPa 0.101325MPa 0.2943MPa
第十、十一、十二章热力装置及其循环气(气体动力循环、蒸汽循(精)
第十、十一、十二章热力装置及其循环气（气体动力循环、蒸汽循环、制冷循环、热泵循环）气体动力循环一、目的及要求了解各种内燃机的热力过程，掌握朗肯循环的热力循环过程，了解制冷循环及热泵循环的热力过程。
二、内容：10.1分析动力循环的一般方法10.2活塞式内燃机实际循环的简化10.3活塞式内燃机的理想循环10.4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较10.5燃气轮机装置循环10.6燃气轮机装置的定压加热实际循环10.7简单蒸汽动力装置循环――朗肯循环10.8再热循环及回热循环10.9制冷循环概况10.10压缩空气与压缩蒸汽制冷循环10.11制冷剂的性质10.12热泵循环三、重点及难点：10.1掌握各种装置循环的实施设备及工作流程。
10.2掌握将实际循环抽象和简化为理想循环的一般方法，并能分析各种循环的热力过程组成。
10.3掌握各种循环的吸热量、放热量、作功量及热效率等能量分析和计算的方法。
10.4会分析影响各种循环热效率的因素。
10.5掌握提高各种循环能量利用经济性的具体方法和途径。
四、主要外语词汇：sabeander cycle, diesel cycle, otto cycle, spark ignition, brayton cycle, gas turbine, rankine cycle, vapor, air standard assumptions, refrigerator cycle, heat pump cycle五、本章节采用多媒体课件六、复习思考题及作业：1、试以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例，总结分析动力循环的一般方法。
2、活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率？实际中是否采用？为什么？3、燃气轮机装置循环中，压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功，因而增加了循环净功，但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低，试分析之。
4、干饱和蒸汽朗肯循环与同样初压下的过热蒸汽朗肯循环相比较，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？5、各种实际循环的热效率，无论是内燃机循环、燃气轮机装置循环或是蒸汽循环肯定地与工质性质有关，这些事实是否与卡诺定理相矛盾？6、蒸汽动力循环中，在动力机中膨胀作功后的乏气被排入冷凝器中，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？这样的想法对不对？为什么？7、压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机，空气制冷循环是否也可以采用这种方法？为什么？8、压缩空气制冷循环采用回热措施后是否提高其理论制冷系数？能否提高其实际制冷系数？为什么？作业：10－2，10－3，10－7，11－2，11－4，11－6，12－3，12－5第十章气体动力循环在学习本章过程中需要掌握三个问题：1）余隙容积对压气机产生什么影响？2）压缩比π的影响如何？如有矛盾采用什么方法解决？3）请说明多级压缩级间冷却原理？§10－1分析动力循环的一般方法动力装置，制冷装置和热泵装置统称为热力装置。
蒸汽动力装置循环PPT课件
h4 h3 wP h2 wP 137.72 kJ/kg 17.06 kJ/kg 154.78 kJ/kg q1 h1 h4 3 426 kJ/kg 154.78 kJ/kg 3 271.22 kJ/kg
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、廉价、易得的工质。
4
6. 蒸汽动力装置工作流程和简化 蒸汽电厂示意图
2513.29 2544.68 2553.46 2560.55 2583.72 2608.90 2645.31 2675.14 2706.53 2748.59 2777.67 2798.66 2803.19 2793.64 2724.46 2085.87
2484.1 2443.6 2432.2 2422.8 2392.0 2357.5 2304.8 2257.6 2201.7 2108.2 2014.8 1890.0 1794.9 1639.5 1317.2
由第一定律
q1 h1 h4
代入已得数据
q1 h1 h4 3 213.6 kJ/kg 195.8 kJ/kg 3 017.8 kJ/kg
14
蒸汽轮机
控制体积: 蒸汽轮机。 进入状态: p1、T1已知；状态确定 出口状态: p2已知。 据第一定律 wt h1 h2
据第二定律 s1 s2
wP
4
vdp
2'
v
p4
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。
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()
11-1 蒸汽动力循环
1.简单的蒸汽动力装置
华
北
电
力
大 学
3
北 京
2
动
力
系
工
程
热 物
1
理 教
4
研
室
5
1.锅炉，boiler，加热 2.过热器，super heater,加热
q1
3.汽轮机，turbine，做功，Wt
4.凝汽器，condenser，放热，q2 5.给水泵，pump，增压，耗功，Wp
2019年12月30日4时4分
()
11-1 蒸汽动力循环
2.水蒸气的卡诺循环
华 北 电 力 大
学T
北 京
动
力 系 工
T1
程
热
物 理
T2
教
研
室
C
4
1
3
2
能量的实际利用率低，T1受到水 蒸气临界温度 (374.15°C)的限 制。热量从炉膛(1500 °C)传到 低于374.15°C的工质，做功能 力损失大；
h2
ri
h3 h2
p
h2
h3 h2
p
2019年12月30日4时4分
()
(2) 技术指标
汽耗率：汽轮机发出单位功率所需要消耗的蒸汽流量，d (kg/kWh)。如
华 北
果汽轮机每小时消耗的蒸汽流量为D (kg/h)，发出的功率为Nnet (kW)， 则：
电 力 大 学
2~2`凝汽器中的定压放热过程 q2 h2 h2
2`~3给水泵中的绝热压缩过程
2
wp h3 h2
s
3~1锅炉中的定压加热过程
q1 h1 h3
朗肯循环就是水和水蒸气的 两个定压过程（热） 与
两个绝热过程（做功）的组合
2019年12月30日4时4分
()
华 北 电 力 大 学 北 京 动 力 系 工 程 热 物 理 教 研 室
wt h1 h2a h1 h2 1
同样，水泵耗功也多于理论耗功：
2a 2
s
wp h3a h2
实际循环的热效率为：
i
h1
h2a h3a
h1 h3a
h2
2019年12月30日4时4分
()
(1) 循环效率
华 北 电 力
汽轮机的相对内效率：
ri
北
京 动 力 系
3600
3600 3600
q0 d q1 wnet q1 wnet / q1 t
kJ / kWh
电 力
蒸汽动力装置的大量使用，促使生产力飞速发展，
大
学 北
促使资本主义诞生。
京 动
2）目前世界75%电力，国内80%电力来自火电厂，绝
力
系 工
大部分来自蒸汽动力。
程
热 物
3）蒸汽动力装置可利用各种燃料。
理 教 研
4）蒸汽是无污染、价廉、易得的工质。
室
()
2019年12月30日4时4分2
()
§11-1 简单蒸汽动力装置循环 —朗肯循环(Rankine cycle)
()
第11章、蒸汽动力装置循环
热能动力装置 ：将热能转换为机械能的设备，也称为热力发动机，简
华 称热机。
北
电
力 大
动力装置循环（简称动力循环或热机循环）：
学
北 京
蒸汽动力装置循环：以蒸汽为工质的热机的工作循环
动 力
（如蒸汽机、蒸汽轮机等）。
系
工
程 热
气体动力装置循环：以气体为工质的热机的工作循环
物 理
Nnet
D 3600
wnet
kW
北 京
动 理论汽耗率为：
力 系 工 程 热 物 理 教 研 室
d D 3600
N net
wn分
()
(2) 技术指标
热耗率：机组发出1kW.h的功所要消耗的热量q0，kJ/kW.h。
华 北 电 力 大 学
蒸汽流量D kg/h，机组功率Nnet kW，每kW.h所需要消耗的蒸 汽流量为d kg/kW.h，单位质量蒸汽的循环吸热量为q1kJ/kg， 则郎肯循环的热耗率为：
2019年12月30日4时4分
(1) 循环效率
()
华 循环功：
北 电 力 大 学
wnet wt wp q1 q2
h1 h2 h4 h3
北
京 动 力 系 工 程
循环热效率 t
wnet q1
h1 h2 h4 h3
h1 h4
热
（如内燃机、燃气轮机等）。
教
研
室
研究热机循环的目的：分析其热能利用的经济性（即热效率）、
影响热效率的因素、寻找提高热效率的途径。
2019年12月30日4时4分
第十一章 蒸汽动力装置循环
蒸汽及蒸汽动力装置(steam power plant) ：
华 北
1）蒸汽是历史上最早广泛使用的工质，19世纪后期
一.简介
华 北 电 力 大 学 北 京 动 力 系 工 程 热 物 理 教 研 室
32019年12月30日4时4分
()
朗肯 W.J.M. Rankine，1820~1872年， 英国科学家。
华 1820年6月5日出生于苏格兰的爱丁
北
电 力
堡。1855年被委任为格拉斯哥大学机
大 学
械工程教授。 1858年出版《应用力学
湿蒸汽的膨胀于汽轮机不利。
s 湿蒸汽的压缩不易实现。
因此，实际的蒸汽动力循环不采用卡诺循环， 而采用朗肯循环：加热到过热蒸汽区，冷却到饱和水状态
2019年12月30日4时4分
3.朗肯循环
()
T
华
北 电
T1
力
大
学
北
京 动
4
力
系
工 程
3
热 物
T2
理
2
教
研
室
1~2汽轮机中绝热膨胀过程
1
wt h1 h2
实际功 理论功
h1 h2a h1 h2
大
学 北
水泵的效率：
京
p
理论泵功 实际泵功
h3 h2 h3a h2
动
力
系 工 程 热 物 理 教 研 室
实际效率：
i
h1
h1
h2
ri
h3 h2
p
h2 h3a h2
i
h1
h1
物
理 教
由于水泵功和汽轮机功相比很小，粗略计算中可以忽略不计，即：
研 室
wp wt
h3 h3
则：
t
wnet q1
h1 h2 h1 h4
称为理论热效率
2019年12月30日4时4分
()
(1) 循环效率
华
北
电 力
T
大
学 北
T1
京
动
力
系
4
工
程
热 物
3
理 教 研
T2 2
室
若考虑汽轮机的不可逆性，则：
北
京 手册》一书，是工程师和建筑师必备的
动
力 系
指南。1859年出版《蒸汽机和其它动
工 程 热
力机手册》，是第一本系统阐述蒸汽机
物 理
理论的经典著作。朗肯计算出一个热力
教
研 室
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年12月30日4时4分