第八章 动力循环.

能量贬值原理 : 在不可逆过程中,虽然能量的数 量不变,但火用减少了,能级降低了,即能量的品 质下降了.
7.4 火用方程
exq (exh1 exh2 ) wt el exq (exu1 exu 2 ) wu el
7.5 火用效率与热效率
实际利用的火用值之和 ( Ex) a ex 提供的火用值之和 ( Ex)th
汽机不可逆( 1 2 ’)
5
4’ 4 3
给水泵不可逆( 3 4 ’)
2 2’
s
实际蒸汽动力循环分析方法
热一律：热效率分析法
√
热二律：熵分析法 Ex分析法
√
实际蒸汽动力循环热效率法
忽略泵功 h4' h3 1’’ 1’ 1 可逆循环 h1 h2 t h1 h3 效率 汽机相对 h1 h2' oi 内效率 h1 h2 管道和节 h1 h3 流，管 tu h1'' h3 道效率 2 2’ 锅炉散热 h1'' h3 和排烟， B q f s 锅炉效率
3. 尽管采用较高的蒸汽参数，但由于水蒸
汽性质的限制，郎肯循环平均吸热温度仍 然不高，热效率较低.故现代大、中型蒸汽 动力装置中所采用的较复杂的蒸汽动力循 环，都是在它的基础上加以改进后得到的。 例如后面即将介绍的再热循环与回热循环.
§实际蒸汽动力循环分析
非理想因素：
T 1’’ 1’ 1
蒸汽管道摩擦降 压，散热(1’’1’) 汽机汽门节流( 1’ 1 )
如何提高郎肯循环的热效率
h1 h2 t h1 h3
T 5 4 3
1 6 2 s
影响热效率 的参数:
p1 t 1 p2
蒸汽初压对热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T 5 优点：
• •
T1 v2'
t
，汽轮机出口
5'
1' 1 6'
6
4
4'
3
2' 2
s
尺寸小 缺点： • 对强度要求高 • x2' 不利于汽 轮机安全。一般 要求出口干度大 于0.85~ 0.88
第八章 动力循环
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。
研究目的：合理安排循环，提高热效率 热机：将热能转换为机械能的设备。 热机的工作循环即为动力循环。
动力循环分类
内燃式 燃气本身就是工质
按燃料燃 烧方式
如内燃机 空气为主的燃气 理想气体
T
5
4’ 4 3
整个实际蒸汽动力循环热效率
h1 h3 tu h1'' h3h3 h1'' B qf T 5
收益 循环净功 wnet ＝ ＝ 代价 燃料热量 qf (h1 h2 )oi h1 h2' 1’’ 1’ qf (h1'' h3 ) / B 1 (h1 h2 ) B oi (h1 h3 ) / tu 4’ h1 h2' oi (h1 h2 ) h1 h2 4 3 2 2’ (h h ) B oi tu 1 3 h1 h2 t t B oi tu s h1 h3
整个电厂热效率
电厂
T
wg 电机 wM 收益 电功 ＝ ＝ qf 代价 燃料热量 qf 机械 wnet 1’’ 电机 1’ qf 1 5 t B oi tu 机械 电机
wM 4’ 机械 机械效率 4 wnet 3 2 2’ wnet wg ＝ t B oi tu 电机效率 电机 qf wM s
外燃式 燃料放出的热量通过间壁 传给工质。 如外燃机 水蒸气等 实际气体
气体动力循环：工质只发生状态改变
按工质 蒸汽动力循环：工质发生相变 只讨论
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的比较 3、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 4、再热、回热原理、图示及计算
§8-1 蒸汽卡诺循环
wmax exh1 exh2 h1 h2 T0 s1 s2
1
2
稳定流动工质的焓Ex举例
燃烧室
压气机 t1=900℃ p1=8.5bar 燃气轮机
t0=25℃ p0=1.0bar
R=0.287kJ/kg.K 求: exh1, exh2
t2=477℃ p2=1.03bar
蒸汽初温对热效率的影响
p1 , p2不变，t1
T 5 4 3 2 2' s 优点：
•
1'
1 6
•
T1 x2'
t
，有利于汽轮
机安全。 缺点： • 对耐热及强度要求 高，目前蒸汽初温 很少超过600℃。 • 汽机出口尺寸大
v2'
乏汽压力对热效率的影响
p1 , t1不变，p2
C T 5 4 1 6 优点：
T
发电机 4 2 C p
3
郎肯循环
凝汽器和冷却塔系统图
冷却塔
C
冷凝器
冷却塔实体图
郎肯循环pv图
S B 6
1 2
T
p 4
4
发电机
C 3
5 6
1
2
v p 12 汽轮机 s 膨胀 46 锅炉 p 吸热 23 凝汽器 p 放热 在汽轮机出口，工质达到低压 下湿蒸汽状态，称为乏汽。 61 过热器 p 吸热 34 给水泵 s 压缩
T
5
4 38 6
1
72
s
郎肯循环热效率的计算
q1 h1 h4
ws ,12 h1 h2
T
1
5
q2 h2 h3
ws ,34 h4 h3
4
3
6 2
h3 h4
t
ws ,12 q1 h1 h2 h1 h3
s
§8-3 蒸汽回热循环(regenerative)
郎肯循环pv和Ts图
p 4 T 1
5 6
3
1 4 2 v 3
5
6 2
郎肯循环与卡诺循环比较
① 乏气的凝结是完全； ② 冷凝水由泵泵入锅炉，简化了设备，但增 加了水的定压加热过程4→5，降低了平均 吸热温度，从而使热效率降低； ③ 蒸汽在过热器中的定压吸热 过程，提高了平均吸热温度， 而且提高了乏气的干度，改善 了汽轮机的工作条件。
T
5
4 38 6
1
72
s
郎肯循环热效率的计算
q h wt
锅炉、过热器中的定压吸热量：
T
5 4 3 6
1
q1 h1 h4
汽轮机作功：
2
s
ws ,12 h1 h2
冷凝器中的定压放热量：
q1 S B
6
4
1
2 p C
T ws,1-2
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功：
q2 3
3
S B
6
1 2
T
郎肯循环Ts和hs图
C
4
发电机
T
p 5
3
1
h 1 5 2 s 4 3 6 2
4
3
6
郎肯循环与卡诺循环比较
① 乏气的凝结是完全； ② 冷凝水由泵泵入锅炉，简化了设备，但增 加了水的定压加热过程4→5，降低了平均 吸热温度，从而使热效率降低； ③ 蒸汽在过热器中的定压吸热 过程，提高了平均吸热温度， 而且提高了乏气的干度，改善 了汽轮机的工作条件。
ws ,34 h4 h3
ws,3-4
wnet t q1
ws ,12 ws ,34 q1
一般很小，占 0.8~1%，忽 略泵功 T
ws ,34 h4 h3
0
h3 h4
t
ws ,12 q1 h1 h2 h1 h2 h1 h4 h1 h3
缺点：
c
2 v
1、绝热压缩过程难以实现，因为缺少压缩水汽混 合物的合适设备。
2、定熵膨胀末期,蒸汽湿度较大,对汽轮机工作不利.
3、蒸气比体积比水大上千倍,压缩时设备庞大,耗功也大. 4、蒸气卡诺循环仅限于湿蒸气区,上限温度T受制于临界 温度,因此热效率不高,每循环完成的功也不大.
闭口系统内能的Ex exu u1 u0 T0 s1 s0 p0 v1 v0
提高循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式 改变循环形式
提高初温度 提高初压力 降低乏汽压力 再热循环 郎肯循环的改进 回热循环
热电联产 燃气-蒸汽联合循环 新型动力循环
内 容 回 顾
§8-2 郎肯循环pv图
S B 6 4 1 2 T 发电机 C p 3
46 锅炉
p 吸热
61 过热器 p 吸热 12 汽轮机 s 膨胀 23 凝汽器 p 放热 34 给水泵 s 压缩
p
实际生产中并不采用 蒸汽卡诺循环
5 3
1
缺点：
c
2 v
Baidu Nhomakorabea
1、绝热压缩过程难以实现，因为缺少压缩水汽混 合物的合适设备。
2、定熵膨胀末期,蒸汽湿度较大,对汽轮机工作不利.
3、蒸气比体积比水大上千倍,压缩时设备庞大,耗功也大. 4、蒸气卡诺循环仅限于湿蒸气区,上限温度T受制于临界 温度,因此热效率不高,每循环完成的功也不大.
§8-2 郎肯循环
S T 发电机 C p
水蒸汽动力循环流程示意图
B
五个主要装置： 锅炉 过热器 汽轮机 冷凝器 凝汽器 给水泵
水蒸气动力循环系统的简化
简化（理想化）： S B 6 1 46 锅炉 p 吸热 61 过热器 p 吸热 12 汽轮机 s 膨胀 23 凝汽器 p 放热 34 给水泵 s 压缩
闭口系由1 最大功 2的可逆过程，工质作的
wmax exu1 exu2 u1 u2 T0 s1 s2 p0 v1 v2
p0
稳定流动工质的焓Ex
exh h1 h0 T0 s1 s0
由初态1 终态2的可逆过程，工质作的 最大功
7.3 火用损失(作功能力损失)
El T0S g T0 Siso
• 工质因过程不可逆引起的作功能力的损
失是过程熵产与环境介质温度的乘积。 不论什么工质，不论何种不可逆过程， 也不论工质温度是高于还是低于环境温 度，工质的作功能力的损失均可用此式 计算。
7.3.3 能级与能量贬值原理
能量火用值 能量数量
Wnet 动力装置 ex Exin Exout
耗功装置 Exout Exin ex
W
冷流体得到的Ex 换热设备 ex 热流体放出的Ex
热力循环
按能 量转 换形 式
按工 质种 类
动力循环 热能
机械能
热量从低温传 向高温物体
广义热泵循环 机械能
气体循环：工质只发生状态改变
蒸汽循环：工质发生相变
cp=1.10kJ/kg.K
燃气轮机最大功
7.3 火用损失(作功能力损失)
El T0S g T0 Siso
• 工质因过程不可逆引起的作功能力的损
失是过程熵产与环境介质温度的乘积。 不论什么工质，不论何种不可逆过程， 也不论工质温度是高于还是低于环境温 度，工质的作功能力的损失均可用此式 计算。
气体卡诺循环
缺点： 1、气体的定温吸热和定温放热过程难以实现。
2、每循环完成的功较小。
蒸气卡诺循环 1 2 c 5 p T 5 3 c 1 2 5 3 c 1 2
v 定温吸热可在锅炉内近似实现 1、 定温放热可在冷凝器内近似实现
s
2、 每循环可获得较多的功
p 实际生产中并不采用 蒸汽卡诺循环 5 3 1
1
5
4
3
6 2
s
汽耗率的概念
工程上常用汽耗率, 反映装置经济性，设备尺寸 汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h d 3600 功量所消耗的蒸汽量kg wnet wnet 的单位是kJ/kg 1kW=1 kJ/s
kg kg kg 3600kg 3600 d kW h kJ h kJ h kJ wnet s 1 h 3600
1 1kg
抽汽 T
7
α kg 2
冷凝水
S
B
6
5
C
3
p
R
4
回热器
p
(1-α )kg
去凝汽器 表面式回热器 抽汽 给水 冷凝水 混合式回热器
•
T2
t
缺点：
•受环境温度限制，现在 大型机组p2为 0.003~0.005MPa，相应 的饱和温度约为24~ 33℃ ，已接近事实上可 能达到的最低限度。
4' 3 3'
2
2'
s
p2
x2'
综上所述，可将蒸汽参数对循环热效率的 影响归结如下：
1. 提高蒸汽p1 , t1降低p2可以提高循环的热效率， 因而现代蒸汽动力循环都朝着采用高参数、大容量 的方向发展。 2. 提高初参数 p1 , t1后，因循环热效率增加而使动 力厂的运行费用下降。但由于高参数的采用，设备 的投资费用和一部分运行费用又将增加，因而在 一般中小型动力厂中不宜采用高参数。究竟多大容 量采用多高参数方为合适，须经全面地比较技术经 济指标后确定。