1、2022-7-4第七章第七章蒸汽動力循環蒸汽動力循環7.1.1 Rankine(朗肯朗肯)循環循環7.1.2 Rankine循環的改進循環的改進 2022-7-4前言前言循環：循環：l體系從初態開始，經歷一系列的中間狀態，又重體系從初態開始，經歷一系列的中間狀態，又重新回到初態，此封閉的熱力學過程稱為循環。新回到初態，此封閉的熱力學過程稱為循環。蒸汽動力循環：蒸汽動力循環：l是以水蒸汽為工質，將是以水蒸汽為工質，將熱連續地轉變成功熱連續地轉變成功的過程，的過程，其主要設備是各種熱機。其主要設備是各種熱機。l產功的過程。如火力發電廠，大型化工廠產功的過程。如火力發電廠，大型化工廠2022-7-4

2、前言前言33004002223NHHNatmC ，合合成成氨氨如何將如何將1atm 300atm?需要壓縮機，消耗動力。需要壓縮機，消耗動力。中國中國60年代，年代，15001800度度電電/噸噸NH3。中國中國70年代，僅年代，僅1030度電度電/噸噸NH3。這是由于透平機直接帶動壓縮機的緣故。這是由于透平機直接帶動壓縮機的緣故。電電高溫熱源高溫熱源廢熱鍋爐，產生廢熱鍋爐，產生高壓蒸汽高壓蒸汽壓縮機壓縮機 (氫循環壓縮機氫循環壓縮機)透平機透平機2022-7-4l流體通過壓縮機、膨脹機流體通過壓縮機、膨脹機sWQuZgH 227.1 7.1 蒸汽動力循環蒸汽動力循環 u20，g Z0，若絕熱

3、過程若絕熱過程Q=0lWs= H= H2-H1l高壓高溫高壓高溫蒸汽帶動透平產生蒸汽帶動透平產生軸功軸功。l（流體通過機械設備的旋轉軸與環境所交換的（流體通過機械設備的旋轉軸與環境所交換的能量，稱為能量，稱為軸功軸功Ws。）2022-7-4鍋爐鍋爐透透平平機機水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器23417.1 7.1 蒸汽動力循環蒸汽動力循環3 4水在水泵中被壓縮升壓。水在水泵中被壓縮升壓。4 1 進入鍋爐被加熱汽化，直進入鍋爐被加熱汽化，直至成為至成為過熱蒸汽過熱蒸汽后。后。1 2 進入透平機膨脹作功。進入透平機膨脹作功。2 3 作功后的低壓作功后的低壓濕濕蒸汽進蒸汽進入冷凝器被冷凝成入冷凝器被

4、冷凝成水水，再回到，再回到水泵中，完成一個循環。水泵中，完成一個循環。蒸汽動力循環原理蒸汽動力循環原理蒸汽動力循環蒸汽動力循環主要由主要由水泵水泵、鍋鍋爐爐、透平機透平機和和冷凝器冷凝器組成。組成。2022-7-4鍋爐鍋爐水泵水泵冷冷凝凝器器透透平平機機2413原理原理水壓縮水壓縮水水加加熱熱至至過過熱熱蒸蒸汽汽蒸蒸汽汽作作功功蒸蒸汽汽冷冷凝凝成成水水理想理想Rankine循環循環123TS4等等S膨膨脹脹等等S壓壓縮縮等壓吸熱等壓吸熱相變相變3 4 飽和水飽和水可逆絕熱壓縮過程。可逆絕熱壓縮過程。（等（等S）4 1 高壓水高壓水等壓升溫和汽化，等壓吸熱過程等壓升溫和汽化，等壓吸熱過程1 2

5、過熱蒸汽過熱蒸汽可逆絕熱膨脹過程。可逆絕熱膨脹過程。（等（等S）2 3 濕蒸汽濕蒸汽等壓等溫可逆冷卻為等壓等溫可逆冷卻為飽和水飽和水（相變）。（相變）。7.1.1 Rankine (朗肯朗肯)循環循環2022-7-4卡諾循環的缺點卡諾循環的缺點TS鍋爐加熱鍋爐加熱4123透平機后的乏氣透平機后的乏氣,汽汽+液液汽汽+液液泵泵冷凝器冷凝器透透平平機機缺點之二缺點之二:對于泵易對于泵易產生氣縛產生氣縛現象現象缺點之一缺點之一:透平機要求干度透平機要求干度X0. 9但但2點的點的X0.88易損壞葉片易損壞葉片結論結論:卡諾循環不卡諾循環不適合變熱為功適合變熱為功!2022-7-4（1 1）工質進汽輪

6、機狀態不同）工質進汽輪機狀態不同（2 2）膨脹過程不同）膨脹過程不同郎肯循環與卡諾循環的區別郎肯循環與卡諾循環的區別（3 3）工質出冷凝器狀態不同）工質出冷凝器狀態不同（4 4）壓縮過程不同）壓縮過程不同（5 5）工作介質吸熱過程不同）工作介質吸熱過程不同郎肯循環：郎肯循環：飽和水飽和水 郎肯循環：郎肯循環：不可逆絕熱過程不可逆絕熱過程，若忽，若忽略掉工作介質水的摩擦與散熱，可略掉工作介質水的摩擦與散熱，可簡化為可逆過程。簡化為可逆過程。 郎肯循環：郎肯循環：不可逆吸熱過程，不可逆吸熱過程，沿著沿著等壓線變化等壓線變化 卡諾循環：卡諾循環：濕蒸汽濕蒸汽卡諾循環：卡諾循環：等熵過程等熵過程卡諾循

7、環：卡諾循環：氣液共存氣液共存卡諾循環：卡諾循環：等熵過程等熵過程卡諾循環：卡諾循環：等溫過程等溫過程郎肯循環：郎肯循環：干蒸汽干蒸汽郎肯循環：郎肯循環：不可逆絕熱過程不可逆絕熱過程2022-7-4鍋爐鍋爐透透平平機機水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器2341WS可逆絕可逆絕熱膨脹功熱膨脹功Q1Q2WP可逆絕熱壓縮功可逆絕熱壓縮功141SQHW 41HH 21 HWS 12HH 322 HQ23HH 43 HWP34HH dPVPP 43水水）（水水34PPV ）（ 1sWQH 理想理想Rankine循環循環2022-7-4鍋爐鍋爐透透平平機機水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器2341Q1Q2WP

8、壓縮功壓縮功123TS4可可逆逆 TdSQWQU 閉閉系系ab Q2WN1234121面面積積凈凈功功 QQWWWPSNQ1Q1=面積面積1ba41Q2=面積面積2ba32QW 0 U循循環環過過程程2022-7-41TS234Ql越大，越大， Q2越小，做的凈功越小，做的凈功WN就越大。就越大。Ql受鍋爐中金屬材料的極限的受鍋爐中金屬材料的極限的限制，約限制，約550600oC。Q2受為環境溫度的限制。受為環境溫度的限制。凈功凈功WN= IQ1（面積（面積1ba41）-Q2（面積（面積2ba32）I=面積面積1234121QQWWWPSN 凈凈功功ab 理想理想Rankine循環循環WN20

9、22-7-4用用T-S圖表示熱和功圖表示熱和功T-S圖圖：溫溫- -熵圖熵圖T-S圖的用處圖的用處：(1)體系可逆地從狀態體系可逆地從狀態A到狀到狀態態B, ,在在T-S圖上曲線圖上曲線AB下的下的面積就等于體系在該過程中面積就等于體系在該過程中的的熱效應熱效應，一目了然。，一目了然。RdQT S 2022-7-4用用T-S圖表示熱和功圖表示熱和功(2)容易容易計算熱機循環時的效率計算熱機循環時的效率 熱機所作的熱機所作的功功W為為閉合閉合曲線曲線ABCDA所圍的面積。所圍的面積。ABCDAABC 的的面面積積循循環環熱熱機機的的效效率率曲曲線線下下的的面面積積 圖中圖中ABCDA表示任一可逆

10、表示任一可逆循環。循環。ABC是吸熱過程，是吸熱過程，所吸所吸之熱等于之熱等于ABC曲線下的面積；曲線下的面積； CDA是放熱過程，是放熱過程，所放之所放之熱等于熱等于CDA曲線下的面積曲線下的面積。1211QQQQW 2022-7-4T-S 圖：圖：既顯示體系所吸取或釋放的熱既顯示體系所吸取或釋放的熱量；又顯示體系所作的功。量；又顯示體系所作的功。p-V 圖：圖：只能顯示所作的功。只能顯示所作的功。用用T-S圖表示熱和功的優點圖表示熱和功的優點2022-7-4理想理想RankineRankine循環的熱效率循環的熱效率和氣耗率和氣耗率SSCSSC0 PW414321HHHHHH ）（）（1Q

11、WWPS）（ 41211HHHHQWS 2、氣耗率、氣耗率SSC：Specific Steam Consumption 作出作出1kW.h凈功消耗的蒸氣公斤數。凈功消耗的蒸氣公斤數。評價動力循環的指標評價動力循環的指標：熱效率熱效率和和氣耗率氣耗率。1、熱效率、熱效率：循環的凈功與工質向高溫熱庫吸收的熱量之比循環的凈功與工質向高溫熱庫吸收的熱量之比）（11./3600 hKwKgWSSCs2022-7-41TS234實際實際Rankine循環循環242 24 41 2，4 4理想朗肯循環（理想朗肯循環（等熵）等熵）1 2，4 4實際朗肯循環實際朗肯循環（不等熵）（不等熵）實際上，工質在汽輪機和

12、水泵實際上，工質在汽輪機和水泵中不可能是完全可逆的，即中不可能是完全可逆的，即不不可能作可能作等熵膨脹等熵膨脹或等熵壓縮。或等熵壓縮。這個不可逆性可用這個不可逆性可用等熵效率等熵效率s來表示。來表示。等熵效率等熵效率s的定義：的定義：“對膨脹作功過程，不對膨脹作功過程，不可逆絕熱過程的做功量與可逆絕熱過程的做可逆絕熱過程的做功量與可逆絕熱過程的做功量之比。功量之比。2022-7-41TS2342421 21HHHH 等熵效率等熵效率s，透平，透平S ，泵，泵S ）（）（3 434HHHH 可可透平透平不不透平透平,SSWW 不不泵泵可可泵泵,SSWW 21 21HHH 1,QWWPS）（不不透

13、平透平 實際實際Rankine循環的循環的熱效率熱效率4121HHHH ）（0 PW實際實際Rankine循環循環2022-7-44 . 03 . 0641211 ）（）熱效率）熱效率HHHHQWWPS ）（）氣耗率：）氣耗率：11./36007 hKwKgWSSCsQ2（放熱）（放熱）Q1吸熱吸熱）在在鍋鍋爐爐中中吸吸熱熱量量4111HHQ 123HHWS ）在透平機中對外做功）在透平機中對外做功）在在冷冷凝凝器器中中放放熱熱量量2322HHQ 344HHWP ）在在水水泵泵中中消消耗耗功功21 21,5HHHHWWSSS 可可不不）等熵效率）等熵效率 實際實際Rankine循環循環1TS2

14、3242022-7-4實際與理想實際與理想Rankine循環的比較循環的比較理想循環理想循環實際循環實際循環Q1123446112345561Q254 66555 665WN12345611234561S1 S4 S565641234PHPLTS5”52022-7-4提高循環的熱效率的措施提高循環的熱效率的措施 (1)提高蒸氣過熱溫度提高蒸氣過熱溫度 為增加的功），為增加的功），（陰影部分（陰影部分但由于但由于，雖然雖然，、NWQT11提高蒸氣過熱溫度的影響提高蒸氣過熱溫度的影響。有利于透平的安全運行有利于透平的安全運行，乏氣干度，乏氣干度、 T2T4T41234465798TPN2022-7

15、-4提高循環的熱效率的措施提高循環的熱效率的措施 (2)提高蒸汽壓力提高蒸汽壓力 ,7589734577 722 7 4 3 211）（減少部分為（減少部分為幾乎相等，但幾乎相等，但與減少的功與減少的功增加的功增加的功幾乎不變，幾乎不變，、QWPN。不利于透平的安全運行不利于透平的安全運行，乏氣干度，乏氣干度、但、但 P2T42346798TPH*S1123475PHPL2022-7-4提高循環的熱效率的措施提高循環的熱效率的措施 (3)降低乏氣壓力降低乏氣壓力（背壓）（背壓）1、降低背壓時所增、降低背壓時所增加的功比增加的熱量加的功比增加的熱量大，因而提高了整個大，因而提高了整個循環的熱效率

16、。循環的熱效率。2、降低背壓會降低乏、降低背壓會降低乏氣的干度，應注意。氣的干度，應注意。PHPLPL98611234575TS2022-7-47.1.2 Rankine7.1.2 Rankine循環的改進循環的改進1、回熱循環回熱循環：16TS23451Kg1-鍋爐鍋爐透透平平機機水泵水泵冷冷凝凝器器過過熱熱器器2341回熱回熱加熱器加熱器水泵水泵221-561Kg抽出部分蒸汽抽出部分蒸汽Kg到到回熱加熱器回熱加熱器2022-7-4回熱循環與回熱循環與Rankine循環比較循環比較優點優點： (1)提高了水在鍋爐中吸熱的提高了水在鍋爐中吸熱的溫位，從而增加了蒸汽有效溫位，從而增加了蒸汽有效能量，做功本領變大。能量，做功本領變大。(2)整個循環的工質只有一部整