化工热力学课件化工专业本科阶段 (7)

1、化工热力学化学化工学院主讲：戚玉华第三节：蒸汽动力循环第三节：蒸汽动力循环 本节内容：1、卡诺循环过程及能量分析2、郎肯循环过程及能量分析重点掌握：1、循环的各过程中工作介质状态的变化2、各过程的特点及各过程对外传热和作功的计算3、热效率的计算 瓦特（ 17361819） 萨迪.卡诺（1796 1832）请同学们课下查阅有关蒸汽机发展的资料 一、卡诺循环简单的蒸汽动力循环装置及T-S图上的卡诺循环工作介质(简称工质):目前，广泛应用的蒸汽动力装置的是水。过程：水在锅炉中产生高压蒸汽；高压蒸汽在透平中进行膨胀对外产功；透平排出的废气(称乏汽)经冷凝器冷凝后，由水泵送回锅炉。 水泵2341Ws,P

2、umpWS，Tur透平锅 炉qH冷凝器qLSTTLTH4321能量分析（锅炉boiler）步骤1-2：装置： 锅炉锅炉工质变化： 水由饱和液体变成饱和水由饱和液体变成饱和蒸汽。蒸汽。过程特点： 恒温可逆膨胀过程恒温可逆膨胀过程。在TS图表示： 水平线。水平线。传热： 作轴功：1212)(hhSSTqHH水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平锅 炉qH冷凝器qLSWqhSTTLTH43210SWVdp 能量分析（Turbie 透平机）步骤2-3装置： 透平机透平机工质变化： 饱和蒸汽变成湿蒸汽状饱和蒸汽变成湿蒸汽状态态。过程特点： 可逆绝热膨胀过程，即可逆绝热膨胀过程，即等熵过程。等熵过程。

3、在TS图表示：垂直于垂直于S S轴的线段轴的线段。传热： 零零 作轴功：32,hhhWTurSSWqh水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平锅 炉qH冷凝器qLSTTLTH4321能量分析（Condenser 冷凝器）步骤34装置： 冷凝器冷凝器工质变化： 湿蒸汽冷凝，终点湿蒸汽冷凝，终点4的湿的湿度大于度大于3。过程特点： 等温可逆压缩过程。等温可逆压缩过程。在TS图上表示： 水平线水平线传热： 作轴功： 零零3434)(hhhSSTqLLSWqh水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平锅 炉qH冷凝器qLSTTLTH4321能量分析（Pump 水泵）步骤4-1装置： 水泵水泵工质变化

4、： 由湿蒸汽变为饱和液体由湿蒸汽变为饱和液体。过程的特点： 可逆绝热膨胀过程可逆绝热膨胀过程(等等熵过程熵过程)在T-S图表示： 垂直于垂直于S S轴的线段。轴的线段。传热： 零。零。作轴功： SWqh14,hhhWPumpS水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平锅 炉qH冷凝器qLSTTLTH4321循环过程作的净功为：过程与环境交换的热为：根据热力学第一定律，循环过程的 故： 结论一：整个动力装置产出的净功（透平产生的功和水泵消耗的功的代数和）等于锅炉吸收的热和冷凝器排放的热的代数值之和。NWq0hNWqhTurSPumpSNWWW,能量分析HLqqqHLHLHLHLHHNTTSSTS

5、STqqqqqqW111)()(123465STTLTH4321结论二：卡诺热机的效率与工作介质的性质无关，只与高温热源的温度（TH）和低温热源的温度（TL）有关。热效率：工作介质在整个循环中对外所作净功与外界所加 给工作介质的热量之比。卡诺热机的热效率为：已经证明卡诺循环是工作于相同温度的热源间效率最高的循环。但它却不能付之实践。原因：因此卡诺热机是一个理想的、不能实现的热机，但其效率可以为实际热机效率提供一个作比较用的最高标准。STTLTH4321（1）点3对应于透平出口点，湿蒸汽中所含的饱和水较多将使透平发生浸蚀现象。实践表明，透平带水不得超过10。（2）点4也在两相区(此点为水泵入口)

6、显然，汽水混合物不能用泵送入锅炉。二、郎肯(Rankie)循环 郎肯循环装置及T-S图朗肯循环与卡诺循环主要的区别有两点：（1）加热步骤1-2，水在汽化后继续加热，使之成为过热蒸汽；（2）冷凝步骤3-4进行完全的冷凝。过热器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平锅 炉qH冷凝器qLST4321能量分析（锅炉boiler）步骤l一2装置： 锅炉锅炉+ +过热器过热器工质变化： 过冷水被加热到沸点，过冷水被加热到沸点，然后汽化，最后再由饱和蒸然后汽化，最后再由饱和蒸汽变成温度较高的过热蒸汽汽变成温度较高的过热蒸汽过程特点： 恒压恒压作轴功： 零零传热：12hhhqHST4321过热器水泵234

7、1Ws,PumpWS，Tur透平锅 炉qH冷凝器qLSWqh能量分析（Turbie 透平机）步骤2-3装置： 透平透平工质变化： 过热蒸汽变为湿蒸汽。过热蒸汽变为湿蒸汽。但湿的乏汽含水量不太高。但湿的乏汽含水量不太高。过程特点： 绝热可逆膨胀（等熵过绝热可逆膨胀（等熵过程）。程）。传热： 零零作功： 32,hhhWTurs过热器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平锅 炉qH冷凝器qLST4321SWqh能量分析（Condenser 冷凝器） 步骤34装置： 冷凝器冷凝器工质变化： 由湿蒸汽由湿蒸汽 变为饱和液体变为饱和液体过程特点： 恒压、恒温恒压、恒温作轴功： 零零传热： 34hhhq

8、LST4321过热器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平锅 炉qH冷凝器qLSWqh能量分析（Pump 水泵）步骤4-l：装置; 水泵水泵工质变化： 饱和液体变为过冷液体饱和液体变为过冷液体。过程特点： 可逆、绝热压缩过程可逆、绝热压缩过程传热： 零零作轴功：把水看作是不可压缩流体，则：14,hhhWPumps41,14PPvvdPWPPumpPs过热器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平锅 炉qH冷凝器qLST4321SWqh能量分析理想朗肯循环的热效率：蒸汽动力循环中，水泵的耗功量远小于汽轮机的作功量。热效率可近似为：热效率的高低可以反映出不同装置输出相同功量时所消耗的能量的多

9、少，它是评价蒸汽动力装置的一个重要指标。 21,2341s Turs PumpHWWhhhhqhh23,21s TurHWhhqhh实际的郎肯循环（1）蒸汽通过透平机的绝热膨胀实际上不是等熵的，而是向着墒增加的方向偏移，用23线表示。 蒸汽通过透平机膨胀，实际做出的功应为h2 h3，它小于等熵膨胀的功h2 h3。两者之比称为透平机的等熵效率。 （2）水泵的耗功量远小于透平机的做功量，可不考虑不可逆的影响。 实际朗肯循环的热效率: 2341232121hhhhhhhhhh2323sssWhhWhh不可3/ST4321例：某蒸汽动力装置产生的过热蒸汽压力为8600kPa、温度为500。此蒸汽进入透

10、平绝热膨胀作功，透平排出的乏汽压力为10kPa。乏汽进入冷凝器全部冷凝成为饱和液态水，然后泵入锅炉。试求： (a)理想的朗肯循环的热效率； (b)已知透平和水泵的等熵效率都为0.75，试求在上述条件下实际动力循环的热效率； (c)设计要求实际动力循环输出的轴功率为80000kw，试求蒸汽流量以及锅炉和冷凝器的传热速率。 3/ST4321解：（a）从附表(水蒸汽表)可查得8600kPa500的过热蒸汽的焓值和熵值为： 12.9 .3390kgkJh1126858. 6KkgkJs3/ST4321过热蒸汽在透平中膨胀为等熵过程，膨胀终点3 的熵为 :点3为湿蒸汽状态，查饱和蒸汽压表，压力为10kP

11、a, 饱和温度为45.83度，这时： 11236858. 6KkgkJsslgsxxss)1 (33311.6493. 0KkgkJsl183.191kgkJhl3/ST4321由此可得：则：透平膨胀产生的轴功为： 111502. 8KkgkJsg17 .2584kgkJhg80467. 03x13333 .2117)80467. 01 (83.19180467. 07 .2584)1 (kgkJxhxhhlg132,3 .21179 .3390)(kgkJhhshWTurs3/ST4321冷凝过程传热量为：(负号表示工作介质放热)水泵的可逆轴功为：由P1=8600kPa, P2=10kPa

12、查饱和水蒸汽表得： 1483.191kgkJhhl15 .19253 .211783.19134kgkJhhqL)(414,PPvWPumps133410010. 1kgmv11333414,676. 810676. 810)108600(1001. 1)(kgkJkgJPPvWPumps3/ST4321根据热力学第一定律， 则有：锅炉吸热量为：郎肯循环提供得净功为透平产功和水泵耗功得代数和，即： 或者根据 也可计算出WN.郎肯循环的效率为： 1,415 .200676. 883.191kgkJWhhPumps1124 .31905 .2009 .3390kgkJhhqH1,9 .126467

13、6. 86 .1273kgkJWWWTursPumpSNLHNqqW3965. 04 .31909 .1264HNqW3/ST4321（b）已知透平的 为0.75，则透平产功为：冷凝器放出的热量为： 水泵耗功为： s12 .9556 .127375. 0)(,kgkJshhWTurs1),(57.1175. 08676. 075. 014,kgkJhhWPumpRSWPumpS1,414 .20357.1183.191kgkJWhhPumpS1237 .24352 .9559 .3390kgkJhhh13487.22437 .243583.191kgkJhhqL3/ST4321锅炉吸收的热为：

14、 过程产功:或： 实际循环的热效率：显然，此效率低于理想朗肯循环的效率。这是由于透平不可逆操作所致。水泵耗功要比透平产功小得多，因此水泵对效率的影响并不重要。 1125 .31874 .2039 .3390kgkJhhqH136.94387.22435 .3187kgkJqqWLHNTurSPumpSNWWW,2960. 05 .318736.943HNqW3/ST4321（c）设计要求循环提供的轴功率为80000kW, 则蒸汽的流量应为: QH和QL分别为锅炉和冷凝器的传热速率，显然QH+QL=80000kW136.9438000080000779.84skgmNW11190233)87.2243(779.842702335 .3187779.84skgqmQskgqmQLLHH 工质的焓值的计算方法如下：状态点2 根据P2、t2 值可查得h2、S2值；状态点3 S3=S2，查P3下的饱和液体和饱和气体的焓hl 、hg 熵sl 、 sg,根据S3= Slx+Sg(1-x) ,h3= hlx+hg(1-x)可得h3；状态点4 P4=P3，查P4下的饱和液体可得h4、V4 、S4值；状态点1, P1=P2，S1=S4，根据P1、S1可查得 h1值，或者将液体水的比容当作常数，由 h1=h4-Ws,pump=h4+V(P1-P4) 计