第七章-蒸汽動(dòng)力循環(huán)

1、2022-7-4第七章第七章蒸汽動(dòng)力循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán)7.1.1 Rankine(朗肯朗肯)循環(huán)循環(huán)7.1.2 Rankine循環(huán)的改進(jìn)循環(huán)的改進(jìn) 2022-7-4前言前言循環(huán)：循環(huán)：l體系從初態(tài)開始，經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)，又重體系從初態(tài)開始，經(jīng)歷一系列的中間狀態(tài)，又重新回到初態(tài)，此封閉的熱力學(xué)過程稱為循環(huán)。新回到初態(tài)，此封閉的熱力學(xué)過程稱為循環(huán)。蒸汽動(dòng)力循環(huán)：蒸汽動(dòng)力循環(huán)：l是以水蒸汽為工質(zhì)，將是以水蒸汽為工質(zhì)，將熱連續(xù)地轉(zhuǎn)變成功熱連續(xù)地轉(zhuǎn)變成功的過程，的過程，其主要設(shè)備是各種熱機(jī)。其主要設(shè)備是各種熱機(jī)。l產(chǎn)功的過程。如火力發(fā)電廠，大型化工廠產(chǎn)功的過程。如火力發(fā)電廠，大型化工廠2022-7-4

2、前言前言33004002223NHHNatmC ，合合成成氨氨如何將如何將1atm 300atm?需要壓縮機(jī)，消耗動(dòng)力。需要壓縮機(jī)，消耗動(dòng)力。中國中國60年代，年代，15001800度度電電/噸噸NH3。中國中國70年代，僅年代，僅1030度電度電/噸噸NH3。這是由于透平機(jī)直接帶動(dòng)壓縮機(jī)的緣故。這是由于透平機(jī)直接帶動(dòng)壓縮機(jī)的緣故。電電高溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩磸U熱鍋爐，產(chǎn)生廢熱鍋爐，產(chǎn)生高壓蒸汽高壓蒸汽壓縮機(jī)壓縮機(jī) (氫循環(huán)壓縮機(jī)氫循環(huán)壓縮機(jī))透平機(jī)透平機(jī)2022-7-4l流體通過壓縮機(jī)、膨脹機(jī)流體通過壓縮機(jī)、膨脹機(jī)sWQuZgH 227.1 7.1 蒸汽動(dòng)力循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán) u20，g Z0，若絕熱

3、過程若絕熱過程Q=0lWs= H= H2-H1l高壓高溫高壓高溫蒸汽帶動(dòng)透平產(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)透平產(chǎn)生軸功軸功。l（流體通過機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)境所交換的（流體通過機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸與環(huán)境所交換的能量，稱為能量，稱為軸功軸功Ws。）2022-7-4鍋爐鍋爐透透平平機(jī)機(jī)水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器23417.1 7.1 蒸汽動(dòng)力循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán)3 4水在水泵中被壓縮升壓。水在水泵中被壓縮升壓。4 1 進(jìn)入鍋爐被加熱汽化，直進(jìn)入鍋爐被加熱汽化，直至成為至成為過熱蒸汽過熱蒸汽后。后。1 2 進(jìn)入透平機(jī)膨脹作功。進(jìn)入透平機(jī)膨脹作功。2 3 作功后的低壓作功后的低壓濕濕蒸汽進(jìn)蒸汽進(jìn)入冷凝器被冷凝成入冷凝器被

4、冷凝成水水，再回到，再回到水泵中，完成一個(gè)循環(huán)。水泵中，完成一個(gè)循環(huán)。蒸汽動(dòng)力循環(huán)原理蒸汽動(dòng)力循環(huán)原理蒸汽動(dòng)力循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán)主要由主要由水泵水泵、鍋鍋爐爐、透平機(jī)透平機(jī)和和冷凝器冷凝器組成。組成。2022-7-4鍋爐鍋爐水泵水泵冷冷凝凝器器透透平平機(jī)機(jī)2413原理原理水壓縮水壓縮水水加加熱熱至至過過熱熱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循環(huán)循環(huán)123TS4等等S膨膨脹脹等等S壓壓縮縮等壓吸熱等壓吸熱相變相變3 4 飽和水飽和水可逆絕熱壓縮過程?？赡娼^熱壓縮過程。（等（等S）4 1 高壓水高壓水等壓升溫和汽化，等壓吸熱過程等壓升溫和汽化，等壓吸熱過程1 2

5、過熱蒸汽過熱蒸汽可逆絕熱膨脹過程?？赡娼^熱膨脹過程。（等（等S）2 3 濕蒸汽濕蒸汽等壓等溫可逆冷卻為等壓等溫可逆冷卻為飽和水飽和水（相變）。（相變）。7.1.1 Rankine (朗肯朗肯)循環(huán)循環(huán)2022-7-4卡諾循環(huán)的缺點(diǎn)卡諾循環(huán)的缺點(diǎn)TS鍋爐加熱鍋爐加熱4123透平機(jī)后的乏氣透平機(jī)后的乏氣,汽汽+液液汽汽+液液泵泵冷凝器冷凝器透透平平機(jī)機(jī)缺點(diǎn)之二缺點(diǎn)之二:對(duì)于泵易對(duì)于泵易產(chǎn)生氣縛產(chǎn)生氣縛現(xiàn)象現(xiàn)象缺點(diǎn)之一缺點(diǎn)之一:透平機(jī)要求干度透平機(jī)要求干度X0. 9但但2點(diǎn)的點(diǎn)的X0.88易損壞葉片易損壞葉片結(jié)論結(jié)論:卡諾循環(huán)不卡諾循環(huán)不適合變熱為功適合變熱為功!2022-7-4（1 1）工質(zhì)進(jìn)汽輪

6、機(jī)狀態(tài)不同）工質(zhì)進(jìn)汽輪機(jī)狀態(tài)不同（2 2）膨脹過程不同）膨脹過程不同郎肯循環(huán)與卡諾循環(huán)的區(qū)別郎肯循環(huán)與卡諾循環(huán)的區(qū)別（3 3）工質(zhì)出冷凝器狀態(tài)不同）工質(zhì)出冷凝器狀態(tài)不同（4 4）壓縮過程不同）壓縮過程不同（5 5）工作介質(zhì)吸熱過程不同）工作介質(zhì)吸熱過程不同郎肯循環(huán)：郎肯循環(huán)：飽和水飽和水 郎肯循環(huán)：郎肯循環(huán)：不可逆絕熱過程不可逆絕熱過程，若忽，若忽略掉工作介質(zhì)水的摩擦與散熱，可略掉工作介質(zhì)水的摩擦與散熱，可簡化為可逆過程。簡化為可逆過程。 郎肯循環(huán)：郎肯循環(huán)：不可逆吸熱過程，不可逆吸熱過程，沿著沿著等壓線變化等壓線變化 卡諾循環(huán)：卡諾循環(huán)：濕蒸汽濕蒸汽卡諾循環(huán)：卡諾循環(huán)：等熵過程等熵過程卡諾循

7、環(huán)：卡諾循環(huán)：氣液共存氣液共存卡諾循環(huán)：卡諾循環(huán)：等熵過程等熵過程卡諾循環(huán)：卡諾循環(huán)：等溫過程等溫過程郎肯循環(huán)：郎肯循環(huán)：干蒸汽干蒸汽郎肯循環(huán)：郎肯循環(huán)：不可逆絕熱過程不可逆絕熱過程2022-7-4鍋爐鍋爐透透平平機(jī)機(jī)水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器2341WS可逆絕可逆絕熱膨脹功熱膨脹功Q1Q2WP可逆絕熱壓縮功可逆絕熱壓縮功141SQHW 41HH 21 HWS 12HH 322 HQ23HH 43 HWP34HH dPVPP 43水水）（水水34PPV ）（ 1sWQH 理想理想Rankine循環(huán)循環(huán)2022-7-4鍋爐鍋爐透透平平機(jī)機(jī)水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器2341Q1Q2WP

8、壓縮功壓縮功123TS4可可逆逆 TdSQWQU 閉閉系系ab Q2WN1234121面面積積凈凈功功 QQWWWPSNQ1Q1=面積面積1ba41Q2=面積面積2ba32QW 0 U循循環(huán)環(huán)過過程程2022-7-41TS234Ql越大，越大， Q2越小，做的凈功越小，做的凈功WN就越大。就越大。Ql受鍋爐中金屬材料的極限的受鍋爐中金屬材料的極限的限制，約限制，約550600oC。Q2受為環(huán)境溫度的限制。受為環(huán)境溫度的限制。凈功凈功WN= IQ1（面積（面積1ba41）-Q2（面積（面積2ba32）I=面積面積1234121QQWWWPSN 凈凈功功ab 理想理想Rankine循環(huán)循環(huán)WN20

9、22-7-4用用T-S圖表示熱和功圖表示熱和功T-S圖圖：溫溫- -熵圖熵圖T-S圖的用處圖的用處：(1)體系可逆地從狀態(tài)體系可逆地從狀態(tài)A到狀到狀態(tài)態(tài)B, ,在在T-S圖上曲線圖上曲線AB下的下的面積就等于體系在該過程中面積就等于體系在該過程中的的熱效應(yīng)熱效應(yīng)，一目了然。，一目了然。RdQT S 2022-7-4用用T-S圖表示熱和功圖表示熱和功(2)容易容易計(jì)算熱機(jī)循環(huán)時(shí)的效率計(jì)算熱機(jī)循環(huán)時(shí)的效率 熱機(jī)所作的熱機(jī)所作的功功W為為閉合閉合曲線曲線ABCDA所圍的面積。所圍的面積。ABCDAABC 的的面面積積循循環(huán)環(huán)熱熱機(jī)機(jī)的的效效率率曲曲線線下下的的面面積積 圖中圖中ABCDA表示任一可逆

10、表示任一可逆循環(huán)。循環(huán)。ABC是吸熱過程，是吸熱過程，所吸所吸之熱等于之熱等于ABC曲線下的面積；曲線下的面積； CDA是放熱過程，是放熱過程，所放之所放之熱等于熱等于CDA曲線下的面積曲線下的面積。1211QQQQW 2022-7-4T-S 圖：圖：既顯示體系所吸取或釋放的熱既顯示體系所吸取或釋放的熱量；又顯示體系所作的功。量；又顯示體系所作的功。p-V 圖：圖：只能顯示所作的功。只能顯示所作的功。用用T-S圖表示熱和功的優(yōu)點(diǎn)圖表示熱和功的優(yōu)點(diǎn)2022-7-4理想理想RankineRankine循環(huán)的熱效率循環(huán)的熱效率和氣耗率和氣耗率SSCSSC0 PW414321HHHHHH ）（）（1Q

11、WWPS）（ 41211HHHHQWS 2、氣耗率、氣耗率SSC：Specific Steam Consumption 作出作出1kW.h凈功消耗的蒸氣公斤數(shù)。凈功消耗的蒸氣公斤數(shù)。評(píng)價(jià)動(dòng)力循環(huán)的指標(biāo)評(píng)價(jià)動(dòng)力循環(huán)的指標(biāo)：熱效率熱效率和和氣耗率氣耗率。1、熱效率、熱效率：循環(huán)的凈功與工質(zhì)向高溫?zé)釒煳盏臒崃恐妊h(huán)的凈功與工質(zhì)向高溫?zé)釒煳盏臒崃恐龋?1./3600 hKwKgWSSCs2022-7-41TS234實(shí)際實(shí)際Rankine循環(huán)循環(huán)242 24 41 2，4 4理想朗肯循環(huán)（理想朗肯循環(huán)（等熵）等熵）1 2，4 4實(shí)際朗肯循環(huán)實(shí)際朗肯循環(huán)（不等熵）（不等熵）實(shí)際上，工質(zhì)在汽輪機(jī)和

12、水泵實(shí)際上，工質(zhì)在汽輪機(jī)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脹等熵膨脹或等熵壓縮。或等熵壓縮。這個(gè)不可逆性可用這個(gè)不可逆性可用等熵效率等熵效率s來表示。來表示。等熵效率等熵效率s的定義：的定義：“對(duì)膨脹作功過程，不對(duì)膨脹作功過程，不可逆絕熱過程的做功量與可逆絕熱過程的做可逆絕熱過程的做功量與可逆絕熱過程的做功量之比。功量之比。2022-7-41TS2342421 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 21HHH 1,QWWPS）（不不透

13、平透平 實(shí)際實(shí)際Rankine循環(huán)的循環(huán)的熱效率熱效率4121HHHH ）（0 PW實(shí)際實(shí)際Rankine循環(huán)循環(huán)2022-7-44 . 03 . 0641211 ）（）熱效率）熱效率HHHHQWWPS ）（）氣耗率：）氣耗率：11./36007 hKwKgWSSCsQ2（放熱）（放熱）Q1吸熱吸熱）在在鍋鍋爐爐中中吸吸熱熱量量4111HHQ 123HHWS ）在透平機(jī)中對(duì)外做功）在透平機(jī)中對(duì)外做功）在在冷冷凝凝器器中中放放熱熱量量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 實(shí)際實(shí)際Rankine循環(huán)循環(huán)1TS2

14、3242022-7-4實(shí)際與理想實(shí)際與理想Rankine循環(huán)的比較循環(huán)的比較理想循環(huán)理想循環(huán)實(shí)際循環(huán)實(shí)際循環(huán)Q1123446112345561Q254 66555 665WN12345611234561S1 S4 S565641234PHPLTS5”52022-7-4提高循環(huán)的熱效率的措施提高循環(huán)的熱效率的措施 (1)提高蒸氣過熱溫度提高蒸氣過熱溫度 為增加的功），為增加的功），（陰影部分（陰影部分但由于但由于，雖然雖然，、NWQT11提高蒸氣過熱溫度的影響提高蒸氣過熱溫度的影響。有利于透平的安全運(yùn)行有利于透平的安全運(yùn)行，乏氣干度，乏氣干度、 T2T4T41234465798TPN2022-7

15、-4提高循環(huán)的熱效率的措施提高循環(huán)的熱效率的措施 (2)提高蒸汽壓力提高蒸汽壓力 ,7589734577 722 7 4 3 211）（減少部分為（減少部分為幾乎相等，但幾乎相等，但與減少的功與減少的功增加的功增加的功幾乎不變，幾乎不變，、QWPN。不利于透平的安全運(yùn)行不利于透平的安全運(yùn)行，乏氣干度，乏氣干度、但、但 P2T42346798TPH*S1123475PHPL2022-7-4提高循環(huán)的熱效率的措施提高循環(huán)的熱效率的措施 (3)降低乏氣壓力降低乏氣壓力（背壓）（背壓）1、降低背壓時(shí)所增、降低背壓時(shí)所增加的功比增加的熱量加的功比增加的熱量大，因而提高了整個(gè)大，因而提高了整個(gè)循環(huán)的熱效率

16、。循環(huán)的熱效率。2、降低背壓會(huì)降低乏、降低背壓會(huì)降低乏氣的干度，應(yīng)注意。氣的干度，應(yīng)注意。PHPLPL98611234575TS2022-7-47.1.2 Rankine7.1.2 Rankine循環(huán)的改進(jìn)循環(huán)的改進(jìn)1、回?zé)嵫h(huán)回?zé)嵫h(huán)：16TS23451Kg1-鍋爐鍋爐透透平平機(jī)機(jī)水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器2341回?zé)峄責(zé)峒訜崞骷訜崞魉盟?21-561Kg抽出部分蒸汽抽出部分蒸汽Kg到到回?zé)峒訜崞骰責(zé)峒訜崞?022-7-4回?zé)嵫h(huán)與回?zé)嵫h(huán)與Rankine循環(huán)比較循環(huán)比較優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： (1)提高了水在鍋爐中吸熱的提高了水在鍋爐中吸熱的溫位，從而增加了蒸汽有效溫位，從而增加了蒸汽有效能量，做功本領(lǐng)變大。能量，做功本領(lǐng)變大。(2)整個(gè)循環(huán)的工質(zhì)只有一部整