工程熱力學(xué)蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)

1、第十章 蒸汽動(dòng)力循環(huán)蒸汽動(dòng)力裝置：是實(shí)現(xiàn)熱能機(jī)械能的動(dòng)力裝置之一。工質(zhì) ：水蒸汽。用途 ：電力生產(chǎn)、化工廠原材料、船舶、機(jī)車等動(dòng)力上的應(yīng)用。本章重點(diǎn)：1、蒸汽動(dòng)力裝置的基本循環(huán) 朗肯循環(huán)回?zé)嵫h(huán)2、蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)熱效率分析 yT的計(jì)算公式 yT的影響因素分析 yT的提高途徑10-1 水蒸氣作為工質(zhì)的卡諾循環(huán)熱力學(xué)第二定律通過(guò)卡諾定理證明了在相同的溫度界限間，卡諾循環(huán)的熱效率最高，但實(shí)際上存在種種困難和不利因素，使得實(shí)際循環(huán)（蒸汽動(dòng)力循環(huán)）至今不能采用卡諾循環(huán)但卡諾循環(huán)在理論上具有很大的意義。二、為什么不能采用卡諾循環(huán)若超過(guò)飽和區(qū)的范圍而進(jìn)入過(guò)熱區(qū)則不易保證定溫加熱和定溫放熱，即不能按卡諾循環(huán)

2、進(jìn)行。1C52pv1-2 絕熱膨脹（汽輪機(jī)）2-C 定溫放熱（冷凝汽） 可以實(shí)現(xiàn)5-1 定溫加熱（鍋爐）C-5 絕熱壓縮（壓縮機(jī)） 難以實(shí)現(xiàn)原因：2-C過(guò)程壓縮的工質(zhì)處于低干度的濕汽狀態(tài) 1、水與汽的混合物壓縮有困難，壓縮機(jī)工作不穩(wěn)定，而且3點(diǎn)的濕蒸汽比容比水大的多需比水泵大得多的壓縮機(jī)使得輸出的凈功大大減少，同時(shí)對(duì)壓縮機(jī)不利。2、循環(huán)僅限于飽和區(qū)，上限T1受臨界溫度的限制，即使是實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)，其理論效率也不高。3、膨脹末期，濕蒸汽所含的水分太多不利于動(dòng)機(jī) 為了改進(jìn)上述的壓縮過(guò)程人們將汽凝結(jié)成水，同時(shí)為了提高上限溫這就需要對(duì)卡諾循環(huán)進(jìn)行改進(jìn)，溫度采用過(guò)熱蒸汽使T1高于臨界溫度，改進(jìn)的結(jié)果就是下

3、面要討論的另一種循環(huán)朗肯循環(huán)。10-2 朗肯循環(huán)過(guò)程：從鍋爐過(guò)熱器與出來(lái)的過(guò)熱蒸汽通過(guò)管道進(jìn)入汽輪機(jī)T，蒸汽部分熱能在T中轉(zhuǎn)換為機(jī)械帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，作了功的低壓乏汽排入C，對(duì)冷卻水放出，凝結(jié)成水，凝結(jié)成的水由給水泵P送進(jìn)省煤器D進(jìn)行預(yù)熱，然后在鍋爐內(nèi)吸熱汽化，飽和蒸汽進(jìn)入S繼續(xù)吸熱成過(guò)熱蒸汽，過(guò)程可理想化為兩個(gè)定壓過(guò)程，兩個(gè)絕熱過(guò)程朗諾循環(huán)。1-2 絕熱膨脹過(guò)程，對(duì)外作功2-3 定溫（定壓）冷凝過(guò)程（放熱過(guò)程）3-4 絕熱壓縮過(guò)程，消耗外界功4-1 定壓吸熱過(guò)程，（三個(gè)狀態(tài)）4-1過(guò)程：水在鍋爐和過(guò)熱器中吸熱由未飽和水變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽過(guò)程中工質(zhì)與外界無(wú)技術(shù)功交換。1-2過(guò)程：過(guò)熱蒸汽在汽掄機(jī)中絕熱

4、膨脹，對(duì)外作功，在汽輪機(jī)出口工質(zhì)達(dá)到低壓低溫蒸汽狀態(tài)稱乏汽。2-3過(guò)程：在冷凝器中乏汽對(duì)冷卻水放熱凝結(jié)為飽和水。3-4過(guò)程：水泵將凝結(jié)水壓力提高，再次送入鍋爐，過(guò)程中消耗外功。朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)1）乏汽凝結(jié)是完全的，不是只與C點(diǎn)而一直進(jìn)行到（3）點(diǎn)，全部液化。2）汽輪機(jī)采用過(guò)熱整齊（不是飽和蒸汽）。3）過(guò)熱區(qū)、過(guò)冷區(qū)加熱是高壓。 缺點(diǎn)在過(guò)冷區(qū)，高壓加熱，減少平均溫差對(duì)熱效率是不利的，但對(duì)簡(jiǎn)化設(shè)備有很大的好處。1、 壓縮比容為Q2的水較壓縮比容vc的水汽混合物容易得多，簡(jiǎn)化設(shè)備用泵代替壓縮機(jī)。2、采用過(guò)熱蒸汽對(duì)增加了平均吸熱溫度膨脹終了時(shí)乏氣的干度增加，這些都是有利的。二、朗肯循環(huán)熱效率 用T-

5、S圖分析，設(shè)工質(zhì)是1kg。則1kg工質(zhì)定壓過(guò)程總的吸熱量q1=h1-h4則1kg工質(zhì)定壓過(guò)程總的吸熱量q2=h2-h3故循環(huán)有效吸熱量 q0=q1-q2=（h1-h4）-（h2-h3）1kg工質(zhì)在T中絕熱過(guò)程所作的功 1kg工質(zhì)在P中絕熱過(guò)程消耗的功 故循環(huán)凈功 則 由于過(guò)冷水在泵中絕熱壓縮過(guò)程，水具有不可壓縮性故水溫變化很小。 即 故 即 上式可簡(jiǎn)化： 參數(shù)確定：、可表示or圖，只可查表三、改變水蒸氣參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)熱效率的影響 1.提高蒸汽初溫對(duì)熱效率的影響 設(shè)初壓p1const，乏汽壓力p2const, T1 T1' (Tm1' Tm1 ) 。 過(guò)程2'-3和原過(guò)程

6、2-3放熱溫度相同，即 Tm2' Tm2 T2   于是，由等效卡諾循環(huán)的熱效率公式t1(T2/Tm1)可知，蒸汽初溫由T1提高到T1'時(shí)，朗肯循環(huán)的熱效率提高。 此外，當(dāng)蒸汽的初溫提高時(shí)，如果蒸汽的初壓不變，絕熱膨脹終了狀態(tài)比原狀態(tài)2有較大的干度。乏汽的干度增大。   說(shuō)明乏汽中含有的水分減少，這有利于減少汽輪機(jī)內(nèi)部的功耗散，也有利于改善汽輪機(jī)葉片的工作條件。但另一方面，為提高蒸汽的初溫，則要求鍋爐過(guò)熱器所用材料具有較好的耐熱性。2.提高蒸汽初壓對(duì)熱效率的影響 設(shè)初溫T1 const，乏汽壓力p2 const。p1p1'(Tm1'

7、 Tm1 ) 。 過(guò)程2'-3和原過(guò)程2-3放熱溫度相同，即 Tm2' Tm2 T2 于是，根據(jù)等效卡諾循環(huán)的熱效率公式t1(T2/Tm1)可知，提高蒸汽初壓p1，可使朗肯循環(huán)的熱效率提高。 當(dāng)提高蒸汽的初壓時(shí)，如果蒸汽的初溫不變，則絕熱膨脹終了狀態(tài)2'比原狀態(tài)2有較小的干度。 干度減小說(shuō)明乏汽中含有的水分增加，這會(huì)引起汽輪機(jī)內(nèi)部的耗散增加。特別是干度較低而水分過(guò)多 時(shí)，由于水滴的沖擊，汽輪機(jī)葉片的表面受破壞，甚至引起葉片振動(dòng)，影響葉片的使用壽命。因此，一般同時(shí)提高蒸汽的初溫及初壓，既能提高熱效率，又能保證汽輪機(jī)內(nèi)部良好的工作條件。 3.降低乏汽壓力對(duì)熱效率的影響 &#

8、160;  設(shè)初溫T1const，初壓p1const    降低乏汽的壓力p2與乏汽壓力相應(yīng)的飽和溫度也隨 著降低，放熱過(guò)程2'-3'要比原過(guò)程2-3有較低的放熱溫度 ，即T2T2。雖然這時(shí)加熱過(guò)程的起點(diǎn)T0也降低為T0'，但它對(duì)整個(gè)加熱過(guò)程的平均加熱溫度影響很小。 因而，由等效卡諾循環(huán)的熱效率公式可知，降低乏汽的壓力p2，可以提高朗肯循環(huán)的熱效率。 乏汽的凝結(jié)溫度主要取決于自然環(huán)境中冷卻介質(zhì)的溫度。當(dāng)乏汽的凝結(jié)溫度降低到28時(shí)，乏汽的壓力相應(yīng)地降低為0.0039MPa左右。 10-3 回?zé)嵫h(huán)（抽汽循環(huán)）上次課我們重點(diǎn)講了朗肯循環(huán)，水加熱

9、或過(guò)熱蒸汽不是在定溫下進(jìn)行的。所以朗肯循環(huán)熱效率小于同溫限間卡諾循環(huán)的熱效率。另外我們從它的狀態(tài)分析可知。當(dāng)時(shí) 時(shí)將水從29加熱到310，在朗肯循環(huán)中是直接由鍋爐的燃料燃燒釋放的熱量供給，產(chǎn)生1kg蒸汽所需的熱量中大約有50%的熱量被凝氣器中的水帶走，因而熱效率不變，所以為提高，蒸汽功力裝置都采用給水回?zé)釟獾幕責(zé)嵫h(huán)。一、 回?zé)嵫h(huán)為分析方便，以一次抽氣為例。如圖敘述，每千克狀態(tài)的新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)中絕熱膨脹到狀態(tài)時(shí)，即從汽輪機(jī)中抽出kg，被引進(jìn)回?zé)崞鳌中使之在定壓下凝結(jié)放熱。成為千克的飽積水，剩下的（）千克的蒸汽繼續(xù)絕熱膨脹到狀態(tài)然后進(jìn)入冷凝氣凝結(jié)成飽和水。經(jīng)給水泵進(jìn)入回?zé)釟?，在其中接受千?/p>

10、蒸汽凝結(jié)時(shí)放出的熱量，將溫度提高到并與千克蒸汽凝結(jié)成水R或1kg的飽和水。 然后由泵進(jìn)入鍋爐，接受外熱源加熱，在高壓下成為1kg的狀態(tài)新器。這種不是全部工作蒸汽在熱機(jī)中膨脹放熱而是取出其中一部分用以回?zé)峤o水抽氣回?zé)?、循環(huán)熱效率 根據(jù) a:的確定回?zé)嵫h(huán)中1kg蒸汽在汽輪機(jī)中所作的功可分兩部分，一部分是千克工質(zhì)從p1-p01所作的功，一部分為kg蒸汽從p1-p2所作的功，則 b: 的確定 為了與郎肯循環(huán)比較，確定首先：根據(jù)熱平衡得 or根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)方程從而可得 代入 得 結(jié)論：這一循環(huán)與朗肯循環(huán)不同之處（1） 水自2到的加熱不由外熱源供給（在鍋爐中吸熱量減?。?） 千克的蒸汽在作了一部分功后

11、不再向外熱源放熱向外熱源放熱的只有千克，因而減少了排向低溫?zé)嵩吹臒釗p失。循環(huán)中向外熱源吸入的熱量和向外熱源放出的熱量及都比朗肯循環(huán)中小，而增大.現(xiàn)代大型蒸汽動(dòng)力裝置大部分采用回?zé)岽胧Ｒ话愠槠責(zé)岬募?jí)數(shù)為38級(jí)，而且往往回?zé)岷驮贌嵬瑫r(shí)并用，以求使蒸汽動(dòng)力裝置得到盡可能高的熱效率。但這將使裝置的復(fù)雜性大為增加，裝置的投資成本也大為增加。 10-4 再熱循環(huán)    為了提高熱效率，可以采用再熱的方法來(lái)提高加熱過(guò)程的平均加熱溫度。   工作過(guò)程：當(dāng)蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹作功而壓力降低到某個(gè)中間壓力時(shí)，把蒸汽從汽輪機(jī)引出,送至再熱器重新加熱，使蒸汽的溫度再次達(dá)到較高

12、的溫度，然后送回汽輪機(jī)的低壓汽缸，進(jìn)一步膨脹作功。 采用再熱措施的理想循環(huán)稱為再熱循環(huán)。由0-1定壓吸熱過(guò)程，1-a絕熱膨脹過(guò)程，a-1'定壓再熱過(guò)程，1'-2'絕熱膨脹過(guò)程，2'-3定壓放熱過(guò)程，3-0絕熱加壓過(guò)程等組成。     要使整個(gè)加熱過(guò)程的平均加熱溫度比沒(méi)有再熱時(shí)的高，應(yīng)使a-1的平均加熱溫度高于0-1的平均加熱溫度。即a點(diǎn)的溫度不宜過(guò)低。當(dāng)再熱過(guò)程a-1'的平均加熱溫度高于加熱過(guò)程0-1的平均加熱溫度時(shí)，則循環(huán)的平均加熱溫度得以提高 。    由于平均加熱溫度提高，而平均放熱溫度不變，按等效

13、卡諾循環(huán)熱效率公式，可知再熱循環(huán)具有比朗肯循環(huán)高的熱效率。 再熱循環(huán)的熱效率可表示為 對(duì)比朗肯循環(huán)熱效率 則只有當(dāng) 時(shí)（即循環(huán)a-1-2-2-a的熱效率大于朗肯循環(huán)的熱效率），再熱循環(huán)具有比朗肯循環(huán)高的熱效率。 采用再熱措施時(shí)，乏汽的干度顯著的提高。因此在一定的蒸汽初溫的限制條件下，采用再熱循環(huán) 就可應(yīng)用更高的蒸汽初壓，使循環(huán)的熱效率得到進(jìn)一步提高。現(xiàn)代蒸汽動(dòng)力裝置中，蒸汽初壓高于13MPa的大型裝置都采用再熱措施。 105熱電循環(huán)一、 背壓式熱電循環(huán)用發(fā)電廠作了功的蒸汽的余熱來(lái)滿足熱用戶的需要，這種作法稱為熱電聯(lián)(產(chǎn))供。優(yōu)點(diǎn)：熱能利用率高缺點(diǎn)：熱負(fù)荷和電負(fù)荷不能調(diào)節(jié), 供熱參數(shù)單一二、 調(diào)

14、節(jié)抽氣式熱電循環(huán)抽汽式熱電聯(lián)供循環(huán), 可以自動(dòng)調(diào)節(jié)熱、電供應(yīng)比例，以滿足不同用戶的需要。它的實(shí)質(zhì)是利用氣輪機(jī)中間抽氣來(lái)供熱。例1：某朗肯循環(huán)的蒸汽參數(shù)取為=550，=30bar，=0.05bar。試計(jì)算1) 水泵所消耗的功量，2) 汽輪機(jī)作功量, 3) 汽輪機(jī)出口蒸汽干度, 4) 循環(huán)凈功， 5) 循環(huán)熱效率。解：根據(jù)蒸汽表或圖查得1、2、3、4各狀態(tài)點(diǎn)的焓、熵值：=3568.6KJ/kg =7.3752kJ/kgK=2236kJ/kg =7.3752kJ/kgK=137.8kJ /kg =0.4762kJ/kgK=140.9kJ/kg則 1) 水泵所消耗的功量為=140.9-137.78=3

15、.1kJ/kg2) 汽輪機(jī)作功量=3568.6-2236=1332.6kJ/kg3) 汽輪機(jī)出口蒸汽干度=0.05bar時(shí)的=0.4762kJ/kgK =8.3952kJ/kgK.則 0.87或查h-s圖可得 =0.87.4) 循環(huán)凈功 =1332.6-3.1=1329.5kJ/kg5) 循環(huán)熱效率 =3568.6-140.9=3427.7KJ/kg故 =0.39=39%圖10.1 朗肯循環(huán)的T-s圖圖10.2 理想再熱循環(huán)的T-s圖 例2：在一理想再熱循環(huán)中，蒸汽在68.67bar、400下進(jìn)入高壓汽輪機(jī)，在膨脹至9.81bar后，將此蒸汽定壓下再熱至400，然后此蒸汽在低壓汽輪機(jī)中膨脹至0

16、.0981bar，對(duì)每公斤蒸汽求下列各值：（1）高壓和低壓汽輪機(jī)輸出的等熵功；（2）給水泵的等熵壓縮功；（3）循環(huán)熱效率；（4）蒸汽消耗率。解：參考圖10.2理想再熱循環(huán)的T-s圖。在狀態(tài)點(diǎn)3的壓力p3=68.67bar，溫度t3=400。從水蒸汽表查得h3=3157.26kJ/kg·K，s3=6.455kJ/kg·K，v3=0.04084m3/kg。從點(diǎn)3等熵膨脹至43，p4=9.81bar，從h-s圖查得h4s=2713.05kJ/kg。在點(diǎn)5的壓力p5=9.81bar，溫度ts=400，從水蒸汽表查得h5=3263.61kJ/kg, v5=0.3126m3/kg。從點(diǎn)5等熵膨脹至6s，6s點(diǎn)的壓力p6s=0.0981bar，從h-s圖查得h6s=2369.76kJ/kg。在狀態(tài)點(diǎn)1，壓力p1=0.0981bar，液體的焓h1=190.29kJ/kg，液體的比容v1=0.001m3/kg。（1）高壓汽輪機(jī)輸出的等熵功；wt(h)=h3-h4s=3157.26-2713.05=444.21 kJ/kg低壓汽輪機(jī)的輸出功：wt(L)=hs-h6s=3263.61-2369.76=893.88 kJ/kg(2)假設(shè)液體的比容保持常數(shù)，給水泵的等熵壓縮功為：wp=v(p2s-p1)=0.001(6867-9.81