Chapter10PowerCycle(蒸汽动力循环)

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小 结 Summary
1、熟悉朗肯循环图示与计算 2、朗肯循环与卡诺循环 3、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 4、再热、回热原理及计算
§10-4 Internal combustion engines (内燃机)
1.The Otto Cycle (奥托循环） (1). Actual cycle (实际循环) The Otto cycle is an idealization of a set of processes used by spark ignition internal combustion engines (2stroke or 4-stroke cycles).
物理意义： kg工质100%利用 1- kg工质效率未变
t
1
h2 h1
h2' h2'
1


h1

ha


0
小结: 蒸汽抽汽回热循环的特点
•优点 >缺点
提高热效率 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面 可兼作除氧器
•缺点
循环比功减小，汽耗率增加 增加设备复杂性 回热器投资 小型火力发电厂回热级数一般为1～3级 中大型火力发电厂一般为 4～8级。
锅炉
4
给水泵
3
2' 热用户
用发电厂作了功的蒸 汽的余热来满足热用 户的需要，这种作法 称为热电联(产)供。
热用户为什么要用换 热器而不直接用热力 循环的水？ 背压式缺点： 热电互相影响 供热参数单一
抽汽调节式热电联产(供)循环
过热器 汽轮机 发电机
锅炉 调节阀
冷却水 冷凝器
抽汽式热电联供 循环, 可以自动调节 热、电供应比例，以 满足不同用户的需要。
(2)抽汽回热循环热效率的计算
T
1
1kg 6 kg
a
4 5 (1- )kg
吸热量：
q1,RG h1 h5 h1 ha'
放热量：
q2,RG 1 h2 h2'
3
2
净功：wRG h1 ha
热效率：t,RG

h1

ha
s 1
(2) Otto循环的简化_
We model all of these happenings by a thermodynamic cycle consisting of a set of processes all acting on a fixed mass of air contained in a piston-cylinder arrangement. The exhaust and intake processes are replaced by constant-volume cooling.）
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3
1a 6b
2
再热循环本身不一定 提高循环热效率
与再热压力有关
x2降低,给提高初压 创造了条件，选取再热 压力合适，一般采用一 次再热可使热效率提高 2％～3.5％。
s
蒸汽再热循环的实践
再热压力 pb=pa0.2~0.3p1 p1<10MPa，一般不采用再热
went卡诺< wnet 朗肯 对比9-10-11-12
11点x太小,不利于汽 机强度； 12-9两相区难压缩；
s wnet卡诺小
§10-1 Basic Power Cycle using Water Vapor-
Rankine Cycle 基本蒸汽动力循环---朗肯循环
1.水蒸气动力循环系统
23 The steam is then condensed at constant pressure and temperature to a saturated liquid, state 3.The heat removed from the steam in the condenser is typically transferred to the cooling water.
水蒸气：火力发电、核电 低沸点工质：氨、氟里昂
太阳能、余热、地热发电 动力循环：以获得功为目的
在温限1234’

朗肯循环的提出与卡诺循环
卡诺最大；
等温吸热4’1难实现
T 4'
9 5
4 3 8 12
1 10
6
11 7 2
对比5678
由于温差小，所以 效率不会很高，且乏汽 干度过小，
卡诺< 朗肯；
(1)朗肯循环p-v图
p 4
3
12 汽轮机 s 膨胀
23 凝汽器 p 放热
1
34 给水泵 s 压缩
41 锅炉 p 吸热 2
v
(2) 朗肯循环T-s和h-s图
12 汽轮机 s 膨胀 34 给水泵 s 压缩
T 1
23 凝汽器 p 放热 41 锅炉 p 吸热
h 1
4
4
2
3
2 s
3
s
2. 朗肯循环功和热的计算
t

h1 h2 h1 h3
4 3
1 2
s
在温限1234’
朗肯循环与卡诺循环比较 卡诺最大；
等温吸热4’1难实现
T 4'
9 5
4 3 8 12
1 10
6
11 7 2
对比5678
由于温差小，所以 效率不会很高，且乏汽 干度过小，
卡诺< 朗肯；
went卡诺< wnet 朗肯 对比9-10-11-12
h1 ha'
1 ha ha h2

h2

为什么抽汽回热热效率提高？
T t,RG t 1
教材P.256推导
6
1kg kg
t,RGa 1
4 5 (1- )kg
h1 h2'
h2 h2'

1
h1

ha

3
简单朗肯循环：
2
s
Chapter 9 Vapor Power Cycle 蒸汽动力循环
9.1 Basic Power Cycle using Water Vapor--Rankine Cycle (基本蒸汽动力循环---朗肯循环)
9.2 The Diesel Cycle (狄塞尔循环)
9.3 燃气轮机装置循环
汽轮机
锅
炉
发电机
四个主要装置： 锅炉 汽轮机 凝汽器
给水泵 凝汽器
给水泵
简化（理想化）：
锅 炉
4
12 汽轮机 s 膨胀
汽轮机 23 凝汽器 p 放热
1
34 给水泵 s 压缩
41 锅炉 p 吸热
发电机
2
凝汽器
3 给水泵
朗肯循环
RANKINE CYCLE
RANKINE CYCLE
12 Saturated or superheated steam enters the turbine at state 1, where it expands isentropically to the exit pressure at state 2.
34 The saturated liquid then flows through the pump which increases the pressure to the boiler pressure (state 4).
41 the water is first heated to the saturation temperature, boiled and typically superheated to state 1. Then the whole cycle is repeated.
2 wnet h1 hb ha h2
热效率： t,RH

wnset q1

(h1 hb ) (ha h2 ) (h1 h4 ) (ha hb )
§10-3 热电联产(供)循环
Cogeneration
背压式机组(背压>0.1MPa)
过热器
1 汽轮机
0 1‘ :吸入空气; 1' 2:压缩过程; 2 3:喷油燃烧过程; 3 4:喷油燃烧过程; 4 5:膨胀过程; 5 1'' : 排气过程; 1'' 0:排出剩余的废气
Otto循环
a) ingest a mixture of fuel and air, b) compress it, c) cause it to react, thus effectively adding heat through converting chemical energy into thermal energy, d) expand the combustion products, and then e) eject the combustion products and replace them with a new charge of fuel and air.
2. 蒸汽再热循环 (reheat cycle)
T
5 4 3
1a 6b
2
1
再 热
4
b 2
a
3
s
When steam leaves the turbine, it is typically wet. The presense of water causes erosion of the turbine blades. To prevent this, steam extracted from high pressure turbine (state 2), and then it is reheated in the boiler (state 2') and sent back to the low pressure turbine
s
A.蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T
5'
5
4'
4 3
1' 1 6'
6
2' 2
s
优点：
• T1 • v2'
寸小
t
，汽轮机出口尺
缺点：
• 对强度要求高
•汽轮x2'机安不全利。于一
般要求出口干度 大于0.85~ 0.88
B.蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
优点：
p1 , p2不变，t1
汽轮机作功： ws,12 h1 h2
凝汽器中的定压放热量：
h
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功：
ws,34 h4 h3
锅炉中的定压吸热量：
4
q1 h1 h4
3
1 2
s
朗肯循环热效率的计算
t

wnet q1

ws,12 ws,34 q1
h
一般很小，占 0.8~1%，忽略 泵功
11点x太小,不利于汽 机强度； 12-9两相区难压缩；
s wnet卡诺小
3.如何提高朗肯循环的热效率 How can we increase the efficiency of the Rankine cycle
T 5
t

h1 h1
h2 h3
1
影响热效率的
6
参数？
4
3
2
p1 t1 p2
§10-2 蒸汽回热循环与再热循环
(regenerative cycle and reheat cycle)
1.蒸汽回热循环(regenerative)
1 1kg
a2
α kg
6
3
5
4
(1-α )kg
抽汽式回热
Feedwater heater
抽汽 冷凝水
Closed Feed water heater 去凝汽器
表面式回热器 抽汽
给O水pen Feed冷wa凝te水r heater 混合式回热器
(1) 蒸汽抽汽回热循环
T
1
1kg 6 kg
a
4 5 (1- )kg
3
2
由 于 T-s 图 上 各 点 质 量 不同，面积不再直接 代表热和功
1 1kg
6
s 1kg
a2
α kg
3
5
4
(1-α )kg
a kg
T
1'
1
5
6
4
3
2 2'
• T1 • x2'
全。
t
，有利于汽机安
缺点：
• 对耐热及强度要求
高，目前初温一般
在550℃左右
• 大
v2'
汽机出口尺寸
s
C.乏汽压力对朗肯循环热效率的影响
p1 , t1不变，p2
T
1
5
4
4' 3 3'
6
2
2'
s
优点：
• T2 t
缺点：
•受环境温度限制，现在 大型机组p2为 0.0035~0.005MPa，相 应的饱和温度约为27~ 33℃ ，已接近事实上可 能达到的最低限度。冬 天热效率高
水泵 2 加热器 水泵 1
热电联产(供)循环的经济性评价


只采用热效率 能量利用系数
t
wnet显然不够全面 ，q但1 未考虑热和电的品位不同
Utilization factor
K

已被利用的能量 工质从热源得到的能量

q供热＋wnet q1
Ex经济学评价
热电联产、集中供热是发展方向，经济环保
(1- )kg
5
4
(2)抽汽回热循环的抽汽量计算
T
1
1kg 6 kg
a
4 5 (1- )kg
3
2
a kg
s
1kg
(1- )kg
5
4
以混合式回热器为例 热一律
ha 1 h4 1 h5
h5 h4
ha h4
忽略泵功
ha' h2'
ha h2'
我国常见机组，10、12.5、20、30万机组，
p1>13.5MPa，一次再热
超临界机组， t1>600℃，p1>25MPa，
二次再热
蒸汽再热循环的定量计算
T 5
1a 6b
吸热量：
q1 h1 h4 ha hb
放热量：
4
q2 h2 h3
净功（忽略泵功）：
3