化工熱力學課件化工專業(yè)本科階段 (7)

1、化工熱力學化學化工學院主講：戚玉華第三節(jié)：蒸汽動力循環(huán)第三節(jié)：蒸汽動力循環(huán) 本節(jié)內(nèi)容：1、卡諾循環(huán)過程及能量分析2、郎肯循環(huán)過程及能量分析重點掌握：1、循環(huán)的各過程中工作介質(zhì)狀態(tài)的變化2、各過程的特點及各過程對外傳熱和作功的計算3、熱效率的計算 瓦特（ 17361819） 薩迪.卡諾（1796 1832）請同學們課下查閱有關蒸汽機發(fā)展的資料 一、卡諾循環(huán)簡單的蒸汽動力循環(huán)裝置及T-S圖上的卡諾循環(huán)工作介質(zhì)(簡稱工質(zhì)):目前，廣泛應用的蒸汽動力裝置的是水。過程：水在鍋爐中產(chǎn)生高壓蒸汽；高壓蒸汽在透平中進行膨脹對外產(chǎn)功；透平排出的廢氣(稱乏汽)經(jīng)冷凝器冷凝后，由水泵送回鍋爐。 水泵2341Ws,P

2、umpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSTTLTH4321能量分析（鍋爐boiler）步驟1-2：裝置： 鍋爐鍋爐工質(zhì)變化： 水由飽和液體變成飽和水由飽和液體變成飽和蒸汽。蒸汽。過程特點： 恒溫可逆膨脹過程恒溫可逆膨脹過程。在TS圖表示： 水平線。水平線。傳熱： 作軸功：1212)(hhSSTqHH水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSWqhSTTLTH43210SWVdp 能量分析（Turbie 透平機）步驟2-3裝置： 透平機透平機工質(zhì)變化： 飽和蒸汽變成濕蒸汽狀飽和蒸汽變成濕蒸汽狀態(tài)態(tài)。過程特點： 可逆絕熱膨脹過程，即可逆絕熱膨脹過程，即等熵過程。等熵過程。

3、在TS圖表示：垂直于垂直于S S軸的線段軸的線段。傳熱： 零零 作軸功：32,hhhWTurSSWqh水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSTTLTH4321能量分析（Condenser 冷凝器）步驟34裝置： 冷凝器冷凝器工質(zhì)變化： 濕蒸汽冷凝，終點濕蒸汽冷凝，終點4的濕的濕度大于度大于3。過程特點： 等溫可逆壓縮過程。等溫可逆壓縮過程。在TS圖上表示： 水平線水平線傳熱： 作軸功： 零零3434)(hhhSSTqLLSWqh水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSTTLTH4321能量分析（Pump 水泵）步驟4-1裝置： 水泵水泵工質(zhì)變化

4、： 由濕蒸汽變?yōu)轱柡鸵后w由濕蒸汽變?yōu)轱柡鸵后w。過程的特點： 可逆絕熱膨脹過程可逆絕熱膨脹過程(等等熵過程熵過程)在T-S圖表示： 垂直于垂直于S S軸的線段。軸的線段。傳熱： 零。零。作軸功： SWqh14,hhhWPumpS水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSTTLTH4321循環(huán)過程作的凈功為：過程與環(huán)境交換的熱為：根據(jù)熱力學第一定律，循環(huán)過程的 故： 結論一：整個動力裝置產(chǎn)出的凈功（透平產(chǎn)生的功和水泵消耗的功的代數(shù)和）等于鍋爐吸收的熱和冷凝器排放的熱的代數(shù)值之和。NWq0hNWqhTurSPumpSNWWW,能量分析HLqqqHLHLHLHLHHNTTSSTS

5、STqqqqqqW111)()(123465STTLTH4321結論二：卡諾熱機的效率與工作介質(zhì)的性質(zhì)無關，只與高溫熱源的溫度（TH）和低溫熱源的溫度（TL）有關。熱效率：工作介質(zhì)在整個循環(huán)中對外所作凈功與外界所加 給工作介質(zhì)的熱量之比?？ㄖZ熱機的熱效率為：已經(jīng)證明卡諾循環(huán)是工作于相同溫度的熱源間效率最高的循環(huán)。但它卻不能付之實踐。原因：因此卡諾熱機是一個理想的、不能實現(xiàn)的熱機，但其效率可以為實際熱機效率提供一個作比較用的最高標準。STTLTH4321（1）點3對應于透平出口點，濕蒸汽中所含的飽和水較多將使透平發(fā)生浸蝕現(xiàn)象。實踐表明，透平帶水不得超過10。（2）點4也在兩相區(qū)(此點為水泵入口)

6、顯然，汽水混合物不能用泵送入鍋爐。二、郎肯(Rankie)循環(huán) 郎肯循環(huán)裝置及T-S圖朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)主要的區(qū)別有兩點：（1）加熱步驟1-2，水在汽化后繼續(xù)加熱，使之成為過熱蒸汽；（2）冷凝步驟3-4進行完全的冷凝。過熱器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLST4321能量分析（鍋爐boiler）步驟l一2裝置： 鍋爐鍋爐+ +過熱器過熱器工質(zhì)變化： 過冷水被加熱到沸點，過冷水被加熱到沸點，然后汽化，最后再由飽和蒸然后汽化，最后再由飽和蒸汽變成溫度較高的過熱蒸汽汽變成溫度較高的過熱蒸汽過程特點： 恒壓恒壓作軸功： 零零傳熱：12hhhqHST4321過熱器水泵234

7、1Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSWqh能量分析（Turbie 透平機）步驟2-3裝置： 透平透平工質(zhì)變化： 過熱蒸汽變?yōu)闈裾羝?。過熱蒸汽變?yōu)闈裾羝５珴竦姆ζ坎惶?。但濕的乏汽含水量不太高。過程特點： 絕熱可逆膨脹（等熵過絕熱可逆膨脹（等熵過程）。程）。傳熱： 零零作功： 32,hhhWTurs過熱器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLST4321SWqh能量分析（Condenser 冷凝器） 步驟34裝置： 冷凝器冷凝器工質(zhì)變化： 由濕蒸汽由濕蒸汽 變?yōu)轱柡鸵后w變?yōu)轱柡鸵后w過程特點： 恒壓、恒溫恒壓、恒溫作軸功： 零零傳熱： 34hhhq

8、LST4321過熱器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLSWqh能量分析（Pump 水泵）步驟4-l：裝置; 水泵水泵工質(zhì)變化： 飽和液體變?yōu)檫^冷液體飽和液體變?yōu)檫^冷液體。過程特點： 可逆、絕熱壓縮過程可逆、絕熱壓縮過程傳熱： 零零作軸功：把水看作是不可壓縮流體，則：14,hhhWPumps41,14PPvvdPWPPumpPs過熱器水泵2341Ws,PumpWS，Tur透平鍋 爐qH冷凝器qLST4321SWqh能量分析理想朗肯循環(huán)的熱效率：蒸汽動力循環(huán)中，水泵的耗功量遠小于汽輪機的作功量。熱效率可近似為：熱效率的高低可以反映出不同裝置輸出相同功量時所消耗的能量的多

9、少，它是評價蒸汽動力裝置的一個重要指標。 21,2341s Turs PumpHWWhhhhqhh23,21s TurHWhhqhh實際的郎肯循環(huán)（1）蒸汽通過透平機的絕熱膨脹實際上不是等熵的，而是向著墑增加的方向偏移，用23線表示。 蒸汽通過透平機膨脹，實際做出的功應為h2 h3，它小于等熵膨脹的功h2 h3。兩者之比稱為透平機的等熵效率。 （2）水泵的耗功量遠小于透平機的做功量，可不考慮不可逆的影響。 實際朗肯循環(huán)的熱效率: 2341232121hhhhhhhhhh2323sssWhhWhh不可3/ST4321例：某蒸汽動力裝置產(chǎn)生的過熱蒸汽壓力為8600kPa、溫度為500。此蒸汽進入透

10、平絕熱膨脹作功，透平排出的乏汽壓力為10kPa。乏汽進入冷凝器全部冷凝成為飽和液態(tài)水，然后泵入鍋爐。試求： (a)理想的朗肯循環(huán)的熱效率； (b)已知透平和水泵的等熵效率都為0.75，試求在上述條件下實際動力循環(huán)的熱效率； (c)設計要求實際動力循環(huán)輸出的軸功率為80000kw，試求蒸汽流量以及鍋爐和冷凝器的傳熱速率。 3/ST4321解：（a）從附表(水蒸汽表)可查得8600kPa500的過熱蒸汽的焓值和熵值為： 12.9 .3390kgkJh1126858. 6KkgkJs3/ST4321過熱蒸汽在透平中膨脹為等熵過程，膨脹終點3 的熵為 :點3為濕蒸汽狀態(tài)，查飽和蒸汽壓表，壓力為10kP

11、a, 飽和溫度為45.83度，這時： 11236858. 6KkgkJsslgsxxss)1 (33311.6493. 0KkgkJsl183.191kgkJhl3/ST4321由此可得：則：透平膨脹產(chǎn)生的軸功為： 111502. 8KkgkJsg17 .2584kgkJhg80467. 03x13333 .2117)80467. 01 (83.19180467. 07 .2584)1 (kgkJxhxhhlg132,3 .21179 .3390)(kgkJhhshWTurs3/ST4321冷凝過程傳熱量為：(負號表示工作介質(zhì)放熱)水泵的可逆軸功為：由P1=8600kPa, P2=10kPa

12、查飽和水蒸汽表得： 1483.191kgkJhhl15 .19253 .211783.19134kgkJhhqL)(414,PPvWPumps133410010. 1kgmv11333414,676. 810676. 810)108600(1001. 1)(kgkJkgJPPvWPumps3/ST4321根據(jù)熱力學第一定律， 則有：鍋爐吸熱量為：郎肯循環(huán)提供得凈功為透平產(chǎn)功和水泵耗功得代數(shù)和，即： 或者根據(jù) 也可計算出WN.郎肯循環(huán)的效率為： 1,415 .200676. 883.191kgkJWhhPumps1124 .31905 .2009 .3390kgkJhhqH1,9 .126467

13、6. 86 .1273kgkJWWWTursPumpSNLHNqqW3965. 04 .31909 .1264HNqW3/ST4321（b）已知透平的 為0.75，則透平產(chǎn)功為：冷凝器放出的熱量為： 水泵耗功為： s12 .9556 .127375. 0)(,kgkJshhWTurs1),(57.1175. 08676. 075. 014,kgkJhhWPumpRSWPumpS1,414 .20357.1183.191kgkJWhhPumpS1237 .24352 .9559 .3390kgkJhhh13487.22437 .243583.191kgkJhhqL3/ST4321鍋爐吸收的熱為：

14、 過程產(chǎn)功:或： 實際循環(huán)的熱效率：顯然，此效率低于理想朗肯循環(huán)的效率。這是由于透平不可逆操作所致。水泵耗功要比透平產(chǎn)功小得多，因此水泵對效率的影響并不重要。 1125 .31874 .2039 .3390kgkJhhqH136.94387.22435 .3187kgkJqqWLHNTurSPumpSNWWW,2960. 05 .318736.943HNqW3/ST4321（c）設計要求循環(huán)提供的軸功率為80000kW, 則蒸汽的流量應為: QH和QL分別為鍋爐和冷凝器的傳熱速率，顯然QH+QL=80000kW136.9438000080000779.84skgmNW11190233)87.2243(779.842702335 .3187779.84skgqmQskgqmQLLHH 工質(zhì)的焓值的計算方法如下：狀態(tài)點2 根據(jù)P2、t2 值可查得h2、S2值；狀態(tài)點3 S3=S2，查P3下的飽和液體和飽和氣體的焓hl 、hg 熵sl 、 sg,根據(jù)S3= Slx+Sg(1-x) ,h3= hlx+hg(1-x)可得h3；狀態(tài)點4 P4=P3，查P4下的飽和液體可得h4、V4 、S4值；狀態(tài)點1, P1=P2，S1=S4，根據(jù)P1、S1可查得 h1值，或者將液體水的比容當作常數(shù)，由 h1=h4-Ws,pump=h4+V(P1-P4) 計