第七章 蒸汽动力循环
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水泵 3
蒸 汽 作 功
蒸 汽 冷 凝 成 水
理想Rankine 循环
T 等S 4
压
缩3
1
等 等压吸热 S
膨 胀
相变 2
2020/4/2
S
卡诺循环的缺点
T
缺点之二: 对于泵易 产生气缚
现象
锅炉加热
4
1
透
泵
平 机
冷凝器
3
2
汽+液
S
结论:卡诺循环不 适合变热为功!
透平机后的乏气, 汽+液
缺点之一: 透平机要求干度
?高温热源 ?废热锅炉，产生 高压蒸汽 ?透平机
?压缩机 (氢循环压缩机 )
2020/4/2
§7.1 蒸汽动力循环
稳定流动体系的热力学第一定理：
? H ? g? Z ? ? u 2 2 ? Q ? Ws
?流体通过压缩机、膨胀机
∵ ? u2≈0，g? Z≈0，若绝热过程Q=0
?Ws= ? H= H2-H1
? 产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂
2020/4/2
前言
合成氨N 2 ? 3H 2 ? 4?00??C，30?0a?tm? 2NH 3
?如何将1atm ? 300atm?
?需要压缩机，消耗动力。 ?电
?中国60年代，1500~1800 度电/吨NH3。 ?中国70年代，仅 10~30度电/吨NH3。 ?这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。
用T-S图表示热和功的优点
T-S 图：既显示体系所吸取或释放的热 量；又显示体系所作的功。 p-V 图：只能显示所作的功。
2020/4/2
理想Rankine循环的热效率η 和气耗率SSC
评价动力循环的指标 ：热效率和气耗率。
1、热效率η： 循环的净功与工质向高温热库吸收的热量之比
?
?
?（WS ? WP）?（H 1 ?
? Q2受为环境温度的限制。
a Sb
2020/4/2
用T-S图表示热和功
T-S图 ：温-熵图
T-S图的用处 ： (1)体系可逆地从状态 A到状 态B,在T-S图上曲线 AB下的 面积就等于体系在该过程中 的热效应 ，一目了然。
QR ? ?TdS
2020/4/2
用T-S图表示热和功
(2)容易计算热机循环时的效率
郎肯循环：不可逆绝热过程，若忽 略掉工作介质水的摩擦与散热，可 简化为可逆过程。
（5）工作介质吸热过程不同
卡诺循环：等温过程
郎肯循环：不可逆吸热过程，20沿20/4/着2 等压线变化
理想Rankine循环
稳流体系 ? H ? Q ? Ws （1）
1
Q1 ? ? H 4? 1 ?? WHS1 ? H 4
图中ABCDA 表示任一可逆 循环。ABC 是吸热过程， 所吸 之热等于 ABC曲线下的面积；
CDA 是放热过程， 所放之 热等于CDA 曲线下的面积 。
热机所作的 功W为闭合
曲线ABCDA 所围的面积。
? ? W ? Q1 ? Q2
Q1
Q1
循环热机的效率 ? ABCDA 的面积 ABC 曲线下的面积 2020/4/2
Q1
H 2）?（H 3 H1 ? H4
?
H 4）
WP ? 0
? ? ? ?WS ? H 1 ? H 2
Q1 H 1 ? H 4
2、气耗率 SSC：Specific Steam Consumption 作出1kW.h 净功消耗的蒸气公斤数。
SSC ? 3600/? Ws
（Kg.Kw?1 .h ?1）
2020/4/2
aS
b2020/4/2
理想Rankine循环
? 净功WN ? WS ? WP ? Q1 ? Q2
净功WN= IQ1（面积1ba41 ）-Q2（面积2ba32 ）I =面积 12341
1
T4
WN
3
2
? Ql越大， Q2越小，做的净功 WN就越大。
? Ql受锅炉中金属材料的极限的 限制，约 550~600 oC。
2020/4/2
§7.1.1 Rankine ( 朗肯)循环
3 ? 4 饱和水可逆绝热压缩过程。（等S）
4? 1 高压水等压升温和汽化，等压吸热过程
原理 1 ?2 过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。（等S）
2 ?3 湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。
水
加
热
ห้องสมุดไป่ตู้
至
过
锅炉
热 蒸
汽
4
1
透 平 机
2
冷 凝 水压缩 器
1 ? 2，4 ? 4理想朗肯循环（等熵） 1 ? 2'，4 ? 4'实际朗肯循环（不等熵）
实际Rankine 循环
1
实际上，工质在汽轮机和水泵
中不可能是完全可逆的，即 不
? 高压高温 蒸汽带动透平产生 轴功。
? （流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的
能量，称为 轴功Ws。）
2020/4/2
§7.1 蒸汽动力循环
蒸汽动力循环原理
蒸汽动力循环 主要由水泵、锅 炉、 透平机 和冷凝器 组成。
1
过 热 器 锅炉
4
透 平 机
2
冷 凝 器
水泵
3 ? 4水在水泵中被压缩升压。 4? 1 进入锅炉被加热汽化，直 至成为过热蒸汽后。 1 ?2 进入透平机膨胀作功。 2 ?3 作功后的低压湿蒸汽进 入冷凝器被冷凝成水，再回到 水泵中，完成一个循环。
Q1=面积1ba41 Q2=面积2ba32
? 循环过程 ? U ? 0
闭系? U ? Q ? W
W ? ?Q
1 净功WN ? WS ? WP ? Q1 ? Q2 ? 面积12341
过 热
透
WS
器
平 机
膨胀功
? Q可 逆 ? TdS
1
锅炉 Q1 4
2
冷
T4
WN
凝
器
Q2
3 Q2 Q1 2
水泵
3
WP压缩功
过 热 器
锅炉 Q1 4
透 平
WS ? ? H 1? 2 ? H 2 ? H 1
机
WS可逆绝
2 热膨胀功 Q2 ? ? H 2? 3 ? H 3 ? H 2
冷
凝 器
Q2
WP ? ? H 3? 4 ? H 4 ? H 3
水泵
3
P4
?? V水dP ? V水（P4 ? P3） P3
WP可逆绝热压缩功
2020/4/2
第七章 蒸汽动力循环
§7.1.1 Rankine( 朗肯)循环 §7.1.2 Rankine 循环的改进
2020/4/2
前言
循环：
? 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。
蒸汽动力循环：
? 是以水蒸汽为工质，将 热连续地转变成功 的过程， 其主要设备是各种热机。
X>0. 9 但2点的X<0.88
易损坏叶片 2020/4/2
郎肯循环与卡诺循环的区别
（1）工质进汽轮机状态不同 卡诺循环：湿蒸汽
郎肯循环：干蒸汽
（2）膨胀过程不同
卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程
（3）工质出冷凝器状态不同 卡诺循环：气液共存
郎肯循环：饱和水
（4）压缩过程不同
卡诺循环：等熵过程
蒸 汽 作 功
蒸 汽 冷 凝 成 水
理想Rankine 循环
T 等S 4
压
缩3
1
等 等压吸热 S
膨 胀
相变 2
2020/4/2
S
卡诺循环的缺点
T
缺点之二: 对于泵易 产生气缚
现象
锅炉加热
4
1
透
泵
平 机
冷凝器
3
2
汽+液
S
结论:卡诺循环不 适合变热为功!
透平机后的乏气, 汽+液
缺点之一: 透平机要求干度
?高温热源 ?废热锅炉，产生 高压蒸汽 ?透平机
?压缩机 (氢循环压缩机 )
2020/4/2
§7.1 蒸汽动力循环
稳定流动体系的热力学第一定理：
? H ? g? Z ? ? u 2 2 ? Q ? Ws
?流体通过压缩机、膨胀机
∵ ? u2≈0，g? Z≈0，若绝热过程Q=0
?Ws= ? H= H2-H1
? 产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂
2020/4/2
前言
合成氨N 2 ? 3H 2 ? 4?00??C，30?0a?tm? 2NH 3
?如何将1atm ? 300atm?
?需要压缩机，消耗动力。 ?电
?中国60年代，1500~1800 度电/吨NH3。 ?中国70年代，仅 10~30度电/吨NH3。 ?这是由于透平机直接带动压缩机的缘故。
用T-S图表示热和功的优点
T-S 图：既显示体系所吸取或释放的热 量；又显示体系所作的功。 p-V 图：只能显示所作的功。
2020/4/2
理想Rankine循环的热效率η 和气耗率SSC
评价动力循环的指标 ：热效率和气耗率。
1、热效率η： 循环的净功与工质向高温热库吸收的热量之比
?
?
?（WS ? WP）?（H 1 ?
? Q2受为环境温度的限制。
a Sb
2020/4/2
用T-S图表示热和功
T-S图 ：温-熵图
T-S图的用处 ： (1)体系可逆地从状态 A到状 态B,在T-S图上曲线 AB下的 面积就等于体系在该过程中 的热效应 ，一目了然。
QR ? ?TdS
2020/4/2
用T-S图表示热和功
(2)容易计算热机循环时的效率
郎肯循环：不可逆绝热过程，若忽 略掉工作介质水的摩擦与散热，可 简化为可逆过程。
（5）工作介质吸热过程不同
卡诺循环：等温过程
郎肯循环：不可逆吸热过程，20沿20/4/着2 等压线变化
理想Rankine循环
稳流体系 ? H ? Q ? Ws （1）
1
Q1 ? ? H 4? 1 ?? WHS1 ? H 4
图中ABCDA 表示任一可逆 循环。ABC 是吸热过程， 所吸 之热等于 ABC曲线下的面积；
CDA 是放热过程， 所放之 热等于CDA 曲线下的面积 。
热机所作的 功W为闭合
曲线ABCDA 所围的面积。
? ? W ? Q1 ? Q2
Q1
Q1
循环热机的效率 ? ABCDA 的面积 ABC 曲线下的面积 2020/4/2
Q1
H 2）?（H 3 H1 ? H4
?
H 4）
WP ? 0
? ? ? ?WS ? H 1 ? H 2
Q1 H 1 ? H 4
2、气耗率 SSC：Specific Steam Consumption 作出1kW.h 净功消耗的蒸气公斤数。
SSC ? 3600/? Ws
（Kg.Kw?1 .h ?1）
2020/4/2
aS
b2020/4/2
理想Rankine循环
? 净功WN ? WS ? WP ? Q1 ? Q2
净功WN= IQ1（面积1ba41 ）-Q2（面积2ba32 ）I =面积 12341
1
T4
WN
3
2
? Ql越大， Q2越小，做的净功 WN就越大。
? Ql受锅炉中金属材料的极限的 限制，约 550~600 oC。
2020/4/2
§7.1.1 Rankine ( 朗肯)循环
3 ? 4 饱和水可逆绝热压缩过程。（等S）
4? 1 高压水等压升温和汽化，等压吸热过程
原理 1 ?2 过热蒸汽可逆绝热膨胀过程。（等S）
2 ?3 湿蒸汽等压等温可逆冷却为饱和水（相变）。
水
加
热
ห้องสมุดไป่ตู้
至
过
锅炉
热 蒸
汽
4
1
透 平 机
2
冷 凝 水压缩 器
1 ? 2，4 ? 4理想朗肯循环（等熵） 1 ? 2'，4 ? 4'实际朗肯循环（不等熵）
实际Rankine 循环
1
实际上，工质在汽轮机和水泵
中不可能是完全可逆的，即 不
? 高压高温 蒸汽带动透平产生 轴功。
? （流体通过机械设备的旋转轴与环境所交换的
能量，称为 轴功Ws。）
2020/4/2
§7.1 蒸汽动力循环
蒸汽动力循环原理
蒸汽动力循环 主要由水泵、锅 炉、 透平机 和冷凝器 组成。
1
过 热 器 锅炉
4
透 平 机
2
冷 凝 器
水泵
3 ? 4水在水泵中被压缩升压。 4? 1 进入锅炉被加热汽化，直 至成为过热蒸汽后。 1 ?2 进入透平机膨胀作功。 2 ?3 作功后的低压湿蒸汽进 入冷凝器被冷凝成水，再回到 水泵中，完成一个循环。
Q1=面积1ba41 Q2=面积2ba32
? 循环过程 ? U ? 0
闭系? U ? Q ? W
W ? ?Q
1 净功WN ? WS ? WP ? Q1 ? Q2 ? 面积12341
过 热
透
WS
器
平 机
膨胀功
? Q可 逆 ? TdS
1
锅炉 Q1 4
2
冷
T4
WN
凝
器
Q2
3 Q2 Q1 2
水泵
3
WP压缩功
过 热 器
锅炉 Q1 4
透 平
WS ? ? H 1? 2 ? H 2 ? H 1
机
WS可逆绝
2 热膨胀功 Q2 ? ? H 2? 3 ? H 3 ? H 2
冷
凝 器
Q2
WP ? ? H 3? 4 ? H 4 ? H 3
水泵
3
P4
?? V水dP ? V水（P4 ? P3） P3
WP可逆绝热压缩功
2020/4/2
第七章 蒸汽动力循环
§7.1.1 Rankine( 朗肯)循环 §7.1.2 Rankine 循环的改进
2020/4/2
前言
循环：
? 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。
蒸汽动力循环：
? 是以水蒸汽为工质，将 热连续地转变成功 的过程， 其主要设备是各种热机。
X>0. 9 但2点的X<0.88
易损坏叶片 2020/4/2
郎肯循环与卡诺循环的区别
（1）工质进汽轮机状态不同 卡诺循环：湿蒸汽
郎肯循环：干蒸汽
（2）膨胀过程不同
卡诺循环：等熵过程 郎肯循环：不可逆绝热过程
（3）工质出冷凝器状态不同 卡诺循环：气液共存
郎肯循环：饱和水
（4）压缩过程不同
卡诺循环：等熵过程