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1、 化工热力学化工热力学第第5章章 蒸汽动力循环与制冷循环蒸汽动力循环与制冷循环5.3 蒸汽动力循环蒸汽动力循环-Rankine循环循环蒸汽动力循环是目前工程上使用最广泛的动力循环之一蒸汽动力循环是目前工程上使用最广泛的动力循环之一，是获取电能的主要方式是获取电能的主要方式。化工生产和其他工业生产都离不开动力化工生产和其他工业生产都离不开动力。在石化企业在石化企业，大型压缩机一般都采用蒸汽透平驱动大型压缩机一般都采用蒸汽透平驱动。高温热源可以是温度较高的工业高温热源可以是温度较高的工业余余热热、反应热反应热，也可也可以以用用燃料燃料作为热源作为热源等等常用的工质是常用的工质是水蒸气水蒸气以蒸汽为
2、工质以蒸汽为工质，通过热机将通过热机将热连续地转变为功热连续地转变为功的过程的过程图图5 5-5 5 RankineRankine循环示意图循环示意图Rankine(朗肯朗肯)循环循环是最简单是最简单的的蒸汽动力循环蒸汽动力循环，主要主要由锅炉由锅炉、过热器过热器、汽轮机汽轮机(也称透平机也称透平机)、冷凝器和水泵冷凝器和水泵组成组成。过热器过热器汽轮机汽轮机冷冷凝凝器器水泵水泵1234发电发电锅锅炉炉QHQLWpWs蒸汽动力循环原理蒸汽动力循环原理41水被加热汽化水被加热汽化过热蒸汽过热蒸汽。12进入汽轮机膨胀做功进入汽轮机膨胀做功。23乏气进冷凝器被冷凝成水乏气进冷凝器被冷凝成水34水在水
3、泵中被压缩升压水在水泵中被压缩升压，再回到锅炉中再回到锅炉中，完成一个循环完成一个循环。图图5 5-5 5 RankineRankine循环示意图循环示意图过热器过热器汽轮机汽轮机冷冷凝凝器器水泵水泵1234发电发电锅锅炉炉QHWpWsQL1）理想理想Rankine循环循环S6T54321Wnet除吸热过程除吸热过程，其余其余过程是完全可逆过程是完全可逆的的，忽略工质忽略工质(水水)的流的流动阻力与温差传热动阻力与温差传热图图5 5-5 5 RankineRankine循环示意图循环示意图过热器过热器汽轮机汽轮机冷冷凝凝器器水泵水泵1234发电发电锅锅炉炉QHWpWsQL图图5-6 Ranki
4、ne循环的循环的T-S图图WPQHQLWs过热器过热器汽轮机汽轮机冷冷凝凝器器水泵水泵1234发电发电锅锅炉炉主要主要任务任务：讨论循环的热工性讨论循环的热工性能能。计算循环中计算循环中吸收热量吸收热量QH、放放热量热量QL；对外做出的功对外做出的功Ws、从外界得到的功从外界得到的功WP；计算出计算出循环热效率循环热效率及及汽耗率汽耗率。稳流体系的能量平衡方程稳流体系的能量平衡方程 Hug ZQW122sHQWsWPQH过热器过热器汽轮机汽轮机冷冷凝凝器器水泵水泵1234发电发电锅锅炉炉QLWs蒸汽动力循环装置除启动蒸汽动力循环装置除启动、停机停机、发生事故发生事故等外等外，正常工作时正常工作
5、时，工质处于工质处于稳定流动状态稳定流动状态。忽略忽略动、位能的变化动、位能的变化，则，则单位：单位：kJ/kg水水水水 ppWVpVpp34P43d()锅炉内吸热量锅炉内吸热量：QH=H1H4汽轮机中对外做功汽轮机中对外做功：Ws=H2H1冷凝器中放热量冷凝器中放热量：QL=H3H2水泵中压缩耗功水泵中压缩耗功：WP=H4H3WPQH过热器过热器汽轮机汽轮机冷冷凝凝器器水泵水泵1234发电发电锅锅炉炉QLWs以单位质量以单位质量1kg1kg的工质作为基准的工质作为基准理想理想Rankine循环的循环的净功净功：蒸汽动力装置为一封闭体系蒸汽动力装置为一封闭体系 Uug ZQW122net循环过
6、程循环过程U=0gZ0，u2/2 0 Q+Wnet=0 净功净功Wnet=Ws+WP=(QH+QL)WPQH过热器过热器汽轮机汽轮机冷冷凝凝器器水泵水泵1234发电发电锅锅炉炉QLWs净功净功Wnet在在T-S图上图上净功净功=面积面积12341=QH(面积面积1ba41)QL(面积面积2ba32)QH越大，越大，QL越小，越小，Wnet就越大。就越大。QH受锅炉中金属材质的极限的限制。受锅炉中金属材质的极限的限制。QL受环境温度的限制。受环境温度的限制。S6T54321QHQLWnetT0ab理想理想Rankine循环的热效率循环的热效率和汽耗率和汽耗率SSC评价蒸汽动力循环的评价蒸汽动力循
7、环的经济性指标经济性指标：热效率和汽耗率。：热效率和汽耗率。(1)热效率热效率循环的净功与工质从高温热库循环的净功与工质从高温热库(锅炉锅炉)吸收的热量之比吸收的热量之比 WP0（）PsWW WWQHHHHHH()()()sPH123414 WQHHHHsH1214(2)汽耗率汽耗率SSC（Specific steam consumption）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。SSC(Ws)=3600Ws：kJ kg-1可知：热效率可知：热效率越高越高，汽耗率汽耗率越低越低，表明循环越完善表明循环越完善。WSSC3600s单位单位 kg kW-1 h-142S6T54
8、321Wnet2）实际）实际Rankine循环循环以上讨论的是理想的朗肯循环。以上讨论的是理想的朗肯循环。实际上，工质在汽轮机及水泵中实际上，工质在汽轮机及水泵中不可能不可能做等熵膨胀做等熵膨胀及等熵压缩，由于水泵耗功及等熵压缩，由于水泵耗功量很小，可忽略不可逆的影响。但对汽量很小，可忽略不可逆的影响。但对汽轮机需考虑膨胀过程的不可逆性。因此，轮机需考虑膨胀过程的不可逆性。因此，蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀不是等熵的，蒸汽通过汽轮机的绝热膨胀不是等熵的，出口蒸汽不再是出口蒸汽不再是2而是而是2。工程上，常用工程上，常用等熵效率等熵效率S来表示来表示12 3 4理想的理想的(等熵等熵)12 3 4实
9、际的实际的(不等熵不等熵)等熵效率等熵效率S的定义：的定义：对膨胀做功过程对膨胀做功过程，不可逆绝热过程不可逆绝热过程的做功量与可逆绝热过程的做功量之比的做功量与可逆绝热过程的做功量之比。透平透平 SWWHHHH,ss,rev1212对耗功过程对耗功过程泵泵 WHHHHWSs43,43s,rev42S6T54321WnetQHQL实际实际Rankine循环的循环的热效率热效率：WP0(WP只占只占Ws的的0.8-1.0%)QHHHHWW()H1412sP42S6T54321WnetQHQL2S6T54321WnetQHQL实际实际Rankine循环循环1)在锅炉中吸热量在锅炉中吸热量QH=H1H42)在冷凝器中放热量在冷凝器中放热量QLH3H23)在透平机中对外做功在透平机中对外做功Ws=H2H1若已知等熵效率若已知等熵效率，则透平机的产功量则透平机的产功量Ws=S(Ws,rev)4)在水泵中消耗功在水泵中消耗功WPH4 H3蒸汽动力循环热力学分析蒸汽动力循环热力学分析5)热效率热效率6)汽耗率汽耗率 WSSC3600s利用这些公式进行计算时，所需各状利用这些公式进行计算时，所需各状态点焓、熵值可查水蒸气表得到态点焓、熵值可查水蒸气表得到单位单位kg kW-1 h-142S6T54321WnetQHQL QHHHHWW()H1412sP认真学习！