第七章-蒸汽动力循环

1、2021-6-18第七章第七章蒸汽动力循环蒸汽动力循环7.1.1 Rankine(朗肯朗肯)循环循环7.1.2 Rankine循环的改进循环的改进 2021-6-18前言前言循环：循环：l体系从初态开始，经历一系列的中间状态，又重体系从初态开始，经历一系列的中间状态，又重新回到初态，此封闭的热力学过程称为循环。新回到初态，此封闭的热力学过程称为循环。蒸汽动力循环：蒸汽动力循环：l是以水蒸汽为工质，将是以水蒸汽为工质，将热连续地转变成功热连续地转变成功的过程，的过程，其主要设备是各种热机。其主要设备是各种热机。l产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂2021-6

2、-18前言前言33004002223NHHNatmC ，合成氨合成氨如何将如何将1atm 300atm?需要压缩机，消耗动力。需要压缩机，消耗动力。中国中国60年代，年代，15001800度度电电/吨吨NH3。中国中国70年代，仅年代，仅1030度电度电/吨吨NH3。这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。电电高温热源高温热源废热锅炉，产生废热锅炉，产生高压蒸汽高压蒸汽压缩机压缩机 (氢循环压缩机氢循环压缩机)透平机透平机2021-6-18l流体通过压缩机、膨胀机流体通过压缩机、膨胀机sWQuZgH 227.1 7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环 u20，g Z0

3、，若绝热过程若绝热过程Q=0lWs= H= H2-H1l高压高温高压高温蒸汽带动透平产生蒸汽带动透平产生轴功轴功。l（流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的（流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的能量，称为能量，称为轴功轴功Ws。）2021-6-18锅炉锅炉透透平平机机水泵水泵冷冷凝凝器器过过热热器器23417.1 7.1 蒸汽动力循环蒸汽动力循环3 4水在水泵中被压缩升压。水在水泵中被压缩升压。4 1 进入锅炉被加热汽化，直进入锅炉被加热汽化，直至成为至成为过热蒸汽过热蒸汽后。后。1 2 进入透平机膨胀作功。进入透平机膨胀作功。2 3 作功后的低压作功后的低压湿湿蒸汽进蒸汽进入冷凝器被冷凝成

4、入冷凝器被冷凝成水水，再回到，再回到水泵中，完成一个循环。水泵中，完成一个循环。蒸汽动力循环原理蒸汽动力循环原理蒸汽动力循环蒸汽动力循环主要由主要由水泵水泵、锅锅炉炉、透平机透平机和和冷凝器冷凝器组成。组成。2021-6-18锅炉锅炉水泵水泵冷冷凝凝器器透透平平机机2413原理原理水压缩水压缩水水加加热热至至过过热热蒸蒸汽汽蒸蒸汽汽作作功功蒸蒸汽汽冷冷凝凝成成水水理想理想Rankine循环循环123TS4等等S膨膨胀胀等等S压压缩缩等压吸热等压吸热相变相变3 4 饱和水饱和水可逆绝热压缩过程。可逆绝热压缩过程。（等（等S）4 1 高压水高压水等压升温和汽化，等压吸热过程等压升温和汽化，等压吸热

5、过程1 2 过热蒸汽过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。可逆绝热膨胀过程。（等（等S）2 3 湿蒸汽湿蒸汽等压等温可逆冷却为等压等温可逆冷却为饱和水饱和水（相变）。（相变）。7.1.1 Rankine (朗肯朗肯)循环循环2021-6-18卡诺循环的缺点卡诺循环的缺点TS锅炉加热锅炉加热4123透平机后的乏气透平机后的乏气,汽汽+液液汽汽+液液泵泵冷凝器冷凝器透透平平机机缺点之二缺点之二:对于泵易对于泵易产生气缚产生气缚现象现象缺点之一缺点之一:透平机要求干度透平机要求干度X0. 9但但2点的点的X0.88易损坏叶片易损坏叶片结论结论:卡诺循环不卡诺循环不适合变热为功适合变热为功!2021-6-18（1

6、 1）工质进汽轮机状态不同）工质进汽轮机状态不同（2 2）膨胀过程不同）膨胀过程不同郎肯循环与卡诺循环的区别郎肯循环与卡诺循环的区别（3 3）工质出冷凝器状态不同）工质出冷凝器状态不同（4 4）压缩过程不同）压缩过程不同（5 5）工作介质吸热过程不同）工作介质吸热过程不同郎肯循环：郎肯循环：饱和水饱和水 郎肯循环：郎肯循环：不可逆绝热过程不可逆绝热过程，若忽，若忽略掉工作介质水的摩擦与散热，可略掉工作介质水的摩擦与散热，可简化为可逆过程。简化为可逆过程。 郎肯循环：郎肯循环：不可逆吸热过程，不可逆吸热过程，沿着沿着等压线变化等压线变化 卡诺循环：卡诺循环：湿蒸汽湿蒸汽卡诺循环：卡诺循环：等熵过

7、程等熵过程卡诺循环：卡诺循环：气液共存气液共存卡诺循环：卡诺循环：等熵过程等熵过程卡诺循环：卡诺循环：等温过程等温过程郎肯循环：郎肯循环：干蒸汽干蒸汽郎肯循环：郎肯循环：不可逆绝热过程不可逆绝热过程2021-6-18锅炉锅炉透透平平机机水泵水泵冷冷凝凝器器过过热热器器2341WS可逆绝可逆绝热膨胀功热膨胀功Q1Q2WP可逆绝热压缩功可逆绝热压缩功141SQHW 41HH 21 HWS 12HH 322 HQ23HH 43 HWP34HH dPVPP 43水水）（水水34PPV ）（ 1sWQH 理想理想Rankine循环循环2021-6-18锅炉锅炉透透平平机机水泵水泵冷冷凝凝器器过过热热器器

8、2341Q1Q2WP压缩功压缩功123TS4可逆可逆 TdSQWQU 闭系闭系ab Q2WN1234121面积面积净功净功 QQWWWPSNQ1Q1=面积面积1ba41Q2=面积面积2ba32QW 0 U循循环环过过程程2021-6-181TS234Ql越大，越大， Q2越小，做的净功越小，做的净功WN就越大。就越大。Ql受锅炉中金属材料的极限的受锅炉中金属材料的极限的限制，约限制，约550600oC。Q2受为环境温度的限制。受为环境温度的限制。净功净功WN= IQ1（面积（面积1ba41）-Q2（面积（面积2ba32）I=面积面积1234121QQWWWPSN 净功净功ab 理想理想Rank

9、ine循环循环WN2021-6-18用用T-S图表示热和功图表示热和功T-S图图：温温- -熵图熵图T-S图的用处图的用处：(1)体系可逆地从状态体系可逆地从状态A到状到状态态B, ,在在T-S图上曲线图上曲线AB下的下的面积就等于体系在该过程中面积就等于体系在该过程中的的热效应热效应，一目了然。，一目了然。RdQT S 2021-6-18用用T-S图表示热和功图表示热和功(2)容易容易计算热机循环时的效率计算热机循环时的效率 热机所作的热机所作的功功W为为闭合闭合曲线曲线ABCDA所围的面积。所围的面积。ABCDAABC 的面积的面积循环热机的效率循环热机的效率曲线下的面积曲线下的面积 图中

10、图中ABCDA表示任一可逆表示任一可逆循环。循环。ABC是吸热过程，是吸热过程，所吸所吸之热等于之热等于ABC曲线下的面积；曲线下的面积； CDA是放热过程，是放热过程，所放之所放之热等于热等于CDA曲线下的面积曲线下的面积。1211QQQQW 2021-6-18T-S 图：图：既显示体系所吸取或释放的热既显示体系所吸取或释放的热量；又显示体系所作的功。量；又显示体系所作的功。p-V 图：图：只能显示所作的功。只能显示所作的功。用用T-S图表示热和功的优点图表示热和功的优点2021-6-18理想理想RankineRankine循环的热效率循环的热效率和气耗率和气耗率SSCSSC0 PW4143

11、21HHHHHH ）（）（1QWWPS）（ 41211HHHHQWS 2、气耗率、气耗率SSC：Specific Steam Consumption 作出作出1kW.h净功消耗的蒸气公斤数。净功消耗的蒸气公斤数。评价动力循环的指标评价动力循环的指标：热效率热效率和和气耗率气耗率。1、热效率、热效率：循环的净功与工质向高温热库吸收的热量之比循环的净功与工质向高温热库吸收的热量之比）（11./3600 hKwKgWSSCs2021-6-181TS234实际实际Rankine循环循环242 24 41 2，4 4理想朗肯循环（理想朗肯循环（等熵）等熵）1 2，4 4实际朗肯循环实际朗肯循环（不等熵）

12、（不等熵）实际上，工质在汽轮机和水泵实际上，工质在汽轮机和水泵中不可能是完全可逆的，即中不可能是完全可逆的，即不不可能作可能作等熵膨胀等熵膨胀或等熵压缩。或等熵压缩。这个不可逆性可用这个不可逆性可用等熵效率等熵效率s来表示。来表示。等熵效率等熵效率s的定义：的定义：“对膨胀作功过程，不对膨胀作功过程，不可逆绝热过程的做功量与可逆绝热过程的做可逆绝热过程的做功量与可逆绝热过程的做功量之比。功量之比。2021-6-181TS2342421 21HHHH 等熵效率等熵效率s，透平，透平S ，泵，泵S ）（）（3 434HHHH 可可透平透平不不透平透平,SSWW 不不泵泵可可泵泵,SSWW 21 2

13、1HHH 1,QWWPS）（不不透平透平 实际实际Rankine循环的循环的热效率热效率4121HHHH ）（0 PW实际实际Rankine循环循环2021-6-184 . 03 . 0641211 ）（）热效率）热效率HHHHQWWPS ）（）气耗率：）气耗率：11./36007 hKwKgWSSCsQ2（放热）（放热）Q1吸热吸热）在在锅锅炉炉中中吸吸热热量量4111HHQ 123HHWS ）在透平机中对外做功）在透平机中对外做功）在在冷冷凝凝器器中中放放热热量量2322HHQ 344HHWP ）在在水水泵泵中中消消耗耗功功21 21,5HHHHWWSSS 可可不不）等熵效率）等熵效率 实

14、际实际Rankine循环循环1TS23242021-6-18实际与理想实际与理想Rankine循环的比较循环的比较理想循环理想循环实际循环实际循环Q1123446112345561Q254 66555 665WN12345611234561S1 S4 S565641234PHPLTS5”52021-6-18提高循环的热效率的措施提高循环的热效率的措施 (1)提高蒸气过热温度提高蒸气过热温度 为增加的功），为增加的功），（阴影部分（阴影部分但由于但由于，虽然虽然，、NWQT11提高蒸气过热温度的影响提高蒸气过热温度的影响。有利于透平的安全运行有利于透平的安全运行，乏气干度，乏气干度、 T2T4T

15、41234465798TPN2021-6-18提高循环的热效率的措施提高循环的热效率的措施 (2)提高蒸汽压力提高蒸汽压力 ,7589734577 722 7 4 3 211）（减少部分为（减少部分为几乎相等，但几乎相等，但与减少的功与减少的功增加的功增加的功几乎不变，几乎不变，、QWPN。不利于透平的安全运行不利于透平的安全运行，乏气干度，乏气干度、但、但 P2T42346798TPH*S1123475PHPL2021-6-18提高循环的热效率的措施提高循环的热效率的措施 (3)降低乏气压力降低乏气压力（背压）（背压）1、降低背压时所增、降低背压时所增加的功比增加的热量加的功比增加的热量大，

16、因而提高了整个大，因而提高了整个循环的热效率。循环的热效率。2、降低背压会降低乏、降低背压会降低乏气的干度，应注意。气的干度，应注意。PHPLPL98611234575TS2021-6-187.1.2 Rankine7.1.2 Rankine循环的改进循环的改进1、回热循环回热循环：16TS23451Kg1-锅炉锅炉透透平平机机水泵水泵冷冷凝凝器器过过热热器器2341回热回热加热器加热器水泵水泵221-561Kg抽出部分蒸汽抽出部分蒸汽Kg到到回热加热器回热加热器2021-6-18回热循环与回热循环与Rankine循环比较循环比较优点优点： (1)提高了水在锅炉中吸热的提高了水在锅炉中吸热的温位，从而增加了蒸汽有效温位，从而增加了蒸汽有效能量，做功本领变大。能量，做功本领变大。(2)整个循环的工质只有一部整