理想氣體性質(zhì)課件

1、第十章 蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)10-1 簡單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)-朗肯循環(huán)10-2 再熱循環(huán)10-3 回?zé)嵫h(huán)10-4 熱電合供循環(huán)10-5 蒸汽-燃?xì)饴?lián)合循環(huán)10-6 蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)的火用分析火電廠示意圖10-1 簡單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)-朗肯循環(huán)1、水蒸汽的卡諾循環(huán) 水蒸汽相變時(shí)，定溫過程即定壓過程，易于實(shí)現(xiàn)，且在p-v圖上定溫線和定熵線的斜率相差較大，所以循環(huán)凈功也較大，理論上能實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)（5678） 不采用卡諾循環(huán)的原因放熱后的終狀態(tài)8點(diǎn)為濕飽和蒸汽，壓縮兩相物質(zhì)難以實(shí)現(xiàn)。循環(huán)只能在濕蒸汽區(qū)進(jìn)行，吸熱溫度不能超過臨界溫度，循環(huán)溫差較小、熱效率不高。絕熱膨脹過程的終狀態(tài)7點(diǎn)干度過小、水含量過大，不

2、利于汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。（干度不應(yīng)低于0.88。） 2、朗肯循環(huán)及其熱效率(Rankine cycle)流程圖1 鍋爐汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī) 給水泵 冷凝器過熱器 2 6 43 工作過程4561：過冷水在鍋爐中定壓吸熱，依次變?yōu)轱柡退?、干飽和蒸汽（定溫過程）和過熱蒸汽。 12：高溫高壓的過熱蒸汽（新蒸汽）在汽輪機(jī)中絕熱膨脹，對外作功。23（22）：低溫低壓的濕飽和蒸汽（乏汽）在冷凝器中定壓放熱（定溫過程），變?yōu)轱柡退?4：飽和水在水泵中絕熱壓縮，變?yōu)檫^冷水，供給鍋爐循環(huán)使用。 說明：利用原子能、太陽能作熱源時(shí)，蒸汽發(fā)生器代替鍋爐，產(chǎn)生的新蒸汽為飽和蒸汽或稍稍過熱的蒸汽在p-v圖和T-s圖上的表示朗肯循

3、環(huán)與卡諾循環(huán)的區(qū)別乏汽在冷凝器中全部變?yōu)轱柡退瑝嚎s過程用水泵易于實(shí)現(xiàn)。但也多了一段水的加熱過程（45），降低了平均吸熱溫度，對熱效率不利。水的定壓吸熱過程最終變?yōu)檫^熱蒸汽，循環(huán)不再局限于濕蒸汽區(qū)，提高了平均吸熱溫度，對熱效率有利，并且提高了乏汽的干度。熱效率鍋爐吸熱量：冷凝器放熱量：汽輪機(jī)作功：水泵耗功：循環(huán)凈功： 熱效率： 水的壓縮性很小，可以近似認(rèn)為壓縮過程中比體積保持不變，熱效率的近似計(jì)算式 通常水泵耗功很?。ㄕ计啓C(jī)作功的2%左右），可以忽略不計(jì)（即3、4點(diǎn)重合）， 3、蒸汽參數(shù)對熱效率的影響初溫 的影響提高初溫，可以提高平均吸熱溫度，提高熱效率。提高初溫，可以提高乏汽的干度。初溫受

4、到材料耐熱性能的限制，很少超過620。初壓 的影響提高初壓，可以提高平均吸熱溫度，提高熱效率。提高初壓，會(huì)產(chǎn)生設(shè)備的強(qiáng)度問題。提高初壓，乏汽的干度降低。 背壓 的影響降低背壓，可以降低平均放熱溫度，提高熱效率。降低背壓，乏汽的干度降低。背壓對應(yīng)的飽和溫度必須高于環(huán)境溫度，因此背壓不能任意降低。目前為45kPa。冬天的環(huán)境溫度比夏天低，因此背壓和對應(yīng)的飽和溫度可以比夏天低，熱效率比夏天高。4、有摩阻的實(shí)際循環(huán) 實(shí)際循環(huán)中，汽輪機(jī)中為不可逆絕熱膨脹過程。熱效率吸熱量（不變）：放熱量（增大）：循環(huán)凈功（減小）：注意：少作的功正好等于多放出的熱量，但大于作功能力損失。熱效率（降低）：汽輪機(jī)的相對內(nèi)部效

5、率 實(shí)際作功與理論作功之比， 一般為0.850.92。耗汽率(steam rate) 輸出單位功量的耗汽量稱為耗汽率，單位為 工程上常用 。理想耗汽率：實(shí)際耗汽率： 耗汽量，kg/s。 理想功率，kW。 實(shí)際功率，kW。 解：根據(jù) 、 ，在h-s圖上定出新蒸汽狀態(tài)點(diǎn)1，查得： 。 過點(diǎn)1作定熵線，與 的定壓線的交點(diǎn)即為乏汽狀態(tài)點(diǎn)2。查得： 。 查飽和水和飽和蒸汽表，當(dāng) 時(shí)， ， 。例10-2：我國生產(chǎn)的300MW汽輪發(fā)電機(jī)組，其新蒸汽壓力和溫度分別為 、 ，汽輪機(jī)排汽壓力 。若按朗肯循環(huán)運(yùn)行，求：汽輪機(jī)所產(chǎn)生的功、水泵功、循環(huán)熱效率和理論耗汽率。汽輪機(jī)產(chǎn)生的功：水泵功：循環(huán)凈功：吸熱量：熱效率

6、：理論耗汽率：若忽略水泵功，解：汽輪機(jī)中為不可逆絕熱膨脹，乏汽的狀態(tài)點(diǎn)為 （1）水泵功（不變）：汽輪機(jī)產(chǎn)生的功：循環(huán)凈功：例10-3：按照上例參數(shù)，假設(shè)鍋爐中的傳熱過程是從831.45K的熱源向水傳熱，冷凝器中乏汽向298K的環(huán)境介質(zhì)放熱，且汽輪機(jī)相對內(nèi)效率為0.9，試求：（1）水泵功、汽輪機(jī)產(chǎn)生的功和循環(huán)凈功；（2）循環(huán)內(nèi)部熱效率和實(shí)際耗汽率；（3）各過程及循環(huán)的不可逆損失。（2）吸熱量不變，熱效率：實(shí)際耗汽率：（3）作功能力損失查水和水蒸汽圖表，得到：新蒸汽狀態(tài)點(diǎn)1： ，乏汽狀態(tài)點(diǎn) ： ，飽和水 ： ， ，a)汽輪機(jī)中的作功能力損失（不可逆絕熱膨脹）b)冷凝器中的作功能力損失（溫差傳熱）放

7、熱量：c）鍋爐中的作功能力損失（溫差傳熱） 水泵中為可逆絕熱壓縮，d）總作功能力損失或者：工質(zhì)、熱源和環(huán)境組成孤立系統(tǒng)，熱量損失和作功能力損失分析： 鍋爐中，熱量損失很?。ㄒ话阍?0%以內(nèi)），但熱源溫度（831.45K）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均吸熱溫度（ ）因此作功能力損失很大，占總作功能力損失的75.71%。 冷凝器中，熱量損失很大，但乏汽的溫度（32.88）非常接近于環(huán)境溫度（25），因此作功能力損失很小，僅占總作功能力損失的6.48%。 汽輪機(jī)中，為不可逆絕熱膨脹過程，沒有熱量損失，但作功能力損失占總作功能力損失的17.81%。10-2 再熱循環(huán)問題的提出 提高初壓，可以提高熱效率，但同時(shí)乏汽的干度

8、降低。再熱循環(huán)(reheat cycle)可以在提高初壓的同時(shí)提高乏汽的干度。流程圖及在T-s圖上的表示 新蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹到中間壓力以后，進(jìn)入再熱器加熱到（或接近）新蒸汽溫度，然后再回到汽輪機(jī)繼續(xù)膨脹到背壓。（1ab2）熱效率 忽略水泵功，吸熱量（增大）：放熱量（增大）：循環(huán)凈功（增大）：熱效率（提高或降低）：理想耗汽率（減?。簾嵝实姆治鲈贌嵫h(huán)4561ba24=朗肯循環(huán)4561c4+附加循環(huán)ba2cb如果中間壓力較高，則附加循環(huán)的熱效率比朗肯循環(huán)高，再熱循環(huán)的熱效率提高。反之，如果中間壓力較低，則再熱循環(huán)的熱效率降低。中間壓力越高，提高乏汽干度的作用越小，且附加循環(huán)占的比例越小，提高

9、熱效率的作用越小。再熱循環(huán)應(yīng)以提高乏汽干度為根本目的。中間壓力一般取初壓的20%30%。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 可以在提高初壓的同時(shí)提高乏汽的干度，從而提高熱效率（大約為3%）；耗汽率減小。 缺點(diǎn) 投資和運(yùn)行費(fèi)用增加。10-3 回?zé)嵫h(huán)1、抽汽回?zé)釂栴}的提出 朗肯循環(huán)中，進(jìn)入鍋爐的水溫度較低，導(dǎo)致平均吸熱溫度不高、熱效率較低。且水的加熱過程和水蒸汽的過熱過程是有限溫差傳熱，不可逆損失較大。 回?zé)嵫h(huán)(regenerative cycle)從汽輪機(jī)中抽出尚未完全膨脹的、壓力和溫度相對較高的少量水蒸汽，來加熱鍋爐給水，可以提高平均吸熱溫度和熱效率，減小不可逆損失。流程圖及在T-s圖上的表示 1kg的新蒸汽進(jìn)入

10、汽輪機(jī)，絕熱膨脹到狀態(tài) 后，抽出 kg進(jìn)入回?zé)崞?。剩下的?）kg繼續(xù)絕熱膨脹到狀態(tài)2，然后進(jìn)入冷凝器，定壓放熱變?yōu)轱柡退俳?jīng)水泵絕熱壓縮變?yōu)檫^冷水4，也進(jìn)入回?zé)崞鳌?在回?zé)崞髦校?kg的水蒸汽 和（ ）kg的過冷水4混合，變?yōu)?kg的飽和水 。然后經(jīng)水泵絕熱壓縮進(jìn)入鍋爐，定壓吸熱變?yōu)檫^熱蒸汽，開始新的循環(huán)。2、回?zé)嵫h(huán)分析抽汽量能量方程（吸熱量=放熱量）：忽略水泵功，熱效率 忽略水泵功，吸熱量（減?。悍艧崃浚p?。貉h(huán)凈功（減?。赫f明：質(zhì)量不同，因此不能直接從T-s圖上判斷熱量的變化。熱效率（提高）： 鍋爐給水的起始加熱溫度由 提高到 ，平均吸熱溫度提高，平均放熱溫度不變，熱效率提高。

11、理想耗汽率（增大）：優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 可以提高熱效率；吸熱量減小，鍋爐的熱負(fù)荷減??；放熱量減小，冷凝器的熱負(fù)荷減小。缺點(diǎn) 投資和運(yùn)行費(fèi)用增加；耗汽率增大。 目前，廣泛采用的是一次再熱+多級(jí)抽汽回?zé)岬难h(huán)，抽汽級(jí)數(shù)不超過8級(jí)。10-4 熱電合供循環(huán)問題的提出 采用再熱、回?zé)岷螅羝麆?dòng)力循環(huán)的熱效率仍然很低（40%左右），燃料放出的熱量有60%左右散發(fā)到環(huán)境中（主要是乏汽在冷凝器中排出的），引起“熱島效應(yīng)”，造成熱污染。 蒸汽膨脹到一定的壓力后（0.3MPa左右，對應(yīng)的飽和溫度為133左右），就排出汽輪機(jī)來供熱，這種同時(shí)供電和供熱的循環(huán)稱為熱電合供循環(huán)（熱電循環(huán)）(power-and-heating p

12、lant cycle)。流程圖背壓式 蒸汽膨脹到一定的壓力后，就全部排出汽輪機(jī)來供熱。 這種循環(huán)熱效率較低，供電量隨熱用戶負(fù)荷的變化而變化，適用于熱用戶穩(wěn)定的場合。撤汽式（分汽供熱冷凝式） 蒸汽膨脹到一定壓力后，抽出一部分供熱，剩下的繼續(xù)膨脹，再進(jìn)入冷凝器。 這種循環(huán)熱效率較高，熱用戶負(fù)荷的變化對供電量的影響較小。可以調(diào)節(jié)供電和供熱的比例，改變抽汽壓力和數(shù)量，以滿足不同熱用戶的需求。在T-s圖上的表示 熱電合供循環(huán)： （相當(dāng)于提高背壓）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)熱效率 比朗肯循環(huán)要低，但同時(shí)利用了熱量。熱量利用系數(shù) 理想情況可以等于1，一般為70%左右。 可見，熱電合供循環(huán)雖然熱效率降低，但能量利用率提高，能

13、達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的。 10-5 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)超臨界循環(huán) 新蒸汽的壓力超過臨界壓力的循環(huán)稱為超臨界循環(huán)。如 、 。 超臨界循環(huán)可以提高平均吸熱溫度，熱效率較高，但仍然低于同溫限的卡諾循環(huán)。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)(combined gas-vapor cycle) 以燃?xì)鉃楦邷毓べ|(zhì)、水蒸汽為低溫工質(zhì)，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣（400650）作為蒸汽動(dòng)力循環(huán)的熱源。 采用回?zé)岷驮贌幔細(xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的熱效率可達(dá)57%。流程圖及在T-s圖上的表示 燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)（定壓加熱循環(huán)）+朗肯循環(huán)熱效率理想情況 燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)的放熱量全部被余熱鍋爐用來產(chǎn)生水蒸汽。吸熱量： 放熱量： 熱效率：實(shí)際情況 燃?xì)鈩?dòng)力循環(huán)的放熱

14、量只有一部分得到利用，而其余的排給了大氣。吸熱量： 放熱量：熱效率：三種形式無補(bǔ)燃式補(bǔ)燃式熱電合供式10-6 蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)的火用分析火用平衡方程開口系統(tǒng)的火用平衡方程 進(jìn)入系統(tǒng)的火用-離開系統(tǒng)的火用-火用損失 =系統(tǒng)的火用增量穩(wěn)定流動(dòng)開口系統(tǒng)的火用平衡方程 進(jìn)入系統(tǒng)的火用-離開系統(tǒng)的火用=火用損失 火用效率對外作功的設(shè)備，如汽輪機(jī)等， 對外作的功/進(jìn)出口工質(zhì)的火用差消耗功的設(shè)備，如水泵等， 進(jìn)出口工質(zhì)的火用差/外界消耗的功沒有功輸入或輸出的設(shè)備，如鍋爐和冷凝器 出口工質(zhì)的火用/（進(jìn)口工質(zhì)的火用+熱量火用）燃料的化學(xué)火用 燃料的化學(xué)能中，可以轉(zhuǎn)化為最大有用功的稱為化學(xué)火用，近似等于燃料的發(fā)熱

15、值?；鹩梅治雠e例已知參數(shù) 煙氣的最高溫度為1700K，鍋爐效率為90%，燃料的發(fā)熱值為29300kJ/kg。環(huán)境溫度為298K，壓力為0.1MPa。假定燃料在鍋爐中完全燃燒，忽略管道損失、汽輪機(jī)機(jī)械損失和發(fā)電機(jī)損失。 各點(diǎn)參數(shù)見例10-2和例10-3，分別以煙氣火用和燃料的化學(xué)火用為100%，進(jìn)行火用分析。結(jié)果分析（1）鍋爐中，散熱、排煙等損失僅占10%，效率高達(dá)90%。但煙氣與工質(zhì)的溫差傳熱、散熱、排煙的火用損失高達(dá)35.98%和23.07%。因此，應(yīng)盡量提高水蒸汽的最高溫度和平均吸熱溫度，減小傳熱溫差。 另外，不可逆燃燒的火用損失占燃料化學(xué)火用的35.84%。因此，要發(fā)展燃料電池，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能。 （2）冷凝器中，乏汽放給環(huán)境的熱量很多，占54.26%但火用損失很小，僅占2.22%和1.43%。主要原因是乏汽與環(huán)境的溫差很?。ū纠袃H為7.88）。但維持較低的壓力需要付出代價(jià)，且溫差越小需要的傳熱面積越大，設(shè)備的投資越大。因此不能過分追求減少冷凝器的火用損失。（3）汽輪機(jī)中，