第十章蒸汽动力装置循环 第十章蒸汽动力装置循环 10-1简单蒸汽动力装置循环（即朗肯循环），蒸汽的初压p,=3MPa,终压P,=6kPa, 初温如下所示，试求在各种不同初温时循环的热效率刀，、耗汽率d及蒸汽的终干度x,并将 所求得的各值填写入表内，以比较所求得的结果。 提示和答案：由h-s图查得：h=2996kJkg,h,=2005kJkg,x2=0.761, t2=36C。取h≈c2=150.7kkg、'2≈0.001m3。水泵功w。=2(P2-P)≈3kJkg, 热效率几= -34.7,若略去水泵功，n= h-h=34.83%, h-h we h-h d=,1=1.009×10-kg1。 h-h 1/C 300 500 n 0.3476 0.3716 d/kg/ 1.009×106 8.15×107 2 0.761 0.859 10-2简单蒸汽动力装置循环，蒸汽初温t=500C,终压p,=0.006MPa,初压p如下 表所示，试求在各种不同的初压下循环的热效率n,、耗汽率d及蒸汽终干度x2,并将所求得 的数值真入下表内，以比较所求得的结果。 提示和答案：(1)p=3MPa,1=500C,P2=0.006MPa,即上题的(2)。(2)据 8=8,书=8- s"-s =0746,么=H+W-)=19530g,2-么-2=4287%， h -h d= 1=6.05x10kg小 h-h P/MPa 3.0 15.0 n. 0.3716 0.4287 d/(kg/) 8.15×10-7 6.05×107 2 0.859 0.742 89
第十章 蒸汽动力装置循环 89 第十章 蒸汽动力装置循环 10-1 简单蒸汽动力装置循环（即朗肯循环），蒸汽的初压 1 p 3MPa ，终压 2 p 6kPa ， 初温如下所示，试求在各种不同初温时循环的热效率 t 、耗汽率 d 及蒸汽的终干度 2 x ，并将 所求得的各值填写入表内，以比较所求得的结果。 提示和答案：由 h s 图查得： 1 h 2 996 kJ/kg ， 2 h 2 005 kJ/kg ， 2 x 0.761 ， 2 t 36 C 。取 2 w 2 h c t 150.7 kJ/kg 、 3 2 v 0.001 m 。水泵功 p 2 2 1 w v p p ( ) 3 kJ/kg ， 热效率 1 2 P t 1 2 P 34.76 % h h w h h w ， 若 略 去 水 泵 功 ， 1 2 t 1 2 34.83 % h h h h ， 6 1 2 1 d 1.009 10 kg/J h h 。 1 t / C 300 500 t 0.3476 0.3716 d / kg/J 1.009×10-6 8.15×10-7 2 x 0.761 0.859 10-2 简单蒸汽动力装置循环，蒸汽初温 1 t 500 C ，终压 2 p 0.006MPa ，初压 1 p 如下 表所示，试求在各种不同的初压下循环的热效率 t 、耗汽率 d 及蒸汽终干度 2 x ，并将所求得 的数值真入下表内，以比较所求得的结果。 提示和答案：(1) 1 p 3 MPa ， 1 t 500 C ， 2 p 0.006MPa ，即上题的(2)。(2) 据 2 1 s s ， 2 2 0.746 s s x s s ， 2 2 h h x h h ( ) 1953.0kJ/kg ， 1 2 t 1 2 42.87 % h h h h ， 7 1 2 1 d 6.05 10 kg/J h h 1 p / MPa 3.0 15.0 t 0.3716 0.4287 d / kg/J ( ) 8.15×10–7 6.05×10–7 2 x 0.859 0.742
第十章蒸汽动力装置循环 10-3某蒸汽动力装置朗肯循环的最高运行压力是5MPa,最低压力是15kPa,若蒸汽轮 机的排汽干度不能低于0.95，输出功率不小于7.5MW,忽略水泵功，试确定锅炉输出蒸汽必 须的温度和质量流量。 提示和答案：由最低压力和蒸汽轮机的排汽干度确定终态蒸汽的熵： h'=225.9kJ/kg、h"=2598.2kJ/kg,s'=0.755kJ/kg·K)s"=8.007kJ/kg·K), h,=h'+x,(h"-h)=2479.6kJ/g,S2=s'+x(s"-s)=7.644kJ/kgK)。再据s,=52及初 压一一循环的最高运行压力查水蒸气表得：h=4032.1kJkg、t=756C。忽略水泵功 P w=w=h-h,=1552.5kJkg、qn=P=4.831kgs。 10-4利用地热水作为热源，R134a作为工质的朗肯循环(T-s图参见图10-1)，R134a 离开锅炉时状态为85℃的干饱和蒸气，在汽轮机内膨胀后进 入冷凝器时的温度是40℃，计算循环热效率。 提示和答案：R134a作为工质的朗肯循环与以水蒸气为工 质朗肯循环的热力学分析是一致的。注意新蒸气为饱和状态。 -=0.935,汽轮机输出功w=h-h,=18.8kJ/g, 图10-1 s"- 泵耗功w,=h-,三v'(p,-P,)=1.72kJg,(思考：泵耗功占汽轮机输出功比例较大，为什 么)么=么+w,=2582kg,g=h-h=169.5Jg，n=”=-=10.0%。 91 10-5某项R134a为工质的朗肯循环(T-s图参见图10-1)利用当地海水为热源。已知 R134a的流量为1000kgs,当地表层海水的温度25℃，深层海水的温度为5℃。若加热和 冷却过程中海水和工质的温差为5℃，试计算循环的功率和热效率。 提示和答案：循环为内可逆的朗肯循环，循环T-s图同上题工质(R134a)的最高温度 和最低温度分别是20℃和10℃。无=- =0.994, s"-s' 7,=3.3%,P=6474kW。 10-6某发电厂采用的蒸汽动力装置，蒸汽以p=9.0MPa、 t=480°C的初态进入汽轮机。汽轮机的7=0.88，见图10-2。 图10-2 90
第十章 蒸汽动力装置循环 90 图 10-1 图 10-2 10-3 某蒸汽动力装置朗肯循环的最高运行压力是 5 MPa，最低压力是 15 kPa，若蒸汽轮 机的排汽干度不能低于 0.95，输出功率不小于 7.5 MW，忽略水泵功，试确定锅炉输出蒸汽必 须的温度和质量流量。 提 示 和 答 案 ： 由 最 低 压 力 和 蒸 汽 轮 机 的 排 汽 干 度 确 定 终 态 蒸 汽 的 熵 ： h h ' 225.9 kJ/kg " 2 598.2 kJ/kg 、 ， s s ' 0.755 kJ/(kg K) " 8.007 kJ/(kg K) 、 ， 2 2 h h x h h ' ( " ') 2 479.6 kJ/kg， 2 2 s s x s s ' ( " ') 7.644 kJ/(kg K)。再据 1 2 s s 及初 压——循环的最高运行压力查水蒸气表得： 1 1 h t 4 032.1 kJ/kg 756 C 、 。忽略水泵功 net T 1 2 w w h h 1 552.5 kJ/kg、 net 4.831 kg/s m P q w 。 10-4 利用地热水作为热源，R134a 作为工质的朗肯循环（ T s 图参见图 10-1），R134a 离开锅炉时状态为 85℃的干饱和蒸气，在汽轮机内膨胀后进 入冷凝器时的温度是 40℃，计算循环热效率。 提示和答案：R134a 作为工质的朗肯循环与以水蒸气为工 质朗肯循环的热力学分析是一致的。注意新蒸气为饱和状态。 2 2 ' 0.935 " ' s s x s s ，汽轮机输出功 T 1 2 w h h 18.8 kJ/kg ， 泵耗功 P 4 3 4 3 w h h v p p '( ) 1.72 kJ/kg，（思考：泵耗功占汽轮机输出功比例较大，为什 么） 4 3 P h h w 258.2 kJ/kg， 1 1 4 q h h 169.5 kJ/kg ， net T P t 1 1 10.0 % w w w q q 。 10-5 某项 R134a 为工质的朗肯循环（ T s 图参见图 10-1）利用当地海水为热源。已知 R134a 的流量为 1 000 kg/s，当地表层海水的温度 25 ℃，深层海水的温度为 5℃。若加热和 冷却过程中海水和工质的温差为 5 ℃，试计算循环的功率和热效率。 提示和答案：循环为内可逆的朗肯循环，循环 T s 图同上题工质（R134a）的最高温度 和 最 低 温 度 分 别 是 20℃ 和 10℃ 。 2 2 ' 0.994 " ' s s x s s ， t 3.3% ， P 6 474 kW 。 10-6 某发电厂采用的蒸汽动力装置，蒸汽以 1 p 9.0MPa 、 1 t 480 C 的初态进入汽轮机。汽轮机的 T 0.88 ，见图 10-2
第十章蒸汽动力装置循环 冷凝器的压力与冷却水的温度有关。设夏天冷凝器温度保持35℃。假定按朗肯循环工作，求 汽轮机理想耗汽率d。与实际耗汽率d,。若冬天冷却水水温降低，使冷凝器的温度保持15℃， 试比较冬、夏两季因冷凝器温度不同所导致的以下各项的差别：(1)汽轮机作功：(2)加热 量：(3)热效率（略去水泵功）。 提示和答案：由p=9.0MPa、t=480C,s=6.5894kJ/kgK)、h=3336kJ/kg。 冷凝器温度不同，意味背压改变。夏天，1，=35C,h,=2016kJ/g,汽轮机的理论技术 功w,=h-h,=1320kJkg，实际技术功m=7,w,=1161.6kg，不计水泵功 %==1161.1kg,q,=么-片=3189.4Jg,内部热效率n=近=364%。实际 1 耗汽率d,=- =8.61×107J/kg。列表比较 w:/(kJ/kg) g /(kJ/kg) n/% 夏天 1161.1 3189.4 36.4 冬天 1273.36 3281.05 38.8 10-7某朗肯循环蒸汽初压p,=6MPa,初温t=600C,冷凝器内维持压力10kPa,蒸 汽质量流量是80kgs,锅炉内传热过程假定在平均温度为1400K的热源和水之间进行：冷凝 器内冷却水平均温度为25℃。试求：(1)水泵功：(2)锅炉烟气对水的加热率：(3)汽轮机 作功：(4)冷凝器内乏汽的放热率：(5)循环热效率：(6)各过程及循环不可逆作功能力损 失。已知T=290.15K。 提示和答案：因膨胀及压缩均按等熵过程计算，故不可逆损失表现在烟气向水放热及乏 汽向冷却水放热的过程中。查h一s图及饱和水和饱和水蒸汽表，得： h=3657kJ/kg、S=7.161kJ/kgK);h,=2276kJ/kg、S2=S=7.161kJ/kg·K)、 h=191.76kJ/g、S=0.6490kJ/kgK): =0.0010103m3/kg 、 3,=S=0.6490kJ/gK)。m,≈p,-P2)=6.05×103J、=9m,=484.1kW, 4=h-(位+w,)=3459.19kkg、9e,=99=2.767x103kW,w,=h-h=1381kJ/kg 9
第十章 蒸汽动力装置循环 91 冷凝器的压力与冷却水的温度有关。设夏天冷凝器温度保持 35℃。假定按朗肯循环工作，求 汽轮机理想耗汽率 0 d 与实际耗汽率 i d 。若冬天冷却水水温降低，使冷凝器的温度保持 15℃， 试比较冬、夏两季因冷凝器温度不同所导致的以下各项的差别：（1）汽轮机作功；（2）加热 量；（3）热效率（略去水泵功）。 提示和答案：由 1 1 p t 9.0 MPa 480 C 、 ， 1 s 6.589 4 kJ/(kg K)、 1 h 3 336 kJ/kg 。 冷凝器温度不同，意味背压改变。夏天， 2 t 35 C， s 2 h 2 016 kJ/kg ，汽轮机的理论技术 功 T 1 2s w h h 1 320 kJ/kg ， 实 际 技 术 功 T T T w w 1 161.6 kJ/kg ， 不 计 水 泵 功 s T w w 1 161.1 kJ/kg ， 1 1 2 q h h 3 189.4 kJ/kg ，内部热效率 T i 1 36.4 % w q 。实际 耗汽率 7 i T 1 d 8.61 10 J kg w 。列表比较 i w/(kJ/kg) 1 q /(kJ/kg) t / % 夏天 1161.1 3189.4 36.4 冬天 1273.36 3281.05 38.8 10-7 某朗肯循环蒸汽初压 1 p 6MPa ，初温 1 t 600 C ，冷凝器内维持压力 10kPa ，蒸 汽质量流量是 80kg/s ，锅炉内传热过程假定在平均温度为 1 400K 的热源和水之间进行；冷凝 器内冷却水平均温度为 25℃。试求：（1）水泵功；（2）锅炉烟气对水的加热率；（3）汽轮机 作功；（4）冷凝器内乏汽的放热率；（5）循环热效率；（6）各过程及循环不可逆作功能力损 失。已知 0 T 290.15K 。 提示和答案：因膨胀及压缩均按等熵过程计算，故不可逆损失表现在烟气向水放热及乏 汽 向 冷 却 水 放 热 的 过 程 中 。 查 h s 图 及 饱 和 水 和 饱 和 水 蒸 汽 表 ， 得 ： 1 1 h s 3 657 kJ/kg 7.161 kJ/(kg K) 、 ； 2 h 2 276 kJ/kg 、 2 1 s s 7.161 kJ/(kg K) 、 2 h 191.76 kJ/kg 、 2 s 0.649 0 kJ/(kg K) ； 3 2 v 0.001 010 3 m kg / 、 4 2 s s 0.649 0 kJ/(kg K) 。 3 P 2 4 2 w v p p ( ) 6.05 10 J 、 P P P q w m 484.1 kW ， 1 1 2 P q h h w ( ) 3 459.19 kJ/kg 、 1 5 1 q q q Q m 2.767 10 kW ， T 1 2 w h h 1 381 kJ/kg
第十章蒸汽动力装置循环 P=9n"1=1105x10kW,9e,=g.92=gh-h6)=1.667×10kW,n.=1-4=39.75%。 41 以水和水蒸气为系统，锅炉内传热过程熵流5n=马=2471kgK),熵产 gas 5e1=△s1-Sn=(s-S)-5n=4.041kJ/kgK)，iB=9ToS1=9.38×10kW。冷凝器内传 热过程5n=9=-6.906k/kgK)，5e=Ax-。=04786W1(kgK), 「Ta ic=9nTs2=1.11×10kW,循环不可逆损失i=i。+ic=10.49×10°kW。 10-8某抽汽回热循环采用间壁式回热器，见图10-3。该循环最高压力5MPa,锅炉输出 蒸汽温度为650℃，抽汽压力1MP,冷凝器工作温度45℃，送入锅炉的给水温度为200℃。 求：循环抽汽量和水泵A、B的耗功。 提示和答案：新蒸汽：h=3782.6kJ/kg、 S。=7.388kJ/kg·K),等熵膨胀，由s及抽汽压力1MPa,得 抽汽焓h=3213.0kJ/kg。抽汽在回热器内凝结为1MPa饱和 图10-3 液，h=762.8kJkg、4=0.0011mkg、1=179.9C。5℃， 冷凝水p=9.6kPa、h=188.4kJ/kg、y=0.0010m3kg。进入锅炉给水h,=853.8kJg。 "A=(P2-p)=4.99kJkg,WB=y,(P,-P)=4.4kJkg、取图示虚线为控制体积，列 能量方程解得，α= h-h-"4-"题=0.217， h-h 109设两个蒸汽再热动力装置循环，蒸汽的初参数都为p=12.0MPa,1=450°C,终 压都为p,=4kPa,第一个再热循环再热时压力为2.4MPa,另一个再热时的压力为0.5MPa, 两个循环再热后蒸汽的温度都为400℃（图10-4）。试确定这两 2 MPa 400C 450℃ 个再热循环的热效率和蒸汽膨胀终态的干度，将所得的热效率、 终态干度和朗肯循环作比较，说明再热压力的选择对循环热效 0.004MPa 率和终态干度的影响。 提示和答案：由P、t及再热压力P、,查得相关数据，注 图10-4 92
第十章 蒸汽动力装置循环 92 图 10-3 图 10-4 5 T T P q w m 1.105 10 kW ， 2 5 2 2 2 q q q q h h Q m m （ ） 1.667 10 kW ， 2 t 1 1 39.75% q q 。 以 水 和 水 蒸 气 为 系 统 ， 锅 炉 内 传 热 过 程 熵 流 1 f1 gas 2. kJ/(kg K) 471 q s T ， 熵 产 g1 41 f1 1 4 f1 s s s s s s ( ) 4.041 kJ/(kg K) ， 4 B 0 g1 I q T s m 9.38 10 kW 。冷凝器内传 热 过 程 2 f2 cool 6.990 6 kJ / (kg K) q s T ， g2 22 f2 s s s 0.478 6 kJ / (kg K) ， 4 C 0 g2 I q T s m 1.11 10 kW ，循环不可逆损失 4 I I I B C 10.49 10 kW 。 10-8 某抽汽回热循环采用间壁式回热器，见图 10-3。该循环最高压力 5 MPa，锅炉输出 蒸汽温度为 650℃，抽汽压力 1 MPa，冷凝器工作温度 45℃，送入锅炉的给水温度为 200 ℃。 求：循环抽汽量和水泵 A、B 的耗功。 提 示 和 答 案 ： 新 蒸 汽 ： 8 h 3 782.6 kJ/kg 、 8 s 7.388 kJ/(kg K) ，等熵膨胀，由 8 s 及抽汽压力 1 MPa，得 抽汽焓 3 h 3 213.0 kJ/kg 。抽汽在回热器内凝结为 1MPa 饱和 液， 4 h 762.8 kJ/kg、 3 4 v 0.001 1 m /kg、s t 179.9 C 。5℃， 冷凝水 1 p 9.6 kPa 、 1 h 188.4 kJ/kg、 3 1 v 0.001 0 m /kg 。进入锅炉给水 7 h 853.8 kJ/kg 。 p,A 1 2 1 w v p p ( ) 4.99 kJ/kg ， p,B 4 7 4 w v p p ( ) 4.4 kJ/kg 、取图示虚线为控制体积，列 能量方程解得， 7 1 p,A p,B 3 1 0.217 h h w w h h , 10-9 设两个蒸汽再热动力装置循环，蒸汽的初参数都为 1 p 12.0MPa ， 1 t 450 C ，终 压都为 2 p 4kPa ，第一个再热循环再热时压力为 2.4MPa ，另一个再热时的压力为 0.5MPa ， 两个循环再热后蒸汽的温度都为 400℃（图 10-4）。试确定这两 个再热循环的热效率和蒸汽膨胀终态的干度，将所得的热效率、 终态干度和朗肯循环作比较，说明再热压力的选择对循环热效 率和终态干度的影响。 提示和答案：由 1 p 、 1 t 及再热压力 b p ，查得相关数据，注
第十章蒸汽动力装置循环 意再热循环的加热量及功的计算。再热压力P,=24MPa时x=-=0.730, Γ- n=么-6)+他-么) =43.25%,=1-x2=1-0.82=0.18。再热压力p。=0.5MPa及朗 (h-)+(h。-h) 肯循环见下表。， 1/% y2 无再热（朗肯循环） 42.55 0.27 再热压力2.4MPa 43.25 0.18 再热压力0.5MPa 40.02 0.084 再热压力高，可提高循环效率，但提高干度的作用不显著，再热压较低，提高干度作用 较大，但可能引起循环热效率下降。 10-10具有两次抽汽加热给水的蒸汽动力装置回热循环。其循环示意图如图10-5所示。 已知：第一次抽气压力P。=0.3MP:,第二次抽汽压力 Po,=0.12MP,蒸汽初压B,=3.0MPa,初温t=450C。 冷凝器中压力p,=0.005MPa。试求：(1)抽汽量aa2: (2)循环热率n,:(3)耗汽率d:(4)平均吸热温度：(5) 与朗肯循环的热效率刀，、耗汽率d和平均吸热温度作比较、 图10-5 并说明耗汽率为什么反而增大？ 提示和答案：由已知压力、温度等查得相应数据，分析两个回热器与外界的质能交换情 况，列能量平衡方程式a(-)=(（1-a4-),a,=(仇.-)=(1-a-ah,-h), 求得a,= -K=0025、6--a收的=0159：4=A-K=27824Ug、 h-. h.- .=1-a-a,Xh-%)=1680.9kJkg,n=1-2=39.6%:d=1=908×107kgJ: 注意平均温度为积分平均7=是=5143K。对应的朗肯循环-么-么=370%， △s h-h d=,1=844×10'Jg,了=么-生=4854K。采用抽汽回热后，热效率较简单朗肯 h-h S-S2 循环有所提高，而耗汽率有所增大，这是因为抽汽使每千克新蒸汽作出的功减小，故d增大， 93
第十章 蒸汽动力装置循环 93 图 10-5 意 再 热 循 环 的 加 热 量 及 功 的 计 算 。 再 热 压 力 2.4MPa b p 时 0.730 c c c c c s s x s s ， 1 2 t 1 2 ( ) ( ) 43.25% ( ) ( ) b a a b h h h h h h h h ， 2 2 y x 1 1 0.82 0.18 。再热压力 0.5 MPa b p 及朗 肯循环见下表。， t /% 2 y 无再热（朗肯循环） 42.55 0.27 再热压力 2.4 MPa 43.25 0.18 再热压力 0.5 MPa 40.02 0.084 再热压力高，可提高循环效率，但提高干度的作用不显著，再热压较低，提高干度作用 较大，但可能引起循环热效率下降。 10-10 具有两次抽汽加热给水的蒸汽动力装置回热循环。其循环示意图如图 10-5 所示。 已知：第一次抽气压力 1 0 p 0.3MPa ，第二次抽汽压力 2 0 p 0.12MPa ，蒸汽初压 1 p 3.0MPa ，初温 1 t 450 C。 冷凝器中压力 2 p 0.005MPa 。试求：（1）抽汽量 1 2 、 ； （2）循环热率 t ；（3）耗汽率 d ；（4）平均吸热温度；（5） 与朗肯循环的热效率 t 、耗汽率 d 和平均吸热温度作比较、 并说明耗汽率为什么反而增大？ 提示和答案：由已知压力、温度等查得相应数据，分析两个回热器与外界的质能交换情 况，列能量平衡方程式 1 1 1 2 1 0 0 1 0 0 ( ) (1 )( ) h h h h ， 2 2 2 2 0 0 1 2 0 2 ( ) (1 )( ) h h h h ， 求得 1 2 2 0 0 1 01 0 0.052 5 h h h h 、 2 2 1 0 2 2 0 2 (1 )( ) 0.115 9 h h h h ； 1 1 1 0 q h h 2 782.4 kJ/kg 、 2 1 2 2 2 q h h (1 )( ) 1 680.9 kJ/kg ， 2 t 1 1 39.6% q q ； 7 net 1 d 9.08 10 kg/J w ； 注意平均温度为积分平均 1 1 514.3 K q T s 。对应的朗肯循环 1 2 t 1 2 37.0 % h h h h ， 7 1 2 1 d 8.44 10 J/kg h h ， 1 2 1 1 2 485.4 K h h T s s 。采用抽汽回热后，热效率较简单朗肯 循环有所提高，而耗汽率有所增大，这是因为抽汽使每千克新蒸汽作出的功减小，故 d 增大