工程熱力學(xué)蒸汽動力裝置循環(huán)

1、第十章 蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力裝置：是實現(xiàn)熱能機械能的動力裝置之一。工質(zhì) ：水蒸汽。用途 ：電力生產(chǎn)、化工廠原材料、船舶、機車等動力上的應(yīng)用。本章重點：1、蒸汽動力裝置的基本循環(huán) 朗肯循環(huán)回?zé)嵫h(huán)2、蒸汽動力裝置循環(huán)熱效率分析 yT的計算公式 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，但實際上存在種種困難和不利因素，使得實際循環(huán)（蒸汽動力循環(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)若超過飽和區(qū)的范圍而進入過熱區(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、進行。1C52pv1-2 絕熱膨脹（汽輪機）2-C 定溫放熱（冷凝汽） 可以實現(xiàn)5-1 定溫加熱（鍋爐）C-5 絕熱壓縮（壓縮機） 難以實現(xiàn)原因：2-C過程壓縮的工質(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，壓縮機工作不穩(wěn)定，而且3點的濕蒸汽比容比水大的多需比水泵大得多的壓縮機使得輸出的凈功大大減少，同時對壓縮機不利。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機 為了改進上述的壓縮過程人們將汽凝結(jié)成水，同時為了提高上限溫這就需要對卡諾循環(huán)進行改進，溫度采用過熱蒸汽使T1高于臨界溫度，改進的結(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)過程：從鍋爐過熱器與出來的過熱蒸汽通過管道進入汽輪機T，蒸汽部分熱能在T中轉(zhuǎn)換為機械帶動發(fā)電機發(fā)電，作了功的低壓乏汽排入C，對冷卻水放出，凝結(jié)成水，凝結(jié)成的水由給水泵P送進省煤器D進行預(yù)熱，然后在鍋爐內(nèi)吸熱汽化，飽和蒸汽進入S繼續(xù)吸熱成過熱蒸汽，過程可理想化為兩個定壓過程，兩個絕熱過程朗諾循環(huán)。1-2 絕熱膨脹過程，對外作功2-3 定溫（定壓）冷凝過程（放熱過程）3-4 絕熱壓縮過程，消耗外界功4-1 定壓吸熱過程，（三個狀態(tài)）4-1過程：水在鍋爐和過熱器中吸熱由未飽和水變?yōu)檫^熱蒸汽過程中工質(zhì)與外界無技術(shù)功交換。1-2過程：過熱蒸汽在汽掄機中絕熱

4、膨脹，對外作功，在汽輪機出口工質(zhì)達到低壓低溫蒸汽狀態(tài)稱乏汽。2-3過程：在冷凝器中乏汽對冷卻水放熱凝結(jié)為飽和水。3-4過程：水泵將凝結(jié)水壓力提高，再次送入鍋爐，過程中消耗外功。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點而一直進行到（3）點，全部液化。2）汽輪機采用過熱整齊（不是飽和蒸汽）。3）過熱區(qū)、過冷區(qū)加熱是高壓。 缺點在過冷區(qū)，高壓加熱，減少平均溫差對熱效率是不利的，但對簡化設(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，簡化設(shè)備用泵代替壓縮機。2、采用過熱蒸汽對增加了平均吸熱溫度膨脹終了時乏氣的干度增加，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)定壓過程總的吸熱量q1=h1-h4則1kg工質(zhì)定壓過程總的吸熱量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中絕熱過程所作的功 1kg工質(zhì)在P中絕熱過程消耗的功 故循環(huán)凈功 則 由于過冷水在泵中絕熱壓縮過程，水具有不可壓縮性故水溫變化很小。 即 故 即 上式可簡化： 參數(shù)確定：、可表示or圖，只可查表三、改變水蒸氣參數(shù)對朗肯循環(huán)熱效率的影響 1.提高蒸汽初溫對熱效率的影響 設(shè)初壓p1const，乏汽壓力p2const, T1 T1' (Tm1' Tm1 ) 。 過程2'-3和原過程

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，朗肯循環(huán)的熱效率提高。 此外，當(dāng)蒸汽的初溫提高時，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。   說明乏汽中含有的水分減少，這有利于減少汽輪機內(nèi)部的功耗散，也有利于改善汽輪機葉片的工作條件。但另一方面，為提高蒸汽的初溫，則要求鍋爐過熱器所用材料具有較好的耐熱性。2.提高蒸汽初壓對熱效率的影響 設(shè)初溫T1 const，乏汽壓力p2 const。p1p1'(Tm1'

7、 Tm1 ) 。 過程2'-3和原過程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，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。 干度減小說明乏汽中含有的水分增加，這會引起汽輪機內(nèi)部的耗散增加。特別是干度較低而水分過多 時，由于水滴的沖擊，汽輪機葉片的表面受破壞，甚至引起葉片振動，影響葉片的使用壽命。因此，一般同時提高蒸汽的初溫及初壓，既能提高熱效率，又能保證汽輪機內(nèi)部良好的工作條件。 3.降低乏汽壓力對熱效率的影響 &#

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，放熱過程2'-3'要比原過程2-3有較低的放熱溫度 ，即T2T2。雖然這時加熱過程的起點T0也降低為T0'，但它對整個加熱過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，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)）上次課我們重點講了朗肯循環(huán)，水加熱

9、或過熱蒸汽不是在定溫下進行的。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 時將水從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)的新蒸汽進入汽輪機中絕熱膨脹到狀態(tài)時，即從汽輪機中抽出kg，被引進回?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)然后進入冷凝氣凝結(jié)成飽和水。經(jīng)給水泵進入回?zé)釟?，在其中接受千?/p>

10、蒸汽凝結(jié)時放出的熱量，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)代大型蒸汽動力裝置大部分采用回?zé)岽胧?。一般抽汽回?zé)岬募墧?shù)為38級，而且往往回?zé)岷驮贌嵬瑫r并用，以求使蒸汽動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提高加熱過程的平均加熱溫度。   工作過程：當(dāng)蒸汽在汽輪機中膨脹作功而壓力降低到某個中間壓力時，把蒸汽從汽輪機引出,送至再熱器重新加熱，使蒸汽的溫度再次達到較高

12、的溫度，然后送回汽輪機的低壓汽缸，進一步膨脹作功。 采用再熱措施的理想循環(huán)稱為再熱循環(huán)。由0-1定壓吸熱過程，1-a絕熱膨脹過程，a-1'定壓再熱過程，1'-2'絕熱膨脹過程，2'-3定壓放熱過程，3-0絕熱加壓過程等組成。     要使整個加熱過程的平均加熱溫度比沒有再熱時的高，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點的溫度不宜過低。當(dāng)再熱過程a-1'的平均加熱溫度高于加熱過程0-1的平均加熱溫度時，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 對比朗肯循環(huán)熱效率 則只有當(dāng) 時（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，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)的熱效率得到進一步提高?，F(xiàn)代蒸汽動力裝置中，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滿足熱用戶的需要，這種作法稱為熱電聯(lián)(產(chǎn))供。優(yōu)點：熱能利用率高缺點：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), 可以自動調(diào)節(jié)熱、電供應(yīng)比例，以滿足不同用戶的需要。它的實質(zhì)是利用氣輪機中間抽氣來供熱。例1：某朗肯循環(huán)的蒸汽參數(shù)取為=550，=30bar，=0.05bar。試計算1) 水泵所消耗的功量，2) 汽輪機作功量, 3) 汽輪機出口蒸汽干度, 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) 汽輪機作功量=3568.6-2236=1332.6kJ/kg3) 汽輪機出口蒸汽干度=0.05bar時的=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下進入高壓汽輪機，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中膨脹至0

16、.0981bar，對每公斤蒸汽求下列各值：（1）高壓和低壓汽輪機輸出的等熵功；（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3等熵膨脹至43，p4=9.81bar，從h-s圖查得h4s=2713.05kJ/kg。在點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5等熵膨脹至6s，6s點的壓力p6s=0.0981bar，從h-s圖查得h6s=2369.76kJ/kg。在狀態(tài)點1，壓力p1=0.0981bar，液體的焓h1=190.29kJ/kg，液體的比容v1=0.001m3/kg。（1）高壓汽輪機輸出的等熵功；wt(h)=h3-h4s=3157.26-2713.05=444.21 kJ/kg低壓汽輪機的輸出功：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