第6章蒸汽动力循环

wT 888 = = 0.283 或 28.3% qB 3133
在高温和低温下运行卡诺循环的热效率为
η = 1−
TL 353 = 1− = 0.543 或 54.3% TH 773
图 6.3 例 ４： 一超临界再热一回热循环 Ｔ—ｓ 图如图 ６．４ 所示，系统中有两个再热阶段和两个开式 给水加热器。计算循环可能达到的最大效率。 T ⑥ ⑧ 30MPa ⑤ ④ ③ ② ①
计算出循环热效率为
η=
wT 2316 = = 0.467 或 46.7% qB 4956
图 6.2 例 3：一兰金循环，冷凝器出口温度 80℃，锅炉出口温度 500℃，泵的出口压力 2Mpa，计 算此循环的最大热效率。比较在相同温度范围下运行的卡诺循环的热效率。 解 ：为计算热效率，必须先确定汽轮机输出功和锅炉吸热量。计算汽轮机输出功如下（参考 图 6.3） ： 在状态点 3 h3 = 3468kJ / kg , s3 = 7.324 kJ / kg ⋅ K 在状态点 4
计算汽轮机输出功
WT = (1) (h 6 - h 7 ) + (1 - m 7 )(h 8 − h 9 ) + (1 - m 7 - m 9 )(h 10 - h 11 ) = 3444 - 2891 + (0.7561)(3674 - 2809) + (0.6657) (3174 - 2557) = 1609(kW)
T6 = T8 = 600°C T10 = 350°C
4MPa 0.2MPa 0.01MPa ⑨
⑩
⑾ S
图 ６．４ 解： 从蒸汽表查得焓
h 1 ≈ h 2 = 192kJ/kg, h 4 ≈ h 5 = 1087kJ/kg, h 8 = 3674kJ/kg
h 3 = 575kJ/ kg, h 6 = 3444kJ/kg, h10 = 3174kJ/kg
提高热效率。 ３、采用加热和再热的目的是什么？为什么在相同的温度范围内，回热循环的热效率高于朗 肯循环的热效率？（用 Ｔ－Ｓ 图说明） 。 ４、分析动力循环经济性的方法有哪几种？各有何特点？ ５、蒸汽动力循环热效率低的主要原因是什么？如何提高热能的利用率？采用热电循环热效 率是提高了还是降低了？ ６、能否在蒸汽动力装置中将全部蒸汽抽出来用于回热。 （这样就可取消冷凝器）从而提高热 效率？能否不让乏汽凝结放热，而用压缩机直接将乏汽压入锅炉，从而节约热能，提高热效 率？ ７、 能量利用系数说明了全部能量利用的程度， 为什么又说不能完善地说明循环的经济性呢？ ８、由于冷凝器作用，蒸汽排汽温度已接近自然环境温度，即已充分利用了可能达到的冷源 温度，为什么说大量热量损失到外界去了？ ９、在蒸汽的朗肯循环中，如何理解热力学第一、二定律的指导作用？ １０、既然卡诺循环在一定温限中热效率最高，为什么理论蒸汽动力循环不采用卡诺循环，而 采用朗肯循环？ １１、将朗肯循环表示在 ｐ－ｖ、Ｔ－Ｓ、ｈ－ｓ 上，并说明采用过热蒸汽的原因。 １２、提高朗肯循环热效率有哪些主要途径？利用 Ｔ－Ｓ 图和 ｈ－ｓ 图说明。 13、已知氨压缩机的吸汽状态为 p=0.14MPa，温度 t=-20℃，试利用氨的 lgP-h 图确定制冷剂 处于什么状态，它的焓值和比体积是多少? 14、已知进人冷凝器时氨的状态参数 p=1.6MPa，s=5.525 kj /( kg ⋅ k ) ，试确定此氨蒸汽是干 蒸汽、湿蒸汽还是过热蒸汽?它的焓值等于多少?若经过冷凝器后变为饱和液体，试确定 1kg 氨蒸汽在冷凝过程中放出的热量? １５、某朗肯循环的蒸汽参数取为 t1 ＝５５０ 0 C ， p1 ＝３０ｂａｒ， p 2 ＝０．０５ｂａｒ。试计算 １） 水泵所 消耗的功量， ２） 汽轮机作功量， ３） 汽轮机出口蒸汽干度， ４） 循环净功， ５） 循环热效率。 １６、试述实际采用的各种制冷装置循环与逆卡诺循环的主要差异是什么？ １７、在一理想再热循环中，蒸汽在 ６８．６７ｂａｒ、４００℃下进入高压汽轮机，在膨胀至 ９．８１ｂａｒ 后，将此蒸汽定压下再热至 ４００℃，然后此蒸汽在低压汽轮机中膨胀至 ０．０９８１ｂａｒ，对每公 斤蒸汽求下列各值： （１）高压和低压汽轮机输出的等熵功； （２）给水泵的等熵压缩功； （３） 循环热效率； （４）蒸汽消耗率。 １８、某蒸汽动力循环。汽轮机进口蒸汽参数为 ｐ１ ＝１３．５ｂａｒ，ｔ１ ＝３７０℃，汽轮机出口蒸汽参数 为 ｐ２ ＝０．０８ｂａｒ 的干饱和蒸汽，设环境温度 ｔ０ ＝２０℃，试求： （１）汽轮机的实际功量、理想功 量、相对内效率； （２）汽轮机的最大有用功量、熵效率； （３）汽轮机的相对内效率和熵效率 的比较。 １９、一理想蒸汽压缩制冷系统，制冷量为 ２０ 冷吨，以氟利昂 ２２ 为制冷剂，冷凝温度为 ３０ ℃，蒸发温度为－３０℃。求： （１）１ 公斤工质的制冷量 ｑ０ ；（２）循环制冷量； （３）消耗的功率； （４）循环制冷系数； （５）冷凝器的热负荷。 20、制冷机在-10℃和 ３０℃的热源间工作，若其吸热为 10kW，循环制冷系数是同温热源间 逆向卡诺循环的 70%，试求:(1)向高温热源的放热量;(2)循环净耗功量。 21、某单级压缩蒸汽制冷理论循环，工作于高温热源为 30℃，低温热源为-15℃之间，分别 采用制冷剂 R717 及 R134a，试比较其理论循环制冷系数。 ２２、一空气制冷装置的制冷量 Ｑ０ ＝８３６４００ｋＪ／ｈ。空气压缩机吸入空气的压力 ｐ１ ＝０．９８１ｂａｒ，温 度 ｔ１ ＝－１０℃，经压缩后空气的压力 ｐ２ ＝０．９８１ｂａｒ，温度 ｔ１ ＝－１０℃，经压缩后空气的压力
h2 ≅ h1 = 121.5 kJ / kg ， h3 = 3642 kJ / kg ， h5 = 3698 kJ / kg , h7 = 3705 kJ / kg s3 = s4 = 7.021 kJ / kg ⋅ K ， s5 = s6 = 8.030 kJ / kg ⋅ K , s7 = s8 = 9.098 kJ / kg ⋅ K
T
⑥ m=1kg/s ⑤
⑧
1− m 2
⑩ ⑨ ⑾ S 图 ６．５
1- m7 ④ m 7
② ① ③
m9
1 − m 7 − m9
应用热力学第一定律。
h 5 = h 7 m7 + (1 - m 7 )h 3 , m 7 =
h 5 − h 3 1087 - 505 = = 0. 2439(kg/s) h 7 - h 3 2891 - 505
6.2339 - 6.0709 s 6 = s 7 = 6.2339, h 7 = (2961 − 2801) + 2801 = 2891 kJ/kg, s 8 = s 9 = 7.3696 6.3622 - 6.2339 7.3696 - 7.2803 h9 = (2870 - 2769) + 2769 = 2809kJ/ kg, s10 = s 11 = 8.0636 7.5074 − 7.2803
x 11= 8.0636 - 0.6491 = 0.9883, h 11 = 192 + (0.9883)( 2393) = 2557kJ / kg 7. 5019
对两个给水加热器应用热力学第一定律。设 m1 = 1kg / s 。其他质量流量如图 ６．５。对高压 回热器
锅炉吸热量为
q B =h 3 −h 2 +h 5 −h 4 + h7 − h6 = 3642 − 122 + 3698 − 2995 + 3705 −2972 = 4956 kJ / kg
汽轮机耗功为 wT = h 3 − h 4 + h 5 − h6 + h7 − h8
= 3642 − 2995 + 3698 − 2972 + 3705 − 2762 = 2316 kJ / kg
s4 = s3 = 7.324 = 1.075 + 6.538x4
因此， x4 = 0.9723 ， h4 = 335 + ( 0.9723 × 2309) = 2580kJ / kg 及
wT = h 3 − h4 = 3468 − 2580 = 888kJ / kg ，
计算锅炉吸热量，设 h2 = h1（忽略泵的耗功） q B = h3 − h2 = 3468 − 335 = 3133 ( kJ / kg ) 。 循环热效率为η =
循环效率还算高
η=
1609 = 0.504 或 50.4% 3192
效率较高是由于吸热过程压力很高为 ３０ＭＰａ。 在高压系统中必须均衡考虑耐压装置所耗 资金与效率提高量之间的大小关系。注意：状态点 １１ 处于温蒸汽区无关紧要。因为 x 11 ，非 常接近 １。下一节将说明，热损失使状态点 １１ 产生摘增，结果状态点 １１ 通常处于过热区。 四 思考与练习： １、各种气体动力循环和蒸汽动力循环，经过理想化以后可按可逆循环进行计算，但所得理 论热效率即使在温度范围相同的条件下也并不相等。这和卡诺定理有矛盾吗。 ２、 能否在蒸汽动力循环中将全部蒸汽抽出来用于回热（这样就可以取消凝汽器， 从而提高热 效率，能否不让乏汽凝结放出热量，而用压缩机将乏汽直接压入锅炉，从而减少热能损失，
根据热力学第一定律，对低压给水加热器有 (1 - m 7 )h 3 = m 9 h 9 + (1 - m 7 - m 9 )h 2
m9 =
(1 - m 7 ) - h 2 + m7 h 2 (1 − 0.2439)( 505) − 192 + ( 0.2439)(192) = = 0.0904(kg / s) h9 − h 2 2809 − 192
s 4 = s f + x 4s fg ， 7.1279 = 0.6491 + 7.5019x 4
则 x 4 = 0.8636 ，则可求得 h 4
h 4 = 192 + (0.8636)( 2393) = 2259( kJ / kg )