第七章-蒸汽动力循环

2020/6/24第七章蒸汽动力循环§7.1.1Rankine(朗肯)循环§7.1.2Rankine循环的改进2020/6/24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。产功的过程。如火力发电厂，大型化工厂2020/6/24前言33004002223NHHNatmC，合成氨•如何将1atm300atm?•需要压缩机，消耗动力。•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。电•高温热源废热锅炉，产生高压蒸汽压缩机(氢循环压缩机)透平机2020/6/24流体通过压缩机、膨胀机sWQuZgH22§7.1蒸汽动力循环稳定流动体系的热力学第一定理：∵u2≈0，gZ≈0，若绝热过程Q=0Ws=H=H2-H1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。）2020/6/24锅炉透平机水泵冷凝器过热器2341§7.1蒸汽动力循环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。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。2020/6/24锅炉水泵冷凝器透平机2413原理水压缩水加热至过热蒸汽蒸汽作功蒸汽冷凝成水理想Rankine循环123TS4等S膨胀等S压缩等压吸热相变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）。§7.1.1Rankine(朗肯)循环2020/6/24卡诺循环的缺点TS锅炉加热4123透平机后的乏气,汽+液汽+液泵冷凝器透平机缺点之二:对于泵易产生气缚现象缺点之一:透平机要求干度X0.9但2点的X0.88易损坏叶片结论:卡诺循环不适合变热为功!2020/6/24（1）工质进汽轮机状态不同（2）膨胀过程不同郎肯循环与卡诺循环的区别（3）工质出冷凝器状态不同（4）压缩过程不同（5）工作介质吸热过程不同郎肯循环：饱和水郎肯循环：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。郎肯循环：不可逆吸热过程，沿着等压线变化卡诺循环：湿蒸汽卡诺循环：等熵过程卡诺循环：气液共存卡诺循环：等熵过程卡诺循环：等温过程郎肯循环：干蒸汽郎肯循环：不可逆绝热过程2020/6/24锅炉透平机水泵冷凝器过热器2341WS可逆绝热膨胀功Q1Q2WP可逆绝热压缩功141SQHW41HH21HWS12HH322HQ23HH43HWP34HHdPVPP43水）（水34PPV）　（1sWQH稳流体系理想Rankine循环2020/6/24锅炉透平机水泵冷凝器过热器2341WS膨胀功Q1Q2WP压缩功123TS4　可逆TdSQWQU闭系abQ2WN1234121面积净功QQ=面积1ba41Q2=面积2ba32QW0U循环过程2020/6/241TS234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550~600oC。Q2受为环境温度的限制。净功WN=IQ1（面积1ba41）-Q2（面积2ba32）I=面积1234121QQ净功ab理想Rankine循环WN2020/6/24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。RdQTS2020/6/24用T-S图表示热和功(2)容易计算热机循环时的效率热机所作的功W为闭合曲线ABCDA所围的面积。ABCDAABC的面积循环热机的效率曲线下的面积图中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。1211QQQQW2020/6/24T-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。用T-S图表示热和功的优点2020/6/24理想Rankine循环的热效率η和气耗率SSC0PW414321HHHHHH）（）（1QWWPS）（41211HHHHQWS2、气耗率SSC：SpecificSteamConsumption作出1kW.h净功消耗的蒸气公斤数。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）　　（11../3600hKwKgWSSCs2020/6/241TS234实际Rankine循环2’4’22’44’12，44理想朗肯循环（等熵）12’，44’实际朗肯循环（不等熵）实际上，工质在汽轮机和水泵中不可能是完全可逆的，即不可能作等熵膨胀或等熵压缩。这个不可逆性可用等熵效率ηs来表示。等熵效率ηs的定义：“对膨胀作功过程，不可逆绝热过程的做功量与可逆绝热过程的做功量之比。2020/6/241TS2342’4’21'21HHHH等熵效率ηs，透平S，泵S）（）（3'434HHHH可透平不透平,,,,SSWW不泵可泵,,,,SSWW'21'21HHH1,,QWWPS）’（不透平实际Rankine循环的热效率η4121HHHH）’（0’PW实际Rankine循环2020/6/244.0~3.0641211’’）（）热效率HHHHQWWPS）　　　　　（　　）气耗率：11../36007hKwKgWSSCsQ2（放热）Q1吸热’）在锅炉中吸热量4111HHQ123HHWS’）在透平机中对外做功’）在冷凝器中放热量2322HHQ344HHWP’）在水泵中消耗功21'21,,5HHHHWWSSS可不）等熵效率实际Rankine循环1TS232’4’2020/6/24实际与理想Rankine循环的比较理想循环实际循环Q112344’6’112345’5’’6’1Q254’6’655’5’’6’65’WN123456112345’61S1S’4S’5656’4’1234PHPLTS5”5’2020/6/24提高循环的热效率的措施(1)提高蒸气过热温度为增加的功），（阴影部分但由于，虽然，、NWQT11提高蒸气过热温度的影响。有利于透平的安全运行，，乏气干度、T2T4T4’12344’65798TPN2020/6/24提高循环的热效率的措施(2)提高蒸汽压力,75897'34577'7'22'7'4'3'211）（减少部分为几乎相等，但与减少的功增加的功几乎不变，，、QWPN。不利于透平的安全运行，，乏气干度、但P2T42’3’4’6798TPH*S11’2347’5PHPL2020/6/24提高循环的热效率的措施(3)降低乏气压力（背压）1、降低背压时所增加的功比增加的热量大，因而提高了整个循环的热效率。2、降低背压会降低乏气的干度，应注意。PHPLP’L986’1’1234575’TS2020/6/24§7.1.2Rankine循环的改进1、回热循环：16TS23451Kgα1-α锅炉透平机水泵冷凝器过热器2341回热加热器水泵2’2’α1-α561Kg抽出部分蒸汽αKg到回热加热器2020/6/24回热循环与Rankine循环比较优点：(1)提高了水在锅炉中吸热的温位，从而增加了蒸汽有效能量，做功本领变大。(2)整个循环的工质只有一部分通过冷凝器．排往自然环境的有效能减少。(3)减少锅炉热负荷和冷凝器换热面积，节省金属材料。缺点：1）中压蒸气和水在水加热器中不可逆混合，损失了部分有效能。2）设备增加。总之，利大于弊！现代蒸汽动力循环普遍采用这种方式。根据需要，可分为多次。2020/6/24谢谢！