第十一章 蒸汽动力循环
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
【汽车精品】11水蒸气及蒸汽动力循环
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四、水蒸气的饱和状态
饱和状态——饱和区内，饱和水和饱和水蒸气共存的平衡状态。
饱和状态下，饱和水与饱和水蒸气的平衡是动态的平衡。
饱和温度与饱和压力关系确定。压力↑→饱和温度↑。如：
p＝0.010 8 kPa时 ts＝0 ℃ p＝101.325 kPa时 ts＝100 ℃
，
ts和ps之间的关系由实验或经验公式确， 定。
则有
L L L
2020年12月 Tuesday
第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环
5
过热热量q ——定压过热过程中所需的热量。
按能量转换关系，有
q h h
显然，将0.01℃的水加热变为过热水蒸气所需的热量，等于液体 热、汽化潜热与过热热量三者之和。而且整个水蒸气定压发生过程 及各个阶段中的加热量，均可用水和水蒸气的焓值变化来计算。
hx (1 x)h xh h x(h h) h xL
sx (1 x)s xs s x(s s)
vx (1 x)v xv v x(v v)
即干度x确定时，可用饱和水及干饱和蒸汽的状态参数，求得湿饱 和蒸汽相应状态的参数。
2020年12月 Tuesday
第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环
饱和区内湿饱和蒸汽的温度ts与压力ps具有一定的函数关系，所 以两者只能作为一个独立参数。要确定湿饱和蒸汽的状态，还需另 一个独立参数，一般采用“干度”作为参数，但也可以是其他的状 态参数，如焓、熵、比体积中的任何一个。
干度x —湿饱和蒸汽中干饱和蒸汽的质量分数，即
x mv mv mw
2020年12月 Tuesday
第十一章 水蒸气及蒸汽动力循环
11-1 水蒸气的发生过程 11-2 水蒸气热力性质表和图 11-3 水蒸气的热力过程 11-4 朗肯循环 11-5 再热循环 11-6 回热循环 11-7 热电联产及蒸汽-燃气联合循环
工程热力学_曾丹苓_第十一章蒸气动力循环
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。
蒸汽动力循环装置
热与流体研究中心
第十一章 蒸汽动力循环装置
“工程热力学”多媒体课件 工程热力学”
二、初参数对朗肯循环热效率的影响
1、初温t1 初温t
T1 ↑ T2不 ⇒ ηt ↑ 变
or 循环1t2t3561t 循环1 =循环123561+循环11t2t21 循环12心
第十一章 蒸汽动力循环装置
“工程热力学”多媒体课件 工程热力学”
蒸汽电厂示意图
热与流体研究中心
第十一章 蒸汽动力循环装置
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§11-1 简单蒸汽动力装置循环 11—郎肯循环(Rankine cycle)
一.简介 1、水蒸气的卡诺循环 6ab56
水蒸气卡诺循环有可能实现，但： 水蒸气卡诺循环有可能实现， 1）温限小； 温限小； 2）膨胀末端x太小； 膨胀末端x太小； 3）压缩两相物质的困难； 压缩两相物质的困难； 所以，实际并不实行卡诺循环。 所以，实际并不实行卡诺循环。
b）循环内部热效率 (忽略泵功） 忽略泵功）
ηi =
w act net, q1
=
w,Tact t q1
h −h2act ηT ( h −h2 ) 1 1 = = =ηTηt h −h2' h −h2' 1 1
ws—有效轴功 ηm—机械效率
热与流体研究中心
c）装置有效热效率ηe（考虑机械损失） 装置有效热效率η 考虑机械损失）
a）流程图
b）p-v，T-s 及 h-s 图
热与流体研究中心
第十一章 蒸汽动力循环装置
“工程热力学”多媒体课件 工程热力学”
w,T = h −h2 ? cp (T −T2 ) w, p = h4 −h3 = t t 1 1 w = w,T − w, p net t t
第十一章 蒸汽动力循环(作业)
3352
1960 0.754 1932
rW
q1(kJ/kg) ηt
0.9976
3335.54 0.3828
0.9951
32
3217.38 0.4285
当t₁，P2 不变时， 随初压P1的提高，有 下列情况：汽轮机出 口乏汽干度下降；循 环功比稍有下降，变 化极小，循环功比数 值都接近1故对泵功 忽略不计不会导致大 的误差；循环热效率 提高。
锅炉效率ηB=0.85,燃料发热量 qB=26000kJ/kg，则燃料消耗量B h D q1 95575 2633.6 1 B 11389kg/h 11.389T/h B qB 0.85 26000 4 3 2
s
热力学习题参考答案 [11-4]具有二级混合式加热器的回热循环如图11-14所示，已知 其参数如下p1=3.5MPa，t1=435℃，p2=0.004MPa， pA=0.6MPa，pB=0.1MPa, 忽略泵功不计， 试求：⑴抽汽系数αΑ，αB； ⑵循环吸热量q1 ；⑶循环功量w ； ⑷循环的热效率；⑸与无回热的朗循环相比较（参数相同）
热力学习题参考答案 ⑴抽汽系数 A , B 由能量平衡，有 A 2852 1 A 417.5 1 670.4
670.4 417.5 A 0.1038 2852 417.5
由能量平衡，有
1 A 417.5 B 2528 1 A B 121.4 1 A 417.5 121.4 0.1102
解：忽略泵功时，h4
h6 h5 hB h8 h7 h A
h3 h2 121.4kJ / kg 417.5kJ / kg 670.4kJ / kg
蒸汽动力循环的四个主要过程
蒸汽动力循环的四个主要过程
蒸汽动力循环的四个主要过程是：
1. 压缩：在蒸汽动力循环中，蒸汽从锅炉中产生并进入蒸汽轮机。
在进入蒸汽轮机之前，蒸汽需要被压缩以增加其热能密度。
压缩过程通常通过蒸汽压缩机完成，其中蒸汽被压缩到较高的压力。
2. 膨胀：压缩后的蒸汽进入蒸汽轮机进行膨胀。
在膨胀过程中，蒸汽的热能被转化为机械能，驱动蒸汽轮机旋转并做功。
通过连接到轮轴上的发电机，膨胀过程中产生的机械能可以转化为电能。
3. 冷凝：在膨胀过程结束后，蒸汽处于低压状态。
为了进一步提高热效率，蒸汽需要在冷凝器中冷凝成水，释放出余热。
在冷凝过程中，蒸汽失去热能并变成液态。
这些液态水可以被重新加热并再次进入蒸汽轮机，形成循环。
4. 加热：冷凝后的水被泵送到锅炉中，在那里它被加热至高温。
在锅炉中，水接触到燃烧的燃料，经过吸热反应转化为蒸汽。
加热过程使蒸汽再次进入压缩过程，形成循环。
第十一章蒸汽动力循环资料.
不可逆绝热过程1-2ˊ
4 3
热能工程教研室
2 2’ s
实际蒸汽动力循环分析方法
√ 热一律：热效率分析法
热二律：熵分析法 Ex分析法
热能工程教研室
提高循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式 改变循环形式
热能工程教研室
提高初温度 提高初压力 降低乏汽压力 再热循环 回热循环
热电联产 燃气-蒸汽联合循环
四、有摩阻的实际循环
T 5
4’ 4
3
1’’1’ 1
2 2’
非理想因素：
蒸汽管道摩擦降 压，散热(1’’1’) 汽机汽门节流( 1’ 1 ) 汽机不可逆( 1 2 ’)
给水泵不可逆( 3 4 ’)
s
热能工程教研室
四、有摩阻的实际循环
本课程仅分析一个代表性的不可逆因素： 汽机不可逆
T 5
1
可逆绝热过程1-2代之以
缺点： • 对耐热及强度要求 高，目前最高初温 一般在550℃左右
• v2' 汽机出口尺寸
大
2) 蒸汽初压对郎肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T
5'
5
4'
4 3
热能工程教研室
1' 1 6'
6
2' 2
s
优点：
• T1 t
• v2' ，汽轮机出口
尺寸小
缺点： • 对强度要求高
• x2' 不利于汽
第十一章
蒸汽动力循环
§11-1 郎肯循环
一、朗肯循环
过热器
汽轮机
1
锅 炉
发电机
4
2
简化（理想化） 41 锅炉 p 吸热 12 汽轮机 s 膨胀
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1 10
6
11 7 2
对比同温限1234’ • q2相同； • q1卡诺> q1朗肯
• 卡诺> 朗肯； •等温
吸热4’1难实现
对比56785
• 卡诺< 朗肯；
• wnet卡诺< wnet 朗肯
对比9-10-11-12
• 11点x太小,不利于 汽机强度； • 12-9两 相区难压缩；
第十一章 蒸汽动力循环
动力循环研究目的和分类
动力循环：以获得功为目的
——工质连续不断地将从高温热源取得的热 量的一部分转换成对外的净功
——正向循环
实际循环与卡诺循环
卡诺热机只有理论意义，最高理想 实际上 T s 很难实现
内燃机 t1=2000oC，t2=300oC
tC =74.7% 实际t =30~40%
四、实际蒸汽动力循环分析
非理想因素：
T 5
4’ 4
3
1’’1’ 1
2 2’
蒸汽管道摩擦降 压，散热(1’’1’) 汽机汽门节流( 1’ 1 )
汽机不可逆( 1 2 ’)
给水泵不可逆( 3 4 ’)
s
实际蒸汽动力循环分析方法
√ 热力学第一定律：热效率分析法
热力学第二定律：熵分析法
√ Ex分析法
有摩阻的实际循环
火力发电 t1=600oC，t2=25oC
tC =65.9% 实际t =40% 回热和联合循环t 可达50%
研究目的： 合理安排循环 提高热效率
按工质
气体动力循环：内燃机、燃气轮机 空气为主的燃气 按理想气体处理
蒸汽动力循环：外燃机 水蒸气等 实际气体
蒸汽动力循环
水蒸气：火力发电、核电 低沸点工质：氨、氟里昂
汽轮机进 汽压力
MPa 汽轮机进 汽温度℃ 发电机功 率 P/ kW
低参数 1.3
340 1500～ 3000
中参数 高参数 超高参数 亚临界参
数
3.5 9.0
13.5
16.5
435 535 550, 535 550, 535
6000～ 5~10万 12.5万,20 20万,30
25000
万 万,60万
凝汽器中的定压放热量：
q2 h2 h3
h
水泵绝热压缩耗功：
1
ws,34 h4 h3
锅炉中的定压吸热量：
4
q1 h1 h4
3
2 s
朗肯循环热效率的计算
t
wnet q1
ws,12 ws,34 q1
h
一般很小，
1
占0.8~1%，
忽略泵功
t
h1 h1
h2 h3
4
2
3
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
太阳能、余热、地热发电
§11-1 朗肯循环
水蒸汽动力循环系统
汽轮机
四个主要装置：
锅
锅炉
炉
发电机
汽轮机
凝汽器
凝汽器 给水泵
给水泵
一、水蒸气动力循环系统的简化
简化（理想化）：
1 汽轮机 12 汽轮机 s 膨胀
锅
23 凝汽器 p 放热
炉
发电机 34 给水泵 s 压缩
4
2
41 锅炉 p 吸热
凝汽器
3 给水泵
忽略泵功
T 5
4’ 4
3
h4' h3
1
可逆朗肯循环效 率
t
h1 h1
h2 h3
汽机相对内 效率
oi
h1 h2' h1 h2
2 2’
s
例：某蒸汽朗肯循环，进入汽轮机的蒸汽初
参数为p1=30×105Pa，t1=450℃，绝热膨胀
后的乏汽压力为p2=0.04×105Pa，如果蒸汽
流量为30T/h，试求汽轮机的功率。如果汽轮
• x2' 不利于汽
轮机安全。一般 要求出口干度大 于0.85~ 0.88
2.蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
p1 , p2不变，t1
T
5 4
3
1'
1 6
2 2'
s
优点：
• T1 t
• x2' ，有利于汽机
安全。
缺点：
• 对耐热及强度要 求高，目前初温 一般在550℃左右
• v2' 汽机出口
尺寸大
3.乏汽压力对朗肯循环热效率的影响
朗肯循环
朗肯循环pv图
p 4
3
12 汽轮机 s 膨胀
23 凝汽器 p 放热
1
34 给水泵 s 压缩
41 锅炉 p 吸热 2
v
12 汽朗轮机肯s循膨环胀T-s和2h3 -凝s汽图器 p 放热
34 给水泵 s 压缩
41 锅炉 p 吸热T Nhomakorabeah
1
1
4
4
2
3
2
3
s
s
二、朗肯循环功和热的计 算 汽轮机作功： ws,12 h1 h2
• p1<10MPa，一般不采用再热
• 我国常见机组，10、12.5、20、30万机 组，p1>13.5MPa，一次再热
• 超临界机组， t1>600℃，p1>25MPa， 二次再热
蒸汽再热循环的定量计算
吸热量：
T 5
4
1a 6b
q1 h1 h4 ha hb
T
5 4 3
1a 6b
2 s
1
再 热
4
b 2
a
3
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3
• 再热循环本身不一
1a d 6b
c
定提高循环热效率
• 与再热压力有关 • x2降低,给提高初 压创造了条件，选 取再热压力合适，
2
一般采用一次再热
可使热效率提高2
s ％～3.5％。
蒸汽再热循环的实践
• 再热压力 pb=pa0.2~0.3p1
机的效率为85%，则汽轮机实际功率为多少？
作T—s图。 T
1
5
6
4
2‘
3
2
s
提高循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式
提高初温度 提高初压力 降低乏汽压力 再热循环
回热循环
联合循环
热电联产 燃气-蒸汽联合循环
IGCC 新型动力循环 PFBC-CC
…...
§11-2 蒸汽再热循环(reheat)
s • wnet卡诺小
三、如何提高朗肯循环的热效率
T
5 4
3
t
h1 h1
h2 h3
1
影响热效率的
参数？
6
p1 t1 p2
2
s
1.蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T
5'
5
4'
4 3
1' 1 6'
6
2' 2
s
优点：
• T1 t
• v2' ，汽轮机出口
尺寸小
缺点： • 对强度要求高
p1 , t1不变，p2
优点：
• T2 t
T
5 4
4' 3 3'
1 6
2
2'
s
缺点：
•受环境温度限制， 现在大型机组p2为 0.0035~0.005MPa， 相应的饱和温度约为 27~ 33℃ ，已接近事 实上可能达到的最低 限度。冬天热效率高
蒸汽动力循环冷却水系统
蒸汽动力循环冷却水系统实体
国产锅炉、汽轮机发电机组的 初参数简表
汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h
1(k W
h)
功量所消耗的蒸汽量kg
1( kJ ) 3600(s) 3600(kJ)
d
3600 wnet
s
d
wnet
(
k k
J g
)
3600(k
J
)
d 3600(kJ) 3600 (kg)
wnet
(
k k
J g
)
wnet
朗肯循环与卡诺循环比较
T 4'
9 5