第11章蒸汽动力循环一、教案设计教学目标：使学生熟练掌握水蒸气朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径。知识点：朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径重点：分析朗肯循环的分析方法，提高循环循环效率的方法和途径。难点：回热循环、再热循环以及热电循环：提装置循环效率的方法和途径。教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论师生互动设计：提问+启发+讨论问：自己观察过身边的热力系统的状态变化吗？③问：你以前知道热力系统的状态变化往往伴随着系统与外界间能量的交换吗？?问：你知道温度计什么原理吗？温度计测温的理论依据你思考过吗？?问：用过压力计吗？氧气瓶上压力表读数是瓶中的真实压力吗？?问：能举出几个具体的强度量、广延量？热力过程、热力循环？?问：爆炸过程能认为是准静态过程吗？?问：你能说出过程量与状态量的区别吗？请具体举例。?1问：你遇到的哪些现象属于不可逆现象？学时分配：4学时+2讨论二、基本知识热机：将热能转换为机械能的设备叫做热力原动机。热机的工作循环称为动力循环。动力循环：可分蒸汽动力循环和气动力循环两大类。80
80 第 11 章 蒸汽动力循环 一、教案设计 教学目标: 使学生熟练掌握水蒸气朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电 循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径。 知 识 点：朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计 算及提高热效率的方法和途径 重 点：分析朗肯循环的分析方法，提高循环循环效率的方法和途径。 难 点：回热循环、再热循环以及热电循环；提装置循环效率的方法和途 径。 教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论 师生互动设计：提问+启发+讨论 ☺ 问：自己观察过身边的热力系统的状态变化吗？ ☺ 问：你以前知道热力系统的状态变化往往伴随着系统与外界间能量的交 换吗？ ☺ 问：你知道温度计什么原理吗？温度计测温的理论依据你思考过吗？ ☺ 问：用过压力计吗？氧气瓶上压力表读数是瓶中的真实压力吗？ ☺ 问：能举出几个具体的强度量、广延量？热力过程、热力循环？ ☺ 问：爆炸过程能认为是准静态过程吗？ ☺ 问：你能说出过程量与状态量的区别吗？请具体举例。 ☺ 问：你遇到的哪些现象属于不可逆现象？ 学时分配：4 学时+2 讨论 二、基本知识 热机：将热能转换为机械能的设备叫做热力原动机。热机的工作循环称为动力循环。 动力循环：可分蒸汽动力循环和气动力循环两大类
第一节蒸汽动力基本循环一朗肯循环朗肯循环是最简单的蒸汽动力理想循环，热力发电厂的各种较复杂的蒸汽动力循环都是在朗肯循环的基础上予以改进而得到的。、装置与流程蒸汽动力装置：锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵等四部分主要设备。工作原理：p-V、T-s和h-S。朗肯循环可理想化为：两个定压过程和两个定过程。3°-4-5-1水在蒸汽锅炉中定压加热变为过热水蒸气，1-2过热水蒸气在汽轮机内定煸膨胀，2-3湿蒸气在凝汽器内定压（也定温）冷却凝结放热，3-3°凝结水在水泵中的定情压缩。二、朗肯循环的能量分析及热效率取汽轮机为控制体，建立能量方程h,-h,nh,-h3过热器汽轮机装务n发电机凝汽器冷却水给水泵O（α）工作原理图(b) p-v图三、提高朗肯循环热效率的基本途径依据：卡诺循环热效率81
81 第一节 蒸汽动力基本循环一朗肯循环 朗肯循环是最简单的蒸汽动力理想循环，热力发电厂的各种较复杂的蒸 汽动力循环都是在朗肯循环的基础上予以改进而得到的。 一、装置与流程 蒸汽动力装置：锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵等四部分主要设备。 工作原理：p-v、T-s 和 h-s。 朗肯循环可理想化为：两个定压过程和两个定熵过程。 3’-4-5-1 水在蒸汽锅炉中定压加热变为过热水蒸气， 1-2 过热水蒸气在汽轮机内定煽膨胀， 2-3 湿蒸气在凝汽器内定压(也定温)冷却凝结放热， 3-3’凝结水在水泵中的定情压缩。 二、朗肯循环的能量分析及热效率 取汽轮机为控制体，建立能量方程: 1 3 1 2 h h h h − − = 三、提高朗肯循环热效率的基本途径 依据：卡诺循环热效率
1.提高平均吸热温度直接方法式提高蒸汽压力和温度。2.降低排气温度W2&16(c) T-s图[d)-图例1：某朗肯循环的蒸汽参数取为t=550°C，P,=30bar，P,=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。解：根据蒸汽表或图查得1、2、3、4各状态点的恰、值：h,=3568.6KJ/kgs,=7.3752kJ/kgKh,=2236kJ/kgS2=7.3752kJ/kgKh,=137.8kJ /kgS,=0.4762kJ/kgKha=140.9kJ/kg则1）水泵所消耗的功量为w, = hg -h,=140.9-137.78=3.1kJ/kg2）汽轮机作功量w, = h, -h,=3568.6-2236=1332.6kJ/kg3）汽轮机出口蒸汽干度P,=0.05bar时的s,=0.4762kJ/kgKKs,=8.3952kJ/kgK82
82 1．提高平均吸热温度 直接方法式提高蒸汽压力和温度。 2．降低排气温度 . 例 1：某朗肯循环的蒸汽参数取为 1 t =550 C 0 ， 1 p =30bar， 2 p =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。 解：根据蒸汽表或图查得 1、2、3、4 各状态点的焓、熵值： 1 h =3568.6KJ/kg 1 s =7.3752kJ/kgK 2 h =2236kJ/kg 2 s =7.3752kJ/kgK 3 h =137.8kJ /kg 3 s =0.4762kJ/kgK 4 h =140.9kJ/kg 则 1) 水泵所消耗的功量为 wp = h4 − h3 =140.9-137.78=3.1kJ/kg 2) 汽轮机作功量 wt = h1 − h2 =3568.6-2236=1332.6kJ/kg 3) 汽轮机出口蒸汽干度 2 p =0.05bar 时的 ' 2 s =0.4762kJ/kgK " 2 s =8.3952kJ/kgK
则 x=-=0.87S2-S2或查h-s图可得x=0.87.4)循环净功Wo =wr -wp=1332.6-3.1=1329.5kJ/kg5）循环热效率qi=h-hy =3568.6-140.9=3427.7KJ/kg故="0 =0.39=39%q1(i)p3a=6.867bar，t3a=490℃水泵的功w=V(p2a-p)-0.8=0.001(686.7-9.81)-0.8=0.846kJ/kgWner=923.57-0.846=922.72kJ/kg(ii)p3=58.86bar，t36=490℃水泵的功=(Pzb-p)0.8=0.001(5886-9.81)-0.8=7.34kJ/kgWne=1057.5-7.34=1050.16kJ/kg第二节回热循环与再热循环目的：提高等效卡诺循环的平均吸热温度一、回热循环抽气回热循环：用分级抽汽来加热给水的实际回热循环。设有1kg过热蒸汽进入汽轮机膨胀作功。当压力降低至p。时，由汽轮机内抽取α1kg蒸汽送入一号回热器，其余的(1-α1)kg蒸汽在汽轮机内继续膨胀，到压力降至P.时再抽出α2kg蒸汽送入二号回热器，汽轮机内剩余的(1-α1-83
83 则 = − − = ' 2 " 2 ' 2 2 s s s s x 0.87 或查 h-s 图可得 x =0.87. 4) 循环净功 w0 = wT − wp =1332.6-3.1=1329.5kJ/kg 5) 循环热效率 q1 = h1 −h4 =3568.6-140.9=3427.7KJ/kg 故 1 0 q w T = =0.39=39% （i）p3a=6.867bar，t3a=490℃ 水泵的功 w p = v( p2a − p1 ) 0.8 =0.001(686.7-9.81)÷0.8=0.846kJ/kg wnet=923.57-0.846=922.72kJ/kg (ii) p3b=58.86 bar，t3b=490℃ 水泵的功 w p = v( p2b − p1 ) 0.8 =0.001(5886-9.81)÷0.8=7.34 kJ/kg wnet=1057.5-7.34=1050.16 kJ/kg 第二节 回热循环与再热循环 目的：提高等效卡诺循环的平均吸热温度 一、回热循环 抽气回热循环：用分级抽汽来加热给水的实际回热循环。 设有 1kg 过热蒸汽进入汽轮机膨胀作功。当压力降低至 6 p 时，由汽轮机内 抽取α1kg 蒸汽送入一号回热器，其余的(1-α1) kg 蒸汽在汽轮机内继续膨胀， 到压力降至 8 p 时再抽出α2kg 蒸汽送入二号回热器，汽轮机内剩余的(1-α1-
α2)kg蒸汽则继续膨胀，直到压力降至p，时进入凝汽器。凝结水离开凝汽器后，依次通过二号、一号回热器，在回热器内先后与两次抽汽混合加热，每次加热终了水温可达到相应抽汽压力下的饱和温度。注意：电厂都采用表面式回热器（即蒸汽不与凝结水相混合）其抽汽回热的作用相同。Wo_ (h, -h,)+(1-α,)(hg -hg)+(1-α, -α2)(hg -h,)n=h, -hq汽轮机发电机a锅炉冷却水凝汽器T给永泵（a）工作原理围(b) T-s图二、再热循环再热的目的：克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大造成的危害。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。12过热器汽轮机再热器54锅炉发电机6凝汽器冷却水给水泵(b) T-s图（a）工作原理图84
84 α2) kg 蒸汽则继续膨胀，直到压力降至 2 p 时进入凝汽器。凝结水离开凝汽器 后，依次通过二号、一号回热器，在回热器内先后与两次抽汽混合加热，每 次加热终了水温可达到相应抽汽压力下的饱和温度。 注意：电厂都采用表面式回热器(即蒸汽不与凝结水相混合),其抽汽回热的 作用相同。 1 7 0 1 5 1 6 8 1 2 8 2 ( ) (1 )( ) (1 )( ) h h h h h h h h q w − − + − − + − − − = = 二、再热循环 再热的目的：克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大造成的危害。 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
n= "o= (h -h.)+(h -ha)q(h -hg)+(hj-hg)例2：某蒸汽动力循环。汽轮机进口蒸汽参数为p1=13.5bar，t=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to=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、炳效率；（3）汽轮机的相对内效率和熵效率的比较。解：先将所研究的循环表示在h-s图（图10.3）上，然后根据已知参数在水蒸气图表上查出有关参数：hi=3194.7kJ/kg Si=7.2244kJ/(kg·K)h, =h'=hj=2577.1 kJ/kgS, = s’ = s=8.2295 kJ/(kg K)h,=173.9 kJ/kgs =0.5926 kJ/(kg K)S2-s2_7.2244-0.59266=0.8684=s-s28.2295-0.5926h=h+x(h-h)=173.9+0.8684(25771-173.9)=2259.9kJ/kg(1)汽轮机的实际功量：W12=h1-h2=3194.7-2577.1=617.6kJ/kg汽轮机的理想功量：Wi2=h,-h,=3194.7-2259.9=934.8kJ/kg汽轮机的相对内效率617.6nn=W_= 0.661934.8W2（2）汽轮机的最大有用功和熵效率汽轮机的最大有用功Wnmax =e-ex =(h -Ts,)-(h, -T,s,)=(3194.7-293×7.2244)-(2577.1-293×2.2295)=912.1kJ/kg617.6W125汽轮机的炳效率：n3x=0.677912.1Wr-max（3）汽轮机的相对内效率和效率的比较85
85 ( ) ( ) ( ) ( ) 1 3 1' 6 0 1 6 1' 2' h h h h h h h h q w − + − − + − = = 例 2：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。 解：先将所研究的循环表示在 h-s 图（图 10.3）上，然后根据已知参数在 水蒸气图表上查出有关参数： h1=3194.7kJ/kg s1=7.2244kJ/(kg·K) h2 = h2 = h2 = 2577.1 kJ/kg s2 = s2 = s2 = 8.2295 kJ/(kg·K) h2 =173.9 kJ/kg s2 = 0.5926 kJ/(kg·K) k J k g h h x h h 173.9 0.8684(25771 173.9) 2259.9 / ( ) 2 2 2 2 2 = + − = = + − (1)汽轮机的实际功量：w12=h1-h2=3194.7-2577.1=617.6 kJ/kg 汽轮机的理想功量： w12 = h1 − h2 = 3194.7 − 2259.9 = 934.8 kJ/kg 汽轮机的相对内效率 0.661 934.8 617.6 12 12 = = = w w ri （2）汽轮机的最大有用功和熵效率 汽轮机的最大有用功 k J k g w e e h T s h T s n x x 912.1 / (3194.7 293 7.2244) (2577.1 293 2.2295) ( ) ( ) max 1 3 1 0 1 2 0 2 = = − − − = − = − − − 汽轮机的熵效率： 0.677 912.1 617.6 max 12 3 = = = n x w w （3）汽轮机的相对内效率和熵效率的比较 0.8684 8.2295 0.5926 7.2244 0.5926 2 2 2 2 2 = − − = − − = s s s s x
计算结果表明，汽轮机的对内效率n，小于熵效率n。。因为这两个效率没有直接联系，它们表明汽轮机完善性的依据是不同的。汽轮机的相对内效率n。是衡量汽轮机在给定环境中，工质从状态可逆绝热地过渡到状态2所完成的最大有用功量（即两状态摘的差值）利用的程度，即实际作功量与最大有用功量的比值。注意：汽轮机内工质实现的不可逆过程1-2，可由定过程1-2”和可逆的定压定温加热过程2’-2两个过程来实现。定过程1-2的作功量为Wiz=h,hz.=934.8kJ/kg在可逆的定压定温加热过程2-2中，使X2·=0.8684的湿蒸汽经加热变为相同压力下的干饱和蒸汽，其所需热量为92=h2-h2°。因为加热过程是可逆的，故可以想象用一可逆热泵从环境（To=293K）向干饱和蒸汽（T2=314.7K）放热。热泵消耗的功量为W2 2=q2-To =(h -h.)-T.(s - s2)=22.7 k/kg。T,故1-2过程的最大有用功为Wwomax=W2-Wz2=934.8-22.7=912.1kJ/kg与前面计算结果相同。显见，n,与na的差别为n,="zWi2Wi2W12：而Nex =WmaxWi2+W22第三节热电循环一、背压式热电循环优点：热能利用率高缺点：热负荷和电负荷不能调节二、调节抽气式热电循环86
86 计算结果表明，汽轮机的对内效率 ri 小于熵效率 exo 。因为这两个效率没有 直接联系，它们表明汽轮机完善性的依据是不同的。 汽轮机的相对内效率 ri 是衡量汽轮机在给定环境中，工质从状态可逆绝 热地过渡到状态 2 所完成的最大有用功量（即两状态熵的差值）利用的程度， 即实际作功量与最大有用功量的比值。 注意：汽轮机内工质实现的不可逆过程 1-2，可由定熵过程 1-2’和可逆 的定压定温加热过程 2’-2 两个过程来实现。定熵过程 1-2’的作功量为 w12 = h1 − h2 = 934.8 kJ/kg 在可逆的定压定温加热过程 2′-2 中，使 x2′=0.8684 的湿蒸汽经加热变为相 同压力下的干饱和蒸汽，其所需热量为 q2=h2-h2′。因为加热过程是可逆的， 故可以想象用一可逆热泵从环境（T0=293K）向干饱和蒸汽（T2=314.7K）放 热。热泵消耗的功量为 w2′2=q2-T0 ( 2 2 ) 0 ( 2 2 ) 22.7 2 2 = h − h −T s − s = T q kJ/kg。 故 1-2 过程的最大有用功为 w n•max = w12 − w22 = 934.8 − 22.7 = 912.1 kJ/kg 与前面计算结果相同。显见， ri 与 ex 的差别为 12 12 = w w ri 而 12 2 2 12 max 12 • + = = w w w w w n ex 第三节 热电循环 一、背压式热电循环 优点：热能利用率高 缺点：热负荷和电负荷不能调节 二、调节抽气式热电循环
过热器汽轮机发电机2锅炉热用户调节阀冷却水豪汽器水泵2水泵1-混合器实质：利用气轮机中间抽气来供热。三、 本章总结提高动力循环的效率的基本途径：1.提高平均吸热温度2.减小不可逆因素四、作业与讨论作业：思考题1、2；习题11-3、11-6、11-7讨论：如何提高现代蒸汽动力循环的热效率？87
87 实质：利用气轮机中间抽气来供热。 三、 本章总结 提高动力循环的效率的基本途径： 1.提高平均吸热温度 2.减小不可逆因素 四、 作业与讨论 作业：思考题 1、2；习题 11-3、11-6、11-7 讨论：如何提高现代蒸汽动力循环的热效率？