工程热力学第10章

给水泵
5
2、流程
简化（理想化）：两个定压过程和两个定熵过程
3’ 45 1
锅炉，水 p 吸热
变为过热水蒸气 锅 12 汽轮机，过热水蒸气 炉
s 膨胀
23 凝汽器，湿蒸汽
p T 放热
33’给水泵，凝结水 s 压缩
汽轮机
5
1
发电机
4
2
3’
凝汽器
给水泵
3
6
水蒸气朗肯循环p-v图 p
3’ 4 5 1
3
2
34
10-3 回热循环
一、抽汽回热循环（regenerative cycle with steam extraction） 目的：提高等效卡诺循环的平均吸热温度
回热器两种方式 1. 混合式
35
2. 间壁式
36
一、抽气式回热循环 目的：提高等效卡诺循环的平均吸热温度
热效率： wnet ( h1 h6 ) (1 1 )( h6 h8 ) (1 1 2 )( h8 h2 )
I T0Sg
01
4
39
3. 循环热效率
wnet h1 h01 1 h01 h2
wnet 1 h1 h2 h1 h01
q1 h1 h01'
q2 1 h2 h2'
t
wnet q1
h1
h01 1 h01 h2
h1 h01'
t
1
q2 q1
1
1 h2 h2'
➢研究目的：以获得功为目的。
合理安排循环，提高热效率。
➢分类 按工质
气体动力循环： 内燃机 活塞式 叶轮式
工质：空气，理想气体 蒸汽动力循环： 外燃机
工质：水蒸汽，实际气体
4
§10-1 蒸汽动力基本循环—朗肯循环
一、装置和流程
1、四个主要装置：
✓锅炉 ✓汽轮机
锅 炉
✓凝汽器
✓给水泵
汽轮机 发电机 凝汽器
郎肯循环热效率的计算
h
t
收获＝ w0 消耗 q1
ws.t ws.p q1
q1 q2 q1
h1 h3 h2 h3 h1 h2 h3 h3
h1 h3
h1 h3
水泵耗功一般很小，占0.8~1%， 忽略泵功
4
3’ 3
t
h1 h1
h2 h3
1 5
2 s
12
三、如何提高朗肯循环的热效率
s2 s1 1 x2 s x2s
T
1
（4）汽轮机的排气干度
4
5
x2
s2 s
s s
6.34 0.4221 8.4725 0.4221
0.735
3’ 3
2
（3）汽轮机的做功量和循环净功
s
h2 1 x2 h x2h
1 0.735121.30 0.735 2553.45 1908.93kJ kg
s3 s 0.4761kJ kg K
s7 s3
平均吸热温度：
Tm 1
q1
s1 - s3
h1
s1
h3
- s3
3432.1-137.72 545.07K 6.52- 0.4761
272 o C
27
循环热效率
t
1
T2 Tm 1
1
273 32.879 273 272
0.44
28
作业
1
T2 T1
• 提高动力循环热效率的基本途径： 提高热源温度与降低冷源温度。
• 以等效卡诺循环代替朗肯循环
• 工质在锅炉中的吸热量等效为： q1=面积3451673=等效矩形面积98679
15
提高蒸汽动力循环热效率的途径
朗肯循环 改变循环参数
改变循环形式
改变循环形式
提高初温度 t1 提高初压力 p1 降低排汽压力 p2 再热循环 回热循环
热电联产 燃气-蒸汽联合循环 新型动力循环
16
1、蒸汽初压p1对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1 循环平均温差增大。
优点：
• T1
t
• v2' ，汽轮机出口尺寸小。
缺点：
• 对强度要求高；
x • 2' 不利于汽轮机安全；
•一般要求出口干度大于0.88。
17
2、蒸汽初温t1对朗肯循环热效率的影响
h1 h01'
讨论：
1）抽汽回热ηt 上升；
2）抽汽级数越多ηt 越高 ，若级数趋向无穷， ηt =1？
40
思考：1）抽汽回热循环
t
1 T放 T吸
?
其中T 吸 h1 h01' s1 s01'
T 放 h2 h2' s2 s2'
否
t
1
Q2 Q1
1 T放S2 T吸S1
1 T 放 1 s2 s2' T 吸 s1 s01'
• 习题：
– P345, NO.10-3
29
30
提高蒸汽动力循环热效率的途径
郎肯循环 改变循环参数
改变循环形式
改变循环形式
提高初温度 t1 提高初压力 p1 降低排汽压力 p2 再热循环 回热循环
热电联产 燃气-蒸汽联合循环 新型动力循环
31
10-2 再热循环（reheat cycle）
一 再热的目的：克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大造成的危害。
s 膨胀
h
1
5
4
3’
2
3
s
23 凝汽器，湿蒸汽
p T 放热
33’给水泵，凝结水 s 压缩 8
第十九次课 第十章 蒸汽动力装置循环
•复习：
10-1 水蒸气朗肯循环原理
• 讲授：
10-1 提高蒸汽动力循环热效率的途径 10-2 再热循环 10-3 回热循环
9
2. 水蒸气朗肯循环 1）流程图
2）p-v，T-s及h-s图
s 0.4221kJ kg K ,s 8.4725kJ kg K
h 121.30 kJ kg ,h 2553.45kJ kg
21
（2）凝结水泵耗功量 ws，p h3 - h3 v3 p1 - p2 0.001004125 0.004 0.0251kJ kg
进出口水的温差：t t3 - t3 0
p1 , p2不变，t1
增加循环的高温加热段，循环温差增大
优点：
• T1 t
T
1'
1
• x，2' 有利于汽机安全。 5
6
缺点：
4
• 对耐热及强度要求高，
目前最高初温一般在
3
2 2'
550℃左右;
• v2' 汽机出口尺寸大。
s
18
3、排汽压力（背压）p2对朗肯循环热效率的影响
p1 , t1不变，p2 增加循环平均温差。
优点：
• T2 t
缺点：
•受环境温度限制（t2>t0）， 现在大型机组p2为3~4KPa， 相应的饱和温度约为24~ 29℃ ，已接近事实上可能达 到的最低限度。一般冬天热 效率高。
T
5 4
4' 3 3'
1
6
2
2'
s
19
例题1:
• 假定某朗肯循环的蒸汽参数为： t1 600 oC, p2 4kPa,
10
二、朗肯循环的能量分析及热效率
1kg水蒸汽，汽轮机作功： h
ws,12 h1 h2
1
凝汽器中的定压放热量：
5
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功：
ws，p h3 - h3 v3 p1 - p2
锅炉中的定压吸热量：
q1 h1 - h3
4
3’
2
3
s
整个装置作热力系统：
q w
即，q1 - q2 ws，t - ws，p w110
v
3’ 45 1
锅炉，水 p 吸热 变过热水蒸汽
12 汽轮机，过热水蒸汽
s 膨胀
5
锅
1 汽轮机
炉
4
发电机
2
3’
凝汽器
给水泵 3
23 凝汽器，湿蒸汽
p T 放热
33’给水泵，凝结水 s 压缩 7
郎肯循环T-s图和h-s图
T 1
45
3’
3
2
s
3’ 45 1
锅炉，水 p 吸热 变过热水蒸汽
12 汽轮机，过热水蒸汽
再热循环：将汽轮机高压段中膨胀到一定压力的蒸汽重新引到锅
炉的中间加热器(称为再热器)加热升温， 然后再送入汽轮机使之
继续膨胀作功。
T
1 1′
1x2
4
56
再
热
2′
6b
22′
3
2
x2
x2
4Βιβλιοθήκη Baidu
x2 x2
s
1a′
3
32
二、再热对循环效率的影响
忽略泵功：
wnet h1 h6 h1 h2
T
4
1 1′ 56
ws，t h1 - h2 3490 1908.93 1581.07 kJ kg
循环净功
w0 ws,t - ws,p 1581.07 0.0251 1581.04 kJ
kg 23
（5）循环热效率
w0 1581.04 0.469 q1 3368.6
T
4 3’
3
1 5
2 s
24
例2,一理想朗肯循环，以水作为工质，在循环最高压
t
h1 h2 h1 h3
T
1
影响热效率
的参数？
4
5
3’
p1, t1, p2
3
2
s
13
第十九次课 第十章 蒸汽动力装置循环
•复习：
10-1 水蒸气朗肯循环原理
• 讲授：
10-1 提高蒸汽动力循环热效率的途径 10-2 再热循环 10-3 回热循环
14
朗肯循环与卡诺循环比较
•
卡诺循环热效率：t，c
s6 s2 s1 6.52 kJ kg K
p2 5kPa ，t2 32.879 o C
t2即为平均放热温度
23 凝汽器，湿蒸汽 p T 放热
p3 p2 5kPa，T3 T2 32.879 o C 26
3点为饱和水态，查饱和水与饱和水蒸汽表（按压力排列）
ps p3 5kPa 0.005Mpa x3 0 h3 137.72kJ kg
q1
h1 h7
37
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； 回热器投资大；
✓ 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。
T
1
循环的加热量 q1 h1 h3
4
5
23 凝汽器，湿蒸汽 p T 放热 3’
p3 p2 4kPa，T3 T2
3
2
且，3点为饱和水态，查饱和水与饱和水蒸汽表（按压力排列）
s
ps p3 4kPa 0.004Mpa
ts 28.9533oC,v3 v 0.0010041m3 kg ,h3 121.30 kJ kg
试计算当 p1 25MPa时，
T
（1）初态焓值及循环的加热量；
4
（2）凝结水泵耗功量及进出口水的温差；3’
（3）汽轮机做功量及循环净功；
3
（4）汽轮机的排气干度；
（5）循环热效率。
1 5
2 s
20
解：由h-s图，
（1）初态焓值及循环的加热量；
t1 600 oC, p1 25MPa
h1 3490kJ kg，s1 6.34 kJ kg K
38
二、回热循环计算
1. 抽汽量
热平衡方程：
1 h01' h4 h01 h01'
4
忽略泵功 h4 h2' h01' h2'
h01 h2'
2. 回热器(regenerator)R
熵方程：
1 s2' s01 s01' Sf Sg
01′
sCV 0 Sg s01' s01 1 s2'
T放 T吸
2）回热器是间壁式，α怎么求？
3）回热器中过程不可逆，为什么 循环ηt 上升？
41
例A466266再热—回热循环循环理论热效率 例A460200二级抽汽回热抽汽量，循环内部热效率，（研究生）
42
作业
✓水蒸汽朗肯循环、回热循环、再热循环; ✓热效率计算及提高热效率的方法和途径。
本章重点:
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；
3
动力循环研究目的和分类
➢动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得
的热量的一部分转换成对外的净功。热机的工作循 环称为动力循环
2′
q1 h1 h3 h1 h6
3
热效率：
t
wnet q1
(h1 h6 ) (h1 h2 ) (h1 h3 ) (h1 h6 )
t
2
x2
x2
s
？
其他影响：
✓ x末上升（根本目的）；
✓ 中间压力p6在（20%～30%）p1,对热效率提高作用大；
✓ 含湿量d0下降；
✓ 复杂化，投资上升。
第十章 蒸汽动力装置循环
Vapor power cycles
10-1 简单蒸汽动力装置循环-朗肯循环 10-2 再热循环 10-3 回热循环 *10-4 热电合供 *10-5 燃气-蒸汽联合循环
1
–讲授： 第十章 蒸汽动力装置循环
•10-1 简单蒸汽动力装置循环—朗肯循环
2
本章基本要求: • 熟练掌握
T
1
由于水的压缩性很小，水在经过水泵定
4
5
熵加热后，温度升高极小，所以进出口水
3’
的温差近似为零。
3
2
锅炉入口的焓值：
s
h3 ws.p h3 0.0251121.30
121.3251kJ kg
（1）循环的加热量：
q1 h1 h3 3490121.3251
3368.6 kJ kg
22
12 汽轮机，过热水蒸汽 s 膨胀
力为14MPa（p1），循环最高温度为（t1）540℃，和循
环最低压力为（p2）5KPa下运行。若忽略水泵耗功，试 求（1）平均放热温度，（2）平均吸热温度，（3）利用平 均吸热温度和平均放热温度计算循环效率。
25
解：由h-s图， 初态焓值及循环的加热量；
t1 540oC, p1 14MPa
h1 3432.1kJ kg，s1 6.52 kJ kg K