化工熱力學(xué)課件化工專業(yè)本科階段 (7)

1、化工熱力學(xué)化學(xué)化工學(xué)院主講：戚玉華第三節(jié)：蒸汽動(dòng)力循環(huán)第三節(jié)：蒸汽動(dòng)力循環(huán) 本節(jié)內(nèi)容：1、卡諾循環(huán)過(guò)程及能量分析2、郎肯循環(huán)過(guò)程及能量分析重點(diǎn)掌握：1、循環(huán)的各過(guò)程中工作介質(zhì)狀態(tài)的變化2、各過(guò)程的特點(diǎn)及各過(guò)程對(duì)外傳熱和作功的計(jì)算3、熱效率的計(jì)算 瓦特（ 17361819） 薩迪.卡諾（1796 1832）請(qǐng)同學(xué)們課下查閱有關(guān)蒸汽機(jī)發(fā)展的資料 一、卡諾循環(huán)簡(jiǎn)單的蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置及T-S圖上的卡諾循環(huán)工作介質(zhì)(簡(jiǎn)稱工質(zhì)):目前，廣泛應(yīng)用的蒸汽動(dòng)力裝置的是水。過(guò)程：水在鍋爐中產(chǎn)生高壓蒸汽；高壓蒸汽在透平中進(jìn)行膨脹對(duì)外產(chǎn)功；透平排出的廢氣(稱乏汽)經(jīng)冷凝器冷凝后，由水泵送回鍋爐。 水泵2341Ws,P

2、umpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSTTLTH4321能量分析（鍋爐boiler）步驟1-2：裝置： 鍋爐鍋爐工質(zhì)變化： 水由飽和液體變成飽和水由飽和液體變成飽和蒸汽。蒸汽。過(guò)程特點(diǎn)： 恒溫可逆膨脹過(guò)程恒溫可逆膨脹過(guò)程。在TS圖表示： 水平線。水平線。傳熱： 作軸功：1212)(hhSSTqHH水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSWqhSTTLTH43210SWVdp 能量分析（Turbie 透平機(jī)）步驟2-3裝置： 透平機(jī)透平機(jī)工質(zhì)變化： 飽和蒸汽變成濕蒸汽狀飽和蒸汽變成濕蒸汽狀態(tài)態(tài)。過(guò)程特點(diǎn)： 可逆絕熱膨脹過(guò)程，即可逆絕熱膨脹過(guò)程，即等熵過(guò)程。等熵過(guò)程。

3、在TS圖表示：垂直于垂直于S S軸的線段軸的線段。傳熱： 零零 作軸功：32,hhhWTurSSWqh水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSTTLTH4321能量分析（Condenser 冷凝器）步驟34裝置： 冷凝器冷凝器工質(zhì)變化： 濕蒸汽冷凝，終點(diǎn)濕蒸汽冷凝，終點(diǎn)4的濕的濕度大于度大于3。過(guò)程特點(diǎn)： 等溫可逆壓縮過(guò)程。等溫可逆壓縮過(guò)程。在TS圖上表示： 水平線水平線傳熱： 作軸功： 零零3434)(hhhSSTqLLSWqh水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSTTLTH4321能量分析（Pump 水泵）步驟4-1裝置： 水泵水泵工質(zhì)變化

4、： 由濕蒸汽變?yōu)轱柡鸵后w由濕蒸汽變?yōu)轱柡鸵后w。過(guò)程的特點(diǎn)： 可逆絕熱膨脹過(guò)程可逆絕熱膨脹過(guò)程(等等熵過(guò)程熵過(guò)程)在T-S圖表示： 垂直于垂直于S S軸的線段。軸的線段。傳熱： 零。零。作軸功： SWqh14,hhhWPumpS水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSTTLTH4321循環(huán)過(guò)程作的凈功為：過(guò)程與環(huán)境交換的熱為：根據(jù)熱力學(xué)第一定律，循環(huán)過(guò)程的 故： 結(jié)論一：整個(gè)動(dòng)力裝置產(chǎn)出的凈功（透平產(chǎn)生的功和水泵消耗的功的代數(shù)和）等于鍋爐吸收的熱和冷凝器排放的熱的代數(shù)值之和。NWq0hNWqhTurSPumpSNWWW,能量分析HLqqqHLHLHLHLHHNTTSSTS

5、STqqqqqqW111)()(123465STTLTH4321結(jié)論二：卡諾熱機(jī)的效率與工作介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)，只與高溫?zé)嵩吹臏囟龋═H）和低溫?zé)嵩吹臏囟龋═L）有關(guān)。熱效率：工作介質(zhì)在整個(gè)循環(huán)中對(duì)外所作凈功與外界所加 給工作介質(zhì)的熱量之比。卡諾熱機(jī)的熱效率為：已經(jīng)證明卡諾循環(huán)是工作于相同溫度的熱源間效率最高的循環(huán)。但它卻不能付之實(shí)踐。原因：因此卡諾熱機(jī)是一個(gè)理想的、不能實(shí)現(xiàn)的熱機(jī)，但其效率可以為實(shí)際熱機(jī)效率提供一個(gè)作比較用的最高標(biāo)準(zhǔn)。STTLTH4321（1）點(diǎn)3對(duì)應(yīng)于透平出口點(diǎn)，濕蒸汽中所含的飽和水較多將使透平發(fā)生浸蝕現(xiàn)象。實(shí)踐表明，透平帶水不得超過(guò)10。（2）點(diǎn)4也在兩相區(qū)(此點(diǎn)為水泵入口)

6、顯然，汽水混合物不能用泵送入鍋爐。二、郎肯(Rankie)循環(huán) 郎肯循環(huán)裝置及T-S圖朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)主要的區(qū)別有兩點(diǎn)：（1）加熱步驟1-2，水在汽化后繼續(xù)加熱，使之成為過(guò)熱蒸汽；（2）冷凝步驟3-4進(jìn)行完全的冷凝。過(guò)熱器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLST4321能量分析（鍋爐boiler）步驟l一2裝置： 鍋爐鍋爐+ +過(guò)熱器過(guò)熱器工質(zhì)變化： 過(guò)冷水被加熱到沸點(diǎn)，過(guò)冷水被加熱到沸點(diǎn)，然后汽化，最后再由飽和蒸然后汽化，最后再由飽和蒸汽變成溫度較高的過(guò)熱蒸汽汽變成溫度較高的過(guò)熱蒸汽過(guò)程特點(diǎn)： 恒壓恒壓作軸功： 零零傳熱：12hhhqHST4321過(guò)熱器水泵234

7、1Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSWqh能量分析（Turbie 透平機(jī)）步驟2-3裝置： 透平透平工質(zhì)變化： 過(guò)熱蒸汽變?yōu)闈裾羝＿^(guò)熱蒸汽變?yōu)闈裾羝?。但濕的乏汽含水量不太高。但濕的乏汽含水量不太高。過(guò)程特點(diǎn)： 絕熱可逆膨脹（等熵過(guò)絕熱可逆膨脹（等熵過(guò)程）。程）。傳熱： 零零作功： 32,hhhWTurs過(guò)熱器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLST4321SWqh能量分析（Condenser 冷凝器） 步驟34裝置： 冷凝器冷凝器工質(zhì)變化： 由濕蒸汽由濕蒸汽 變?yōu)轱柡鸵后w變?yōu)轱柡鸵后w過(guò)程特點(diǎn)： 恒壓、恒溫恒壓、恒溫作軸功： 零零傳熱： 34hhhq

8、LST4321過(guò)熱器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSWqh能量分析（Pump 水泵）步驟4-l：裝置; 水泵水泵工質(zhì)變化： 飽和液體變?yōu)檫^(guò)冷液體飽和液體變?yōu)檫^(guò)冷液體。過(guò)程特點(diǎn)： 可逆、絕熱壓縮過(guò)程可逆、絕熱壓縮過(guò)程傳熱： 零零作軸功：把水看作是不可壓縮流體，則：14,hhhWPumps41,14PPvvdPWPPumpPs過(guò)熱器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLST4321SWqh能量分析理想朗肯循環(huán)的熱效率：蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，水泵的耗功量遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)的作功量。熱效率可近似為：熱效率的高低可以反映出不同裝置輸出相同功量時(shí)所消耗的能量的多

9、少，它是評(píng)價(jià)蒸汽動(dòng)力裝置的一個(gè)重要指標(biāo)。 21,2341s Turs PumpHWWhhhhqhh23,21s TurHWhhqhh實(shí)際的郎肯循環(huán)（1）蒸汽通過(guò)透平機(jī)的絕熱膨脹實(shí)際上不是等熵的，而是向著墑增加的方向偏移，用23線表示。 蒸汽通過(guò)透平機(jī)膨脹，實(shí)際做出的功應(yīng)為h2 h3，它小于等熵膨脹的功h2 h3。兩者之比稱為透平機(jī)的等熵效率。 （2）水泵的耗功量遠(yuǎn)小于透平機(jī)的做功量，可不考慮不可逆的影響。 實(shí)際朗肯循環(huán)的熱效率: 2341232121hhhhhhhhhh2323sssWhhWhh不可3/ST4321例：某蒸汽動(dòng)力裝置產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽壓力為8600kPa、溫度為500。此蒸汽進(jìn)入透

10、平絕熱膨脹作功，透平排出的乏汽壓力為10kPa。乏汽進(jìn)入冷凝器全部冷凝成為飽和液態(tài)水，然后泵入鍋爐。試求： (a)理想的朗肯循環(huán)的熱效率； (b)已知透平和水泵的等熵效率都為0.75，試求在上述條件下實(shí)際動(dòng)力循環(huán)的熱效率； (c)設(shè)計(jì)要求實(shí)際動(dòng)力循環(huán)輸出的軸功率為80000kw，試求蒸汽流量以及鍋爐和冷凝器的傳熱速率。 3/ST4321解：（a）從附表(水蒸汽表)可查得8600kPa500的過(guò)熱蒸汽的焓值和熵值為： 12.9 .3390kgkJh1126858. 6KkgkJs3/ST4321過(guò)熱蒸汽在透平中膨脹為等熵過(guò)程，膨脹終點(diǎn)3 的熵為 :點(diǎn)3為濕蒸汽狀態(tài)，查飽和蒸汽壓表，壓力為10kP

11、a, 飽和溫度為45.83度，這時(shí)： 11236858. 6KkgkJsslgsxxss)1 (33311.6493. 0KkgkJsl183.191kgkJhl3/ST4321由此可得：則：透平膨脹產(chǎn)生的軸功為： 111502. 8KkgkJsg17 .2584kgkJhg80467. 03x13333 .2117)80467. 01 (83.19180467. 07 .2584)1 (kgkJxhxhhlg132,3 .21179 .3390)(kgkJhhshWTurs3/ST4321冷凝過(guò)程傳熱量為：(負(fù)號(hào)表示工作介質(zhì)放熱)水泵的可逆軸功為：由P1=8600kPa, P2=10kPa

12、查飽和水蒸汽表得： 1483.191kgkJhhl15 .19253 .211783.19134kgkJhhqL)(414,PPvWPumps133410010. 1kgmv11333414,676. 810676. 810)108600(1001. 1)(kgkJkgJPPvWPumps3/ST4321根據(jù)熱力學(xué)第一定律， 則有：鍋爐吸熱量為：郎肯循環(huán)提供得凈功為透平產(chǎn)功和水泵耗功得代數(shù)和，即： 或者根據(jù) 也可計(jì)算出WN.郎肯循環(huán)的效率為： 1,415 .200676. 883.191kgkJWhhPumps1124 .31905 .2009 .3390kgkJhhqH1,9 .126467

13、6. 86 .1273kgkJWWWTursPumpSNLHNqqW3965. 04 .31909 .1264HNqW3/ST4321（b）已知透平的 為0.75，則透平產(chǎn)功為：冷凝器放出的熱量為： 水泵耗功為： s12 .9556 .127375. 0)(,kgkJshhWTurs1),(57.1175. 08676. 075. 014,kgkJhhWPumpRSWPumpS1,414 .20357.1183.191kgkJWhhPumpS1237 .24352 .9559 .3390kgkJhhh13487.22437 .243583.191kgkJhhqL3/ST4321鍋爐吸收的熱為：

14、 過(guò)程產(chǎn)功:或： 實(shí)際循環(huán)的熱效率：顯然，此效率低于理想朗肯循環(huán)的效率。這是由于透平不可逆操作所致。水泵耗功要比透平產(chǎn)功小得多，因此水泵對(duì)效率的影響并不重要。 1125 .31874 .2039 .3390kgkJhhqH136.94387.22435 .3187kgkJqqWLHNTurSPumpSNWWW,2960. 05 .318736.943HNqW3/ST4321（c）設(shè)計(jì)要求循環(huán)提供的軸功率為80000kW, 則蒸汽的流量應(yīng)為: QH和QL分別為鍋爐和冷凝器的傳熱速率，顯然QH+QL=80000kW136.9438000080000779.84skgmNW11190233)87.2243(779.842702335 .3187779.84skgqmQskgqmQLLHH 工質(zhì)的焓值的計(jì)算方法如下：狀態(tài)點(diǎn)2 根據(jù)P2、t2 值可查得h2、S2值；狀態(tài)點(diǎn)3 S3=S2，查P3下的飽和液體和飽和氣體的焓hl 、hg 熵sl 、 sg,根據(jù)S3= Slx+Sg(1-x) ,h3= hlx+hg(1-x)可得h3；狀態(tài)點(diǎn)4 P4=P3，查P4下的飽和液體可得h4、V4 、S4值；狀態(tài)點(diǎn)1, P1=P2，S1=S4，根據(jù)P1、S1可查得 h1值，或者將液體水的比容當(dāng)作常數(shù)，由 h1=h4-Ws,pump=h4+V(P1-P4) 計(jì)