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1、化学工业出版社化学工业出版社 * *Chapter 8 Chapter 8 动力循环动力循环动力循环动力循环 概述概述概述概述一、循环的种类与目的一、循环的种类与目的(一一)正循环正循环(又称热机循环、顺时针循环又称热机循环、顺时针循环)正循环是指借助于工质将高温热源的部分热能，连续不断地转变为机械正循环是指借助于工质将高温热源的部分热能，连续不断地转变为机械能的循环。如：能的循环。如：1.蒸汽轮机循环蒸汽轮机循环;2.燃气动力循环燃气动力循环(气体动力循环气体动力循环)(1)燃气轮机循环燃气轮机循环;(2)内燃机循环内燃机循环:柴油机柴油机(Diesel狄塞尔狄塞尔)循环循环;汽油机循环汽油
2、机循环(OttoCycle);混合循环混合循环正循环在状态参数坐标图上是一条沿顺时针方向进行的封闭曲线。正循环在状态参数坐标图上是一条沿顺时针方向进行的封闭曲线。(二二)逆循环逆循环(又称制冷循环、逆时针循环又称制冷循环、逆时针循环)借助外界提供的能量而将低温物体的热能移至高温物体的循环称逆循环。借助外界提供的能量而将低温物体的热能移至高温物体的循环称逆循环。 逆循环按其目的的不同逆循环按其目的的不同, ,又可分为制冷循环和热泵循环两大类。逆循环在又可分为制冷循环和热泵循环两大类。逆循环在状态参数坐标图上是一条沿逆时针方向进行的封闭曲线。状态参数坐标图上是一条沿逆时针方向进行的封闭曲线。1化学
3、工业出版社化学工业出版社 *Chapter 8 动力循环动力循环 概述概述概述概述二、目前人类获得电能、机械能的主要途径二、目前人类获得电能、机械能的主要途径 如如：水水力力能能、风风能能、潮潮汐汐能能、太太阳阳能能、地地热热能能、燃料的化学能、核能燃料的化学能、核能三、燃料的化学能转化为电能的一般途径三、燃料的化学能转化为电能的一般途径 2化学工业出版社化学工业出版社 * *Chapter8 Chapter8 动力循环动力循环动力循环动力循环8.1蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环朗肯循环朗肯循环一、一、Rankine循环装置的基本构成循环装置的基本构成二、理想二、理想Rankine循环过程在
4、循环过程在T-s图的表示及与卡诺循环的区别图的表示及与卡诺循环的区别3化学工业出版社化学工业出版社 8.1蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环朗肯循环朗肯循环三、简单三、简单Rankine循环过程中各状态点的循环过程中各状态点的h、s的处理的处理(一一)蒸汽过热器出口或透平入口蒸汽过热器出口或透平入口(点点4)由由p1、t4 h4、s4(二二 )透透 平平 出出 口口 或或 冷冷 凝凝 器器 入入 口口(5,7 ,7 )1.理想理想Rankine循环循环(1)乏汽为过热蒸汽时乏汽为过热蒸汽时(5)由由p2,s5=s4h5(2)乏汽为湿蒸汽时乏汽为湿蒸汽时(5)由由p2hg(h7),hl(h6),s
5、g(s7),sl(s6), s5=s4x5=(s4 s6)/(s7 s6) h5=h7 x5+h6(1x5)2.实际实际Rankine循环循环(7 或或7 )(1)乏汽为过热蒸汽时乏汽为过热蒸汽时(7 ) 若已知若已知T7 、p2h7 思考思考:(1)点点5、7 为什么不采用为什么不采用T5、T7 而要用而要用s5、x7 ?(2)点点5、7 既可用既可用s5、s7 或或T5、T7 ?已知等熵效率也称内效率已知等熵效率也称内效率 s, ,由由4化学工业出版社化学工业出版社 8.1蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环朗肯循环朗肯循环三、简单三、简单Rankine循环过程中各状态点的循环过程中各状态点的
6、h、s的处理的处理(2)乏汽为湿蒸汽时乏汽为湿蒸汽时(7 )若已知若已知x7 、p2h7、h6h7 = =h7 x7 + +h6(1(1 x7 ) )(三三)冷凝器出口或泵入口冷凝器出口或泵入口(6)一般为饱和水一般为饱和水,其值即其值即p2下的下的hl(h6)(四四)泵出口或锅炉入口泵出口或锅炉入口(1) 由由wp=h1h6=v6(p1p2) pkPa已知等熵效率也称内效率已知等熵效率也称内效率 s, ,由由思考思考:x7 如何测量如何测量? ?5化学工业出版社化学工业出版社 8.1蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环朗肯循环朗肯循环四、简单四、简单Rankine循环的热力计算循环的热力计算以以
7、1kg蒸汽为计算基准蒸汽为计算基准(一一)透平作功透平作功(45,47 , ,47 ) ws(R)=h5 h4(kJ/kg)(45) ws(ac)=h7 h4(kJ/kg)(47 ) ws(ac)=h7 h4(kJ/kg)(47 )(二二)冷凝器负荷冷凝器负荷(56,7 6, ,7 6) q0=h6 h5、q0=h6 h7 、 q0=h6 h7 kJ/kg(三三)泵耗功泵耗功(61) wp=h1h6=v6(p1p2)kJ/kg(四四)工质在锅炉与过热器中的吸热量工质在锅炉与过热器中的吸热量(14) qh=h4 h1kJ/kg(五五)循环净功循环净功wN= wsi= qikJ/kg6化学工业出版
8、社化学工业出版社 8.1蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环朗肯循环朗肯循环四、简单四、简单Rankine循环的热力计算循环的热力计算(六六)循环热效率循环热效率1.定定义义工工质质从从锅锅炉炉所所吸吸收收的的热热量量中中转化为功的分率转化为功的分率2.计算式计算式 =wN/qh ws/qh（8-1a）(七七)循环汽耗率（循环汽耗率（SpecificSteamConsumption）1.定义定义输出输出1kW h的净功所消耗的蒸汽量的净功所消耗的蒸汽量2.计计算算式式SSC=3600/( wN) 3600/( ws)kg/(kW h)（8-2a） SSC=m/Nkg/(kW h)（8-2b）m蒸汽
9、循环量蒸汽循环量,kg/h;N循环输出净功率循环输出净功率,kW说明：说明： wN m/3600=N3600/( wN)=m/N(八八)循环热耗率（循环热耗率（q）1.定义定义输出输出1kW h的净功所吸收（消耗）的热量的净功所吸收（消耗）的热量2.计算式计算式q=SSC qhkJ/(kW h)7化学工业出版社化学工业出版社 8.1蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环朗肯循环朗肯循环例例题题8-1(8-1(P113115)某某一一凝凝汽汽式式蒸蒸汽汽轮轮机机按按朗朗肯肯循循环环工工作作, ,锅锅炉炉压压力力为为4MPa,4MPa,冷冷凝凝器器工工作作压压力力为为5kPa。进进入入透透平平机机的的是
10、是饱饱和和蒸蒸汽汽;进进入入透透平平机机的的是是773K的的过过热热蒸蒸汽汽。试试求求上上述述两两种种情情况况下下理理想想朗朗肯肯循循环环的的热热效效率率、汽汽耗耗率率和和热热耗耗率率, ,并比较计算结果。并比较计算结果。解：体系解：体系循环工质即水蒸汽，基准循环工质即水蒸汽，基准1kg1kg蒸汽蒸汽(一一)作出过程示意作出过程示意T- -s图图, ,由水蒸汽表查出图中对应各点的由水蒸汽表查出图中对应各点的h、s值列表如下：值列表如下：点点h,kJ/kgs,kJ/(kg K)x1?(0.4761)/328016.0701434457.087/525618.39316?(7.087)?7?(6.
11、070)?8137.830.47610v8=0.0010053m3/kg8化学工业出版社化学工业出版社 8.1蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环朗肯循环朗肯循环1点的焓点的焓h1的计算的计算:wP=h1 h8=v8(p1 p2)h1=v8(p1 p2)+h8=0.0010053(4000 5)+137.83=141.85kJ/kg7点干度点干度x7的计算的计算:s7=s3=s5 x7+s8(1 x7)x7=(s3 s8)/(s5 s8)=(6.070 0.4761)/(8.393 0.4761)=0.70667点点焓焓h7的的计计算算:h7=h5 x7+h8 (1 x7)=2561 0.7066
12、+137.83(1 0.7066)=1850.0kJ/kg6点干度点干度x6的计算的计算:s6=s4=s5 x6+s8(1 x6)x6=(s4 s8)/(s5 s8)=(7.087 0.4761)/(8.393 0.4761)=0.83506点点焓焓h6的的计计算算:h6=h5 x6+h8 (1 x6)=2561 0.8350+137.83(1 0.8350)=2161.3kJ/kg点点h,kJ/kgs,kJ/(kg K)x1?(0.4761)/328016.0701434457.087/525618.39316?(7.087)?7?(6.070)?8137.830.47610v8=0.001
13、0053m3/kg9化学工业出版社化学工业出版社 8.1蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环朗肯循环朗肯循环(二二)计算计算1进入透平的是饱和蒸汽时进入透平的是饱和蒸汽时(1)工质吸热量工质吸热量qh:qh=h3 h1=2801 141.85=2659.2(kJ/kg)(2)汽轮机作出的功汽轮机作出的功:Ws(R)=h7 h3=1850.0 2801= 951(kJ/kg)(3)泵功泵功:wP=h1 h4=141.85 137.83=4.0(kJ/kg)(4)循环热效率循环热效率: =wN/qh=(951 4.0)/2659.2=35.61%(5)汽耗率汽耗率:SSC=3600/(wN)=3600
14、/947=3.80kg/(kW h)(6)热耗率热耗率:q=SSCqh=3.80 2659.2=10105.0kJ/(kW h)点点h,kJ/kgs,kJ/(kg K)x1?(141.85)(0.4761)/328016.0701434457.087/525618.39316?(2161.3)(7.087)0.83507?(1850.0)(6.070)0.70668137.830.47610v8=0.0010053m3/kg10化学工业出版社化学工业出版社 8.1蒸汽动力基本循环蒸汽动力基本循环朗肯循环朗肯循环(二二)计算计算2进入透平的是过热蒸汽时进入透平的是过热蒸汽时(1)工质吸热量工质吸
15、热量qh:qh=h4 h1=3445 141.85=3303.2(kJ/kg)(2)汽轮机作出的功汽轮机作出的功:Ws(R)=h6 h4=2161.3 3445= 1283.7(kJ/kg)(3)泵功泵功:wP=h1 h4=141.85 137.83=4.0(kJ/kg)(4)循环热效率循环热效率: =wN/qh=(1283.7 4.0)/3303.2=38.74%(5)汽耗率汽耗率:SSC=3600/(wN)=3600/1279.7=2.81kg/(kW h)(6)热耗率热耗率:q=SSCqh=2.81 3303.2=9282.0kJ/(kW h)结论结论:过热蒸汽优于饱和蒸汽过热蒸汽优于饱
16、和蒸汽!点点h,kJ/kgs,kJ/(kg K)x1?(141.85)(0.4761)/328016.0701434457.087/525618.39316?(2161.3)(7.087)0.83507?(1850.0)(6.070)0.70668137.830.47610v8=0.0010053m3/kg11化学工业出版社化学工业出版社 8.2 8.2 提高提高提高提高RankineRankine循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施一一、提高蒸汽的初参数即温度和压力提高蒸汽的初参数即温度和压力1.原理原理:缩小工质与燃气之间的传热温差即缩小了传热推动力缩小工质与燃
17、气之间的传热温差即缩小了传热推动力2.限制限制:锅炉材质锅炉材质目目前前蒸蒸汽汽最最高高温温度度很很少少超超过过600，压压力力提提高高会会使使乏乏汽汽干干度度下降，故压力一般不单独提高，通常乏汽干度下降，故压力一般不单独提高，通常乏汽干度 88%3.分析举例分析举例12化学工业出版社化学工业出版社 8.2 8.2 提高提高提高提高RankineRankine循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施一、提高蒸汽的初参数即温度和压力一、提高蒸汽的初参数即温度和压力二、提高冷却、冷凝器效率及尽可能降低冷却水的温度二、提高冷却、冷凝器效率及尽可能降低冷却水的温度1.目的目的:
18、尽可能降低乏汽压力尽可能降低乏汽压力2.原理原理（1）提提高高冷冷凝凝器器效效率率可可缩缩小小工工质质与与冷冷却却水水之之间间的的传传热热温温差差即即缩缩小了传热推动力；小了传热推动力；（2）降降低低冷冷却却水水的的温温度度可可在在传传热热推推动动力力不不变变的的情情况况下下降降低低乏乏汽汽压力压力2.限制限制（1）冷冷凝凝器器效效率率提提高高受受冷冷凝凝器器传传热热面面积积的的限限制制即即冷冷凝凝器器投投资资的的限制；限制；（2）冷却水的温度的降低主要受季节和地理位置的限制）冷却水的温度的降低主要受季节和地理位置的限制三、利用其它低温余热预热锅炉给水即提高锅炉进口的水温三、利用其它低温余热预
19、热锅炉给水即提高锅炉进口的水温原理：缩小工质在锅炉中与燃气之间的传热温差原理：缩小工质在锅炉中与燃气之间的传热温差13化学工业出版社化学工业出版社 8.2 8.2 提高提高提高提高RankineRankine循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施四、采用回热循环四、采用回热循环1.原理原理:缩小工质在锅炉中与燃气之间的传热温差缩小工质在锅炉中与燃气之间的传热温差2.种类种类: :（1）开式回热循环；）开式回热循环；如：如：P121，图图8-9思考题思考题:抽出的加热蒸汽抽出的加热蒸汽ykg受什么因素限受什么因素限制制?过大会带大什过大会带大什么影响么影响?14化学工业
20、出版社化学工业出版社 8.2 8.2 提高提高提高提高RankineRankine循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施四、采用回热循环四、采用回热循环2.种类种类: :（2）闭式回热循环）闭式回热循环锅炉；锅炉；蒸汽过热器；蒸汽过热器；蒸汽轮机；蒸汽轮机；冷凝器；冷凝器；闭式预热器；闭式预热器；水泵；水泵；目前目前, ,低压机组多采用低压机组多采用35级回热抽汽级回热抽汽,高压机高压机组多采用组多采用79级回热抽汽级回热抽汽15化学工业出版社化学工业出版社 8.2 8.2 提高提高提高提高RankineRankine循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施循
21、环热效率的措施五、采用再热循环五、采用再热循环 1.原理原理: :缩小工质在锅炉中与燃气之间的传热温差缩小工质在锅炉中与燃气之间的传热温差 2.循环过程示意图循环过程示意图3.循环热效率循环热效率再热压力一般选再热压力一般选2030%p1,效率提高效率提高2.54.5%;当当p110MPa时时,一般不采用中间再热一般不采用中间再热;当当p1在在13MPapc(22.05MPa)时时,一般采用一级中间再热一般采用一级中间再热;当当p1pc时时,才采用两级再热。才采用两级再热。16化学工业出版社化学工业出版社 五、采用再热循环五、采用再热循环 例例8-3 8-3 某某蒸蒸汽汽动动力力装装置置, ,
22、锅锅炉炉p1=10104 4 kPakPa, ,凝凝汽汽器器p2=4 4 kPakPa。773K773K过过热热蒸蒸汽汽入入高高压压透透平平等等熵熵膨膨胀胀到到刚刚好好为为饱饱和和状状态态, ,此此饱饱和和蒸蒸汽汽由由再再热热器器加加热热到到773K773K后后进进入入低低压压透透平平等等熵熵膨膨胀胀到到冷冷凝凝压压力力, ,假假设设水水泵泵加加压压也也为为等等熵熵过过程程。(1 1)如如10104 4 kPakPa、773K773K的的过过热热蒸蒸汽汽按按理理想想朗朗肯肯循循环环工工作作, ,一一次次膨膨胀胀到到冷冷凝凝压压力力;(2 2)如如题题中中所所给给的条件以再热循环工作。试求两种情
23、况下的热效率、排汽的干度和汽耗率。的条件以再热循环工作。试求两种情况下的热效率、排汽的干度和汽耗率。 解：以工质水为热力系，解：以工质水为热力系，1kg蒸汽为计算基准蒸汽为计算基准由由题题意意作作出出循循环环过过程程的的T-s图图如如图图8-8所所示示,由由题题给给条条件件查查附附录录一一水水蒸蒸汽汽表表得得图中所需各点的焓、熵值，列于表图中所需各点的焓、熵值，列于表8-2表表8-2T-s图对应状态点的参数图对应状态点的参数点点h,kJ/kgs,kJ/(kg K)x1?(0.4225)/433726.595/4 ?（6.595）15?（6.595）?6121.420.42250725548.4
24、731103479.37.774/10 ?(7.774)?v6=0.0010041m3/kg17化学工业出版社化学工业出版社 8.2 8.2 提高提高提高提高RankineRankine循环热效率的措循环热效率的措循环热效率的措循环热效率的措施施施施五、采用再热循环五、采用再热循环例例8-38-3点点1的焓的焓h1的计算的计算wp= h61= h1 h6=v6(p1 p2) 10 3h1=h6+v6(p1 p2) 10 3=121.42+0.0010041(104 4)=131.46kJ/kg（1）一次膨胀至冷凝压力）一次膨胀至冷凝压力s5=s4=x5s7+(1 x5)s66.5958.473
25、x5+0.4225(1 x5)x5=0.7668h5=x5h7+(1 x5)h6=25540.7668+121.42(1 0.7668)=1986.8kJ/kgwN=(h5 h4)+(h1 h6)=(1986.8 3372)+(131.46 121.42)= 1375.1kJ/kgqh=h4 h1=3372 131.46=3240.5kJ/kg点点h,kJ/kgs,kJ/(kg K)x1?(0.4225)/433726.595/4 ?（6.595）15?（6.595）?6121.420.42250725548.4731103479.37.774/10 ?(7.774)?v6=0.0010041
26、m3/kg18化学工业出版社化学工业出版社 8.2 8.2 提高提高提高提高RankineRankine循环热效率的措循环热效率的措循环热效率的措循环热效率的措施施施施五、采用再热循环五、采用再热循环例例8-38-3（ 2） 采采 用用 再再 热热 循循 环环 因因 4 点点 的的 蒸蒸 汽汽 为为 饱饱 和和 蒸蒸 汽汽 ,根根 据据s 4=s4=6.596kJ/(kg K)查查得得对对应应的的h 4=2777kJ/kg,压压力力p中中=975kPa.。然然后后由由p中中=975kPa.、T=773K查查得得10点点的的焓焓h10=3479.3kJ/kg、s10=7.774kJ/(kg K)
27、 s 10=s10=x10s7+(1 x10)s67.7748.473x10+0.4225(1 x10) x10=0.9132h 10=x10h7+(1 x10)h6=25540.9132+121.42(1 0.9132)=2342.8kJ/kg wN=ws1+ws2+wp =(h 4 h4)+(h 10 h10)+(h1 h6)= 1721.5kJ/kgqRh=h10 h 4=3479.3 2777=702.3kJ/kg点点h,kJ/kgs,kJ/(kg K)x1?(131.46)(0.4225)/433726.595/4 ?（6.595）15?(1986.8)（6.595）?6121.42
28、0.42250725548.4731103479.37.774/10 ?(7.774)?v6=0.0010041m3/kg19化学工业出版社化学工业出版社 8.2 8.2 提高提高提高提高RankineRankine循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施五、采用再热循环五、采用再热循环例例8-38-3上述结果比较如下：上述结果比较如下： （1 1）一次膨胀至冷凝压力）一次膨胀至冷凝压力 I=42.44；x=0.7668；Ssc=2.62kg/（kW h）（2 2）有再热循环）有再热循环 I=43.66；x=0.9132；Ssc=2.09kg/（kW h）由由上上述述对
29、对比比数数据据可可知知, ,采采用用再再热热循循环环后后不不仅仅热热效效率率有有所所提提高高, ,更更为为显显著著的的是是排汽干度增大排汽干度增大, ,汽耗率下降汽耗率下降, ,因而现在的蒸汽动力循环都采用再热循环。因而现在的蒸汽动力循环都采用再热循环。 点点h,kJ/kgs,kJ/(kg K)x1?(131.46)(0.4225)/433726.595/4 ?(2777)（6.595）15?(1986.8)（6.595）?6121.420.42250725548.4731103479.37.774/10 ?(2342.8)(7.774)?v6=0.0010041m3/kg20化学工业出版社化
30、学工业出版社 8.2 8.2 提高提高提高提高RankineRankine循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施循环热效率的措施六、热电联合循环六、热电联合循环原理原理:通过提高乏汽的压力有效利用乏汽的冷凝热通过提高乏汽的压力有效利用乏汽的冷凝热21化学工业出版社化学工业出版社 8.3 8.3 燃气动力循环燃气动力循环燃气动力循环燃气动力循环一、内燃机循环一、内燃机循环(一一)定容加热循环定容加热循环(奥托循环奥托循环)Otto于于1876年发明年发明(二二)定压加热循环定压加热循环(狄塞尔循环狄塞尔循环)Diesel发明发明(三三)混合加热循环混合加热循环22化学工业出版社化学工业出版社 8.3 8.3 燃气动力循环燃气动力循环燃气动力循环燃气动力循环二、燃气轮机循环二、燃气轮机循环(一一)燃燃气气轮轮机机循循环环的的基基本本构构成成(二二)燃气轮机循环的燃气轮机循环的p-v图图(三三)燃气轮机循环的主要用途燃气轮机循环的主要用途 用于机车、飞机、舰船上，用于机车、飞机、舰船上，以及作为固定动力厂的备用装置。以及作为固定动力厂的备用装置。23
