工程热力学WORD版第11篇蒸汽动力循环

第11章蒸汽动力循环
一、教案设计
教学目标: 使学生熟练掌握水蒸气朗肯循环、回热循环、再热循环和热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方式和途径。

知识点：朗肯循环、回热循环、再热循环和热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方式和途径
重点：分析朗肯循环的分析方式，提高循环循环效率的方式和途径。

难点：回热循环、再热循环和热电循环；提装置循环效率的方式和途径。

教学方式：教学+多媒体演示+课堂讨论
师生互动设计：提问+启发+讨论
☺问：自己观察过身旁的热力系统的状态转变吗？
☺问：你以前明白热力系统的状态转变往往伴随着系统与外界间能量的互换吗？
☺问：你明白温度计什么原理吗？温度计测温的理论依据你试探过吗？
☺问：用过压力计吗？氧气瓶上压力表读数是瓶中的真实压力吗？
☺问：能举出几个具体的强气宇、广延量？热力进程、热力循环？
☺问：爆炸进程能以为是准静态进程吗？
☺问：你能说出进程量与状态量的区别吗？请具体举例。

☺问：你碰到的哪些现象属于不可逆现象？
学时分派：4学时+2讨论
二、大体知识
热机：将热能转换为机械能的设备叫做热力原动机。

热机的工作循环称为动力循环。

动力循环：可分蒸汽动力循环和气动力循环两大类。

第一节 蒸汽动力大体循环一朗肯循环
朗肯循环是最简单的蒸汽动力理想循环，热力发电厂的各类较复杂的蒸汽动力循环都是在朗肯循环的基础上予以改良而取得的。

一、装置与流程
蒸汽动力装置：锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵等四部份主要设备。

工作原理：p-v 、T-s 和h-s 。

朗肯循环可理想化为：两个定压进程和两个定熵进程。

3’-4-5-1水在蒸汽锅炉中定压加热变成过热水蒸气， 1-2过热水蒸气在汽轮机内定煽膨胀，
2-3湿蒸气在凝汽器内定压(也定温)冷却凝结放热， 3-3’凝结水在水泵中的定情紧缩。

二、朗肯循环的能量分析及热效率 取汽轮机为控制体，成立能量方程:
3
12
1h h h h --=
η
三、提高朗肯循环热效率的大体途径 依据：卡诺循环热效率 1．提高平均吸热温度
直接方式式提高蒸汽压力和温度。

2．降低排气温度
..
例1：某朗肯循环的蒸汽参数取为1t =550C 0，1p =30bar ，2p =。

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：按照蒸汽表或图查得1、2、3、4各状态点的焓、熵值：
1h =kg 1s =kgK
2h =2236kJ/kg 2s =kgK 3h = /kg 3s =kgK
4h =kg
则 1) 水泵所消耗的功量为
34h h w p -== 汽轮机作功量
21h h w t -===kg
3) 汽轮机出口蒸汽干度
2p =时的'2s =kgK "
2s =kgK.
则 =--='
2
"2'
2
2s s s s x 或查h-s 图可得 x =.
4) 循环净功
p T w w w -=0= 循环热效率
411h h q -= =故 1
q w T =
η ==39% （i ）p 3a =，t 3a =490℃ 水泵的功8.0)(12÷-=p p v w a p = w net = p 3b = bar ，t 3b =490℃ 水泵的功8.0)(12÷-=p p v w b p =÷= kJ/kg w net = kJ/kg
第二节 回热循环与再热循环
目的：提高等效卡诺循环的平均吸热温度
一、回热循环
抽气回热循环：用分级抽汽来加热给水的实际回热循环。

设有1kg 过热蒸汽进入汽轮机膨胀作功。

当压力降低至6p 时，由汽轮机内抽取α1kg 蒸汽送入一号回热器，其余的(1-α1) kg 蒸汽在汽轮机内继续膨胀，到压力降至8p 时再抽出α2kg 蒸汽送入二号回热器，汽轮机内剩余的(1-α1-α2) kg 蒸汽则继续膨胀，直到压力降至2p 时进入凝汽器。

凝结水离开凝汽器后，依次通过二号、一号回热器，在回热器内前后与两次抽汽混合加热，每次加热终了水温可达到相应抽汽压力下的饱和温度。

注意：电厂都采用表面式回热器(即蒸汽不与凝结水相混合),其抽汽回热的作用相同。

7
12821861510)
)(1())(1()(h h h h h h h h q w ----+--+-==
αααη
二、再热循环
再热的目的：克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大造成的危害。

再热循环：将汽轮机高压段中膨胀到必然压力的蒸汽从头引到锅炉的中间加热器(称为再热器)加热升温， 然后再送入汽轮机使之继续膨胀作功。

)
()()()(6'131'2'1610h h h h h h h h q w -+--+-==
η 例2：某蒸汽动力循环。

汽轮机入口蒸汽参数为p 1=，t 1=370℃,汽轮机出口蒸汽参数为p 2=的干饱和蒸汽，设环境温度t 0=20℃,试求：（1）汽轮机的实际功量、理想功量、相对内效率；（2）汽轮机的最大有效功量、熵效率；（3）汽轮机的相对内效率和熵效率的比较。

解：先将所研究的循环表示在h-s 图（图）上，然后按照已知参数在水蒸气图表上查出有关参数：
h 1=kg s 1=(kg ·K) 1.257722
2=''=''='h h h kJ/kg 2295.822
2=''=''='s s s kJ/(kg ·K)9.1732=''h kJ/kg 5926.02=''s kJ/(kg ·K)
kg
kJ h h x h h /9.2259)9.17325771(8684.09.173)(2222
2=-+='-''+'='''''
(1)汽轮机的实际功量：w 12=h 1-h 2= kJ/kg
汽轮机的理想功量：8.9349.22597.31942121=-=-=''h h w kJ/kg 汽轮机的相对内效率
8684.05926.02295.85926.02244.722
2
22=--='-'''-=
''''''s s s s x
661.08
.9346
.6172112===
η'w w ri （2）汽轮机的最大有效功和熵效率 汽轮机的最大有效功
kg
kJ s T h s T h e e w x x n /1.912)2295.22931.2577()2244.72937.3194()
()(20210131max =⨯--⨯-=---=-=⋅ 汽轮机的熵效率：677.01
.9126
.617max 123===
η⋅n x w w （3）汽轮机的相对内效率和熵效率的比较
计算结果表明，汽轮机的对内效率ri η小于熵效率exo η。

因为这两个效率没有直接联系，它们表明汽轮机完善性的依据是不同的。

汽轮机的相对内效率ri η是衡量汽轮机在给定环境中，工质从状态可逆绝热地过渡到状态2所完成的最大有效功量（即两状态熵的差值）利用的程度，即实际作功量与最大有效功量的比值。

注意：汽轮机内工质实现的不可逆进程1-2，可由定熵进程1-2’和可逆的定压定温加热进程2’-2两个进程来实现。

定熵进程1-2’的作功量为
8.9342121=-=''h h w kJ/kg
在可逆的定压定温加热进程2′-2中，使x 2′=的湿蒸汽经加热变成相同压力下的干饱和蒸汽，其所需热量为q 2=h 2-h 2′。

因为加热进程是可逆的，故能够想象用一可逆热泵从环境（T 0=293K ）向干饱和蒸汽（T 2=）放热。

热泵消耗的功量为 w 2′2=q 2-T 0
7.22)()(220222
2
=---=''s s T h h T q kJ/kg 。

故1-2进程的最大有效功为
1.9127.228.9342221max =-=-=''•w w w n kJ/kg
与前面计算结果相同。

显见，ri η与ex η的不同为2112
'
=ηw w ri 而 2
22112
max 12''•+==
ηw w w w w n ex
第三节 热电循环
一、背压式热电循环 长处：热能利用率高
缺点：热负荷和电负荷不能调节
二、调节抽气式热电循环
实质：利用气轮机中间抽气来供热。

三、 本章总结
提高动力循环的效率的大体途径： 1. 提高平均吸热温度 2. 减小不可逆因素
四、作业与讨论
作业：试探题一、2；习题11-3、11-六、11-7 讨论：如何提高现代蒸汽动力循环的热效率？。