第10章热力装置及其循环

1第10章热力装置及其循环基本要求........................................................1基本要点........................................................2一、循环概述....................................................3二、机械喷油式柴油机的实际工作循环和理想循环....................4三、汽油机循环和定压加热柴油机循环..............................5四、活塞式内燃机三种理想循环的比较..............................6五、燃气轮机装置循环............................................7六、提高燃气轮机循环热效率的其它途径............................8七、朗肯循环及其热效率..........................................9八、蒸汽参数对循环热效率的影响.................................10九、再热循环...................................................11十、回热循环...................................................12十一、热电联产循环.............................................14十二、燃气－蒸汽联合循环.......................................14十三、制冷循环概述.............................................14十四、逆卡诺循环...............................................15十五、空气制冷循环.............................................15十六、蒸汽压缩式制冷循环.......................................17基本要求１．掌握各种装置循环的实施设备及工作流程。２．掌握将实际循环抽象和简化为理想循环的一般方法，并能分析各种循环的热力过程组成。３．掌握各种循环的吸热量、放热量、做功量及热效率等能量分析和计算的方法。４．会分析影响各种循环热效率的主要因素。５．掌握提高各种循环能量利用经济性的具体方法和途径。2基本要点１分析循环的一般方法（１）．将实际循环抽象和简化为理想循环。（２）．将简化好的理想可逆循环表示在p-v图和T-s图上。（３）．对理想循环进行分析和计算。（４）．定性分析各主演参数对理想循环的吸热量、放热量及净功量的影响，进而分析对循环热效率（或工作系数）的影响，提出提高循环热效率（或工作系数）的主要措施。（５）．对理想循环的计算结果引入必要的修正。（６）．对实际循环进行热力学第二定律分析。２活塞式内燃机循环（１）．实际工作循环的抽象和简化。（２）．柴油机混合加热理想循环和定压加热理想循环（狄塞尔循环）。（３）．汽油机定容加热理想循环（奥托循环）。（４）．活塞式内燃机各种理想循环的比较。３燃气轮机装置循环（１）．定压加热理想循环（布雷顿循环）。（２）．定压加热实际循环。（３）．提高燃气轮机装置循环热效率的其他途径。４．蒸汽动力循环（１）．朗肯循环（RankineCycle）（２）．提高蒸汽动力循环热效率的途径和方法１）提高蒸汽初压，初温，降低终参数２）再热循环３）回热循环４）高初参数与再热、回热的联合应用５）减少循环中的不可逆损失６）热电联产循环及其他措施５制冷循环3（１）．逆卡诺循环。（２）．空气压缩制冷循环。１）简单空气压缩制冷循环。２）回热式空气压缩制冷循环。（３）．蒸气压缩制冷循环。一、循环概述（一）、分类（二）、循环分析的目的与任务：1.典型热机和制冷机的工作过程；2.计算各点的状态参数，与外界交换的热量和功量以及循环的热效率；3.找出提高循环热效率的方法。（三）分析循环的方法1.热效率法：1：2两热源间工作的一切可逆热机:3任意的一个循环:4其中,为平均放热温度,为平均吸热温度.2.熵法:从能量的耗散入手,则有:二、机械喷油式柴油机的实际工作循环和理想循环一.实际工作循环01':吸入空气;1'2:压缩过程;23:喷油燃烧过程;34:喷油燃烧过程;45:膨胀过程;51'':排气过程;1''0:排出剩余的废气二混合气加热理想循环实际的柴油机经抽象后,如图示:其中,1-2是定熵压缩过程,2-3是可逆定容加热过程,3-4是可逆定压加热过程,4-5是定熵膨胀过程,5-1是可逆定容放热过程.混和加热的循环吸热量:5放热量:混合加热循环的热效率:几个定义：压缩比:定容升压比:定压预胀比:由上面的三个定义,得:讨论:随,,的升高而升高;随的升高而降低.三、汽油机循环和定压加热柴油机循环(一)汽油机的循环可简化为定容加热循环如图示:对该循环而言,预胀比,故:由上式可看出,当一定时,汽油机的热效率取决于压缩比,并随着压缩比的升高而升高.(二).定压加热柴油机循环如图示:6该循环相当于=1,故定压加热理想循环的热效率为:＝四、活塞式内燃机三种理想循环的比较(一)具有相同的压缩比从T-S图可知:由于三个循环的放热量相同,故热效率的高低次序为:其中,,分别为定容,混合及定压加热循环的热效率.(二)具有相同的最高压力和最高温度从图可以看出，三循环的放热量相同，吸热量有：所以,热效率的高低为:考虑到实际的情况,三循环的热效率高低为:7五、燃气轮机装置循环(一)燃气轮机装置燃气轮机的构成:压气机,燃烧室,燃气轮机,简单的装置如图示:对实际的装置进行简化后,其P-V图,T-S图如下:功率的分析压气机耗功:燃气轮机做功:净功:吸热量:放热量:热效率:式中,称为增压比.8讨论:对于给定的气体,一定时,热效率随增压比的升高而升高;当增压比时,热效率为零.(二)实际燃气轮机循环实际的燃气轮机循环存在不可逆因素,以压气机的绝热效率和相对内效率来修正.两个定义:绝热效率:相对内效率:实际循环的T-S图如图,1-2-3-4是实际的燃气轮机循环,是理想的可逆燃气轮机循环.六、提高燃气轮机循环热效率的其它途径(一)回热循环概念:利用温度较高的燃气轮机排气来加热压气机出口的气体,即可达到降低排气余热浪费和节约热能的目的.T-S图:1-2是可逆绝热压缩过程;2-X是在回热器中的可逆吸热过程;X-3是在燃烧室里的可逆定压加热过程;3-4是可逆膨胀过程;4-Y是回热器里的可逆放热过程,Y-1是向大气的可逆定压放热过程.回热度:实际回热量与理想回热量的比值,以表示,则有:提高实际燃气轮机热效率的途径:9比值升高;在比值升高的同时,增压比升高;进行回热循环;在回热的基础上,进行多级压缩,中间冷却;在回热的基础上,进行多级膨胀,中间再热.七、朗肯循环及其热效率(一)设备及流程锅炉蒸汽轮机冷凝器给水泵1-2是气轮机中的可逆绝热膨胀过程;2-3是冷凝器中的可逆定压冷凝过程;3-4是水泵中的定熵压缩过程;4-d-a-1是锅炉中的可逆定压加热,汽化,过热过程.(二)T-S图及热效率的分析1.T-S图:水在锅炉中吸收的热量:对外输出功:冷凝器中放出的热量:所耗的水泵功:循环输出的净功:循环的热效率:10若忽略水泵功,则有:2.耗气率:装置每输出1KWh功量所耗费的蒸汽量,计算式为:八、蒸汽参数对循环热效率的影响（一）.排气压力的影响由图可知：降低排气压力，循环的平均放热温度降低,又循环的平均吸热温度不变,故循环的热效率升高.（二）.蒸汽初温的影响由图可知,提高初温可提高循环的平均吸热温度,从而提高循环的热效率,且增大乏气的干度,改善蒸气机的性能。（三）.蒸汽初压的影响由图可知,提高蒸汽初压,可提高平均吸热温度,从而提高循环的热效率.11（四）.小结由以上可知,提高蒸汽初压,蒸汽初温,降低排气压力,均可提高循环的热效率.九、再热循环(一)再热的特点:过热蒸汽在汽轮机的高压段中膨胀到某一压力后,自汽轮机抽出进行再加热,然后引入汽轮机再次膨胀直至达到排气压力.(二)设备锅炉,再热器,汽轮机,水泵,冷凝器(三)T-S图及能量分析汽轮机做的功:水泵耗功:循环吸热量:放热量:循环净功:循环的热效率:采用再热循环的优点:蒸汽在汽轮机的低压段的干度提高到安全值的水平,为提高初压提供了可能性.12十、回热循环（一）.理想回热循环1.设备及流程（一）.理想回热循环如图示,1-5为工质在汽轮机中第一次绝热膨胀功;5-7为工质放热过程,加热回热套中的水;7-6为工质第二次在汽轮机里膨胀做功;6-3为冷凝器里的放热过程;3-4为水泵里的定熵压缩过程;4-4''-1为锅炉里的可逆定压加热,汽化,过热过程.2.热效率：13从上图可知,回热循环与朗肯循环相比,吸热过程为4''-1,吸热平均温度明显得到了提高,而放热平均温度未变,热效率得到了提高.（二）抽气回热循环.1.流程图简介:以1Kg的蒸汽为例,1处的蒸汽进入汽轮机膨胀到7时，kg的蒸汽被抽出引入到加热器中，未被抽出的()kg蒸汽继续膨胀到状态2，然后冷却，并由低压水泵输入到给水加热器，并与汽轮机抽出的蒸汽相混合，且蒸汽凝结时释放的热量恰使液态水达到饱和状态，最后经由高压泵输送到锅炉。（二）抽气回热循环.2.能量分析汽轮机的功：冷凝器中的放热量：给水加热器中：得：忽略泵功，则有：故吸热量：热效率：3.抽气回热的优缺点14优点：1)锅炉的负荷降低，受热面积减少；2)汽轮机高压段的流量增加；3)冷凝器的换热面积减少。缺点：投资加大十一、热电联产循环定义：蒸汽动力厂将排气用于其他低压蒸汽的场所，用以供暖，这样的循环既发电又供热，称之为热电联产循环。经济性指标：循环热效率热量利用系数：十二、燃气－蒸汽联合循环概念：将燃气轮机的排气作为蒸汽轮机循环的加热装置，以充分利用燃气轮机的排气余热，称之为燃气－蒸汽联合循环。十三、制冷循环概述制冷：为了获得并维持某一低温，必须设法不断的将热量自低温物体排到外界，这就是制冷。制冷装置：获得并保持低温的装置称之为制冷装置。制冷剂:用于制冷的工质。单位制冷量：1Kg工质从低温环境或冷库带走的热量。制冷量：容积制冷量：制冷系数：制冷温度:15十四、逆卡诺循环制冷系数：由上式看出：要设法提高制冷系数，必须设法使之差减小，即：使升高，使降低。十五、空气制冷循环分类：简单空气制冷循环回热式空气制冷循环（一）.简单空气制冷循环1.设备与流程主要的设备：压缩机、冷却器、膨胀机、冷库。温熵图：如图，为空气制冷循环的T-S图。2.能量的分析与计算：放给大气环境的热量：空气自冷库吸收的热量：16压缩机耗功：膨胀机做工：循环静功：制冷系数：又：，所以：所以：3.影响的因素及缺点：影响的因素：增压比越大，制冷系数越小；缺点：制冷量小。（二）.回热式空气压缩制冷循环1.设备与流程：压缩机、冷却器、回热器、膨胀机、冷库2.T-S图如图示，为空气制冷循环的温－熵图。173.回热的优点：在相同的、条件下，增压比变小，故可以采取叶轮机械式压缩机，制冷能力大大提高；增压比减小，压缩机的耗功降低；增压比减小，压气机、膨胀机的不可逆损失降低。4.能量的计算十六、蒸汽压缩式制冷循环（一）.设备与流程如图示，1－2为工质的定熵压缩过程；2－3为定压放热过程；3－4为等焓过程；4－1为定压定温吸热过程。（二）.能量分析工质吸收的热量：工质的放热量：压缩机的耗功量：18制冷系数：（三）.工质流量，制冷量与功率令气缸的容积为V,电动机的转速为n(r/s),则工质的质量流量为：式中为质量流量，为压缩机吸气状态的比体积。每秒钟产生的制冷量为：所需的电动机功率为：，式中为压缩1kg工质所耗的功量。（四）.对制冷剂的要求1.在所采用