工程热力学第10章解析.ppt

第十章 蒸汽动力装置循环 Vapor power cycles 10-1 简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环 10-2 再热循环 10-3 回热循环 *10-4 热电合供 *10-5 燃气-蒸汽联合循环 1 –讲授： 第十章 蒸汽动力装置循环 •10-1 简单蒸汽动力装置循环—朗肯循环 2 本章基本要求: • 熟练掌握 ü水蒸汽朗肯循环、回热循环、再热循环; ü热效率计算及提高热效率的方法和途径 本章重点: 1、熟悉朗肯循环图示与计算； 2、朗肯循环与卡诺循环； 3、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响； 4、再热、回热原理及计算； 3 动力循环研究目的和分类 ØØ 动力循环：动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得 的热量热量的一部分转换成对外的净功热机的工作循热机的工作循 环称为环称为动力循环动力循环 ØØ 分类分类 按工质按工质 气体动力循环：气体动力循环： 蒸汽动力循环：蒸汽动力循环： 工质：空气，理想气体 工质：水蒸汽，实际气体 活塞式 ØØ 研究目的：研究目的：以获得功为目的 合理安排循环，提高热效率 内燃机 外燃机 叶轮式 4 1、四个主要装置： ü 锅炉 ü 汽轮机 ü 凝汽器 ü 给水泵 §10-1 蒸汽动力基本循环—朗肯循环 一、装置和流程 锅 炉 汽轮机 发电机 给水泵 凝汽器 5 2、流程 简化（理想化）：两个定压过程和两个定熵过程 12 汽轮机，过热水蒸气 s 膨胀 33’给水泵，凝结水 s 压缩 3’ 45  1 锅炉，水 p 吸热 变为过热水蒸气 凝汽器 发电机 锅 炉 汽轮机 给水泵 1 2 3 4 3 ’ 5 23 凝汽器，湿蒸汽 p T 放热 6 1 3 3’ 2 p v 水蒸气朗肯循环p-v图 12 汽轮机，过热水蒸汽 s 膨胀 3’ 45  1 锅炉，水 p 吸热 变过热水蒸汽 23 凝汽器，湿蒸汽 p T 放热 4 5 凝汽器 锅 炉 汽轮机 发电机 给水泵 1 2 3 4 3’ 5 33’给水泵，凝结水 s 压缩 7 32 T s h s 3 2 郎肯循环T-s图和h-s图 3’ 1 5 4 1 3 ’ 5 4 12 汽轮机，过热水蒸汽 s 膨胀 3’ 45  1 锅炉，水 p 吸热 变过热水蒸汽 23 凝汽器，湿蒸汽 p T 放热 33’给水泵，凝结水 s 压缩 8 • 讲授： 10-1 提高蒸汽动力循环热效率的途径 10-2 再热循环 10-3 回热循环 •复习： 10-1 水蒸气朗肯循环原理 第十九次课 第十章 蒸汽动力装置循环 9 2. 水蒸气朗肯循环 1）流程图 2）p-v，T-s及h-s图 10 二、朗肯循环的能量分析及热效率 1kg水蒸汽，汽轮机作功： 凝汽器中的定压放热量： 水泵绝热压缩耗功： 锅炉中的定压吸热量： h s 3 2 1 3 ’ 5 4 整个装置作热力系统： 11 郎肯循环热效率的计算 水泵耗功一般很小，占0.8~1%， 忽略泵功 h s 3 2 1 3 ’ 5 4 12 s p1, t1, p2 5 4 3’ 32 1 三、如何提高朗肯循环的热效率 影响热效率 的参数？ T 13 • 讲授： 10-1 提高蒸汽动力循环热效率的途径 10-2 再热循环 10-3 回热循环 •复习： 10-1 水蒸气朗肯循环原理 第十九次课 第十章 蒸汽动力装置循环 14 朗肯循环与卡诺循环比较 • 卡诺循环热效率： • 提高动力循环热效率的基本途径： 提高热源温度与降低冷源温度。

• 以等效卡诺循环代替朗肯循环 • 工质在锅炉中的吸热量等效为： q1=面积3451673=等效矩形面积98679 15 提高蒸汽动力循环热效率的途径 改变循环参数改变循环参数 提高初温度 t1 提高初压力 p1 降低排汽压力 p2 改变循环形式改变循环形式 回热循环 再热循环 改变循环形式改变循环形式 热电联产 燃气-蒸汽联合循环 新型动力循环 朗肯循环 16 1、蒸汽初压p1对朗肯循环热效率的影响 t1 , p2不变，p1 优点： • • ，汽轮机出口尺寸小 缺点： • 对强度要求高； • 不利于汽轮机安全； •一般要求出口干度大于0.88 循环平均温差增大 17 s T 6 5 4 32 1 2、蒸汽初温t1对朗肯循环热效率的影响 优点： • • ， 有利于汽机安全 缺点： • 对耐热及强度要求高， 目前最高初温一般在 550℃左右; • 汽机出口尺寸大 p1 , p2不变，t1增加循环的高温加热段，循环温差增大 18 s T 6 5 4 3 2 1 3、排汽压力（背压）p2对朗肯循环热效率的影响 优点： • 缺点： •受环境温度限制（t2t0）， 现在大型机组p2为3~4KPa， 相应的饱和温度约为24~ 29℃ ，已接近事实上可能达 到的最低限度。

一般冬天热 效率高 p1 , t1不变，p2增加循环平均温差 19 • 假定某朗肯循环的蒸汽参数为： 试计算当试计算当 （1）初态焓值及循环的加热量； （2）凝结水泵耗功量及进出口水的温差； （3）汽轮机做功量及循环净功； （4）汽轮机的排气干度； （5）循环热效率 例例题题1: 1: 20 解：由解：由h-sh-s图，图， 23 凝汽器，湿蒸汽 p T 放热 （1）初态焓值及循环的加热量； 循环的加热量循环的加热量 且，且，3 3点点为饱为饱为饱为饱和水和水态态态态， ，查饱查饱查饱查饱和水与和水与饱饱饱饱和水蒸汽表（按和水蒸汽表（按压压压压力排列）力排列） 21 （（1 1）循环的加热量：）循环的加热量： 锅炉入口的焓值：锅炉入口的焓值： （ （2 2） ）凝结水泵耗功量凝结水泵耗功量 进出口水的温差：进出口水的温差： l由于水的压缩压缩性很小，水在经过经过水泵泵定 熵熵加热热后，温度升高极小，所以进进出口水 的温差近似为为零 22 12 汽轮机，过热水蒸汽 s 膨胀 （4）汽轮轮机的排气干度 （3）汽轮轮机的做功量和循环净环净功 循环净环净功 23 （5）循环热环热效率 24 例例2 2, ,一理想朗肯循环环，以水作为为工质质，在循环环最高压压 力为为14MPa（p1），循环环最高温度为为（t1）540℃，和循环环 最低压压力为为（p2）5KPa下运行。

若忽略水泵泵耗功，试试求 （1）平均放热热温度，（2）平均吸热热温度，（3）利用平均 吸热热温度和平均放热热温度计计算循环环效率 25 解：由解：由h-sh-s图，图， 初态焓值及循环的加热量； t2即为平均放热温度 23 凝汽器，湿蒸汽 p T 放热 26 平均吸热温度：平均吸热温度： 3 3点为饱和水态点为饱和水态，查饱和水与饱和水蒸汽表（按压力排列），查饱和水与饱和水蒸汽表（按压力排列） 27 循环热环热效率 28 作业 • 习题： – P345, NO.10-3 29 30 提高蒸汽动力循环热效率的途径 改变循环参数改变循环参数 提高初温度 t1 提高初压力 p1 降低排汽压力 p2 改变循环形式改变循环形式 回热循环 再热循环 改变循环形式改变循环形式 热电联产 燃气-蒸汽联合循环 新型动力循环 郎肯循环 31 10-2 再热循环（reheat cycle） 一一 再热的目的：再热的目的：克服克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大造成的危害汽轮机尾部蒸汽湿度太大造成的危害 再热循环：再热循环：将汽轮机高压段中膨胀到将汽轮机高压段中膨胀到一定压力的蒸汽重新引到锅一定压力的蒸汽重新引到锅 炉炉的中间加热器的中间加热器( (称为再热器称为再热器) )加热升温，加热升温， 然后再送入汽轮机使之然后再送入汽轮机使之 继续膨胀作功。

继续膨胀作功 T s 5 4 3 1 6 1′ 2′ 6 1′ 2′ 32 再热循环（reheat cycle） 一、设备流程及T-s图 33 二、再热对循环效率的影响 忽略泵功： 其他影响： ü x末上升（根本目的）； ü 中间压力p6在（20%～30%）p1,对热效率提高作用大； ü 含湿量d0下降； ü 复杂化，投资上升 ht ？ 热效率： 34 一、抽汽回热循环（regenerative cycle with steam extraction） 回热器两种方式 1. 混合式 10-3 回热循环 目的：提高等效卡诺循环的平均吸热温度 35 2. 间壁式 36 目的：提高等效卡诺循环的平均吸热温度 一、抽气式回热循环 热效率：热效率： 37 蒸汽抽汽回热循环的特点 ü小型火力发电厂回热级数一般为1～3级； ü中大型火力发电厂一般为 4～8级 •优点： l 提高热效率； l 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短； l 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面； l 可兼作除氧器 •缺点： l 循环比功减小，汽耗率增加； l 增加设备复杂性； l 回热器投资大； 缺点 38 二、回热循环计算 1. 抽汽量 忽略泵功 2. 回热器(regenerator)R 熵方程： 热平衡方程： 4 4 0101′ 39 3. 循环热效率 讨论： 1）抽汽回热ηt 上升； 2）抽汽级数越多ηt 越高 ，若级数趋向无穷， ηt =1？ 40 思考：1）抽汽回热循环 否 2）回热器是间壁式，α怎么求？ 3）回热器中过程不可逆，为什么 循环ηt 上升？ 41 例A466266再热—回热循环循环理论热效率 例A460200二级抽汽回热抽汽量，循环内部热效率，（研究生） 42 作业 • 采用再热循环和回热循环的主要目的？ • 答：再热循环：提高乏气干度，同时提高 热效率。

回热循环：提高等效卡诺循环的平均吸 热温度，同时提高热效率 43 其他学习资料 44 10-4 热电合供（power-and-heating plant cycle） 一、背压式设备流程及T-s图 特点—发电量受热负荷制约 45 二、抽汽凝汽式设备流程及T-s图 特点—热负荷变动对电能生产影响较小，热效率较背压机组高 46 三、热量利用系数 循环热量利用系数 循环热量利用系数没有区分热能与电能的本质差别； 循环热效率没考虑低温热能的可利用性 循环热效率 热电厂热量利用系数 47 10-5 燃气-蒸汽联合循环 燃-蒸联合循环 （combination steam turbine-gas turbine cycle） 燃气-蒸汽联合循环型式之一 （无补燃） 燃气-蒸汽联合循环型式之二 （补燃式） 48 49 燃气-蒸汽联合循环型式之三——热电合供 下一章 50 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 10-1 简单蒸汽动力装置循环—朗肯循环 一、概述 51 1. 水蒸气的卡诺循环 水蒸气卡诺循环有可能实现，但： 1）温限小 2）膨胀末端x太小 3）压缩两相物质的困难 实际并不实行 卡诺循环 二、朗肯循环 (Rankine cycle) 52 2. 水蒸气朗肯循环 1）流程图 2）p-v，T-s及h-s图 53 3）朗肯循环的热效率 ? ? ? 54 若忽略水泵功，同时近似取h4h3，则 4）耗汽率(steam rate)及耗汽量 理想耗汽率(ideal steam rate) d0 —装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量 耗汽量 55 三、初参数对朗肯循环热效率的影响 1. 初温t1 或 循环1t2t3561t =循环123561+循环11t2t21 56 2. 初压力 p1 但 x2下降且 p太高造成强度问题 57 3. 背压 p2 但受制于环境温度，不能任意 降低 同时，x2下降 讨论： 我国幅员辽阔，四季温差大，对蒸。