第六章 热 力 循 环

第六章热力循环本章基本要求•熟练掌握水蒸气朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径;•掌握蒸气压缩制冷循环及其热力分析；•熟悉空气压缩制冷循环及其热力分析；•了解制冷剂的性质、其他相关制冷循环的原理及特点。本章重点1、熟悉朗肯循环图示与计算2、朗肯循环与卡诺循环3、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响4、再热、回热原理及计算动力循环——热能转换为机械能的循环，正向循环；广义热泵循环——消耗机械能把热量由低温物体传向高温物体的循环，逆向循环。A、制冷循环——维持低温热源的低温；B、热泵循环（供暖循环）——维持高温热源的高温。热力循环按工质种类分类：气体循环：工质只发生状态变化而不发生相变。蒸气循环：工质发生状态变化和相变。动力循环按燃料的燃烧方式分：内燃式循环：燃料在系统内部燃烧，燃气本身就是工质。外燃式循环：燃料在系统外部燃烧，热量间壁传给工质。6.1蒸气卡诺循环•卡诺循环是相同条件下效率最高的循环。•以气体做工质，定温吸热和定温放热两个过程难以实现；且每循环完成的功小。•蒸气为工质可以克服上述两个缺点，在湿蒸气区，工质的定压过程就是定温过程，可以实现卡诺循环，且每循环获得的功较多。•实际生产中不采用蒸气卡诺循环的原因：（1）绝热压缩过程难以实现；缺少压缩水气混合物的合适设备；（2）定熵膨胀末期，蒸汽湿度较大，对汽轮机工作不利；（3）蒸气比体积比水大千倍，压缩时设备庞大，耗功也大；（4）仅限于湿蒸气区，上限温度受制于临界温度，热效率不高，每循环完成的功也不大。6.2朗肯（Rankine）循环四个主要装置：锅炉汽轮机凝汽器给水泵水蒸气动力循环系统锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器一、工作原理水蒸气动力循环系统的简化锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器郎肯循环1234简化（理想化）：12汽轮机s膨胀23凝汽器p放热34给水泵s压缩41锅炉p吸热1342pv朗肯循环pv图12汽轮机s膨胀23凝汽器p放热34给水泵s压缩41锅炉p吸热4321Tshs1324朗肯循环Ts和hs图12汽轮机s膨胀23凝汽器p放热34给水泵s压缩41锅炉p吸热朗肯循环与水蒸气卡诺循环的区别•（1）乏汽的凝结是完全的；•（2）冷凝水由泵泵入锅炉，简化了设备，但增加了水的定压加热过程，降低了平均吸热温度，从而使热效率降低；•（3）增加了过热器，蒸气在过热器中的吸热过程也是定压过程，提高了平均吸热温度，从而提高了乏气的干度，提高了循环效率，也改善了汽轮机的工作条件。hs1324二、朗肯循环热效率汽轮机作功(定熵膨胀技术功)：12tTwhh凝汽器中的定压放热量：322hhq水泵绝热压缩耗功：43tpwhh锅炉中的定压吸热量：411hhq定压吸热过程吸入的热量114qhhhs1324朗肯循环热效率的计算43()tpwvpp43hh012t113whhqhh水的压缩过程可视为定容压缩过程水泵功与汽轮机功相比很小，可以忽略整个循环中工质完成的净功循环热效率01212tTtp任何循环的热效率可表示为：211tTT01236003600dwhh蒸气动力装置输出1KW.h(3600KJ)功量所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用符号d表示：在功率一定的条件下，汽耗率反应了循环中各设备尺寸的大小，所以汽耗率是动力装置的经济指标之一。sp1,t1,p2654321三、蒸气参数对循环热效率的影响1213thhhh影响热效率的参数？TsT6543211、蒸汽初压p1对热效率的影响t1,p2不变，p1优点：••，汽轮机出口尺寸小缺点：•对强度要求高•不利于汽轮机安全。一般要求出口干度大于0.85~0.88'4'5'6'1'22'x1Tt2'vsT6543212、蒸汽初温对热效率的影响优点：••，有利于汽机安全。缺点：•对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在550℃左右•汽机出口尺寸大p1,p2不变，t1'1'22'xt1T2'vsT6543213、乏汽压力对热效率的影响优点：•缺点：•受环境温度限制，现在大型机组p2为0.0035~0.005MPa，相应的饱和温度约为24~33℃，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高•P2降低，乏气干度下降，对汽轮机工作不利p1,t1不变，p22Tt'2'3'4四、实际循环以汽轮机内有摩擦损耗为例来进行分析蒸气经汽轮机绝热膨胀完成的实际功为：''12''22,tTtTtTwhhhhww汽轮机内气体实际完成的功与理论功之比称为汽轮机内部相对效率，简称汽轮机效率''1212tTitTwhhwhh其他过程的效率也可类似处理在设计计算时，若蒸气的消耗量为DKg/h，则理想循环的效率为120()3600DhhDNd实际循环的效率为'120()3600iiDhhNN若考虑摩擦损失，则汽轮机输出的有效功率为Ne：emiNN0eeNN机械效率相对有效效率B工质在锅炉中吸收的热量燃料放出的热量装置输出净功燃料放出热量锅炉效率动力装置效率例题6－16.3朗肯循环的改进为了克服朗肯循环的缺点，工程实际做了许多改进，如回热循环、再热循环等。一、回热循环利用汽轮机中的蒸汽预热锅炉给水，称为回热循环1－7－d－3－4－5－6－1称为回热循环(实际难以实现)。循环3－4－5－7－d－3称为概括性卡诺循环。循环5－7－2－e－5为卡诺循环。回热循环的热效率高于朗肯循环的热效率。12361kga45αkg(1-α)kg抽汽去凝汽器冷凝水表面式回热器抽汽冷凝水给水混合式回热器抽汽式回热蒸汽抽汽回热循环(1-)kgkg657s43211kgT12361kga45αkg(1-α)kgakg4(1-)kg51kg由于T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功抽汽回热循环的抽汽量计算(1-)kgkg657s43211kgT7kg4(1-)kg51kg以混合式回热器为例热一律75541()hhhh（）=忽略泵功5474hhhh''72'72hhhh抽汽回热循环热效率的计算(1-)kgkg657s43211kgT吸热量：放热量：115qhh'2,RG221qhh017721tpwhhhhw循环功：循环热效率：23t131711hhhhhh01twq为什么抽汽回热热效率提高？(1-)kgkg657s43211kgT23t131711hhhhhh推导得出23t131hhhh简单朗肯循环：1701hht,RGt物理意义：kg工质100%利用1-kg工质效率未变蒸汽抽汽回热循环的特点小型火力发电厂回热级数一般为1～3级，中大型火力发电厂一般为4～8级。•优点提高热效率减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面可兼作除氧器•缺点循环比功减小，汽耗率增加增加设备复杂性回热器投资缺点提高循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初压力降低乏汽压力改变循环形式回热循环再热循环改变循环形式热电联产燃气-蒸汽联合循环新型动力循环IGCCPFBC-CC…...二、蒸汽再热循环(reheat)Ts65431ba21234再热bacTs65431ba2蒸汽再热循环的热效率再热循环本身不一定提高循环热效率与再热压力有关x2降低,给提高初压创造了条件，选取再热压力合适，一般采用一次再热可使热效率提高2％～3.5％。c蒸汽再热循环的实践再热压力pb=pa0.2~0.3p1p110MPa，一般不采用再热我国常见机组，10、12.5、20、30万机组，p113.5MPa，一次再热超临界机组，t1600℃，p125MPa，二次再热Ts65431ba2蒸汽再热循环的定量计算吸热量：113abqhhhh放热量：223qhh净功（忽略泵功）：012bawhhhh热效率：012t113()()()()baabwhhhhqhhhhc蒸汽再热循环实体照片6.4热电联产(供)循环12'34给水泵热用户汽轮机过热器锅炉用发电厂作了功的蒸汽的余热来满足热用户的需要，这种作法称为热电联(产)供。背压式机组(背压0.1MPa)热用户为什么要用换热器而不直接用热力循环的水？背压式热电联产(供)循环12'34给水泵热用户汽轮机过热器锅炉背压式缺点：热电互相影响供热参数单一清华北门外2台背压式，5000kW电负荷抽汽调节式热电联产(供)循环过热器汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器加热器水泵1水泵2调节阀抽汽式热电联供循环,可以自动调节热、电供应比例，以满足不同用户的需要。热电联产(供)循环的经济性评价net1qwKq供热＋已被利用的能量工质从热源得到的能量nett1wq只采用热效率显然不够全面能量利用系数，但未考虑热和电的品位不同Ex经济学评价热电联产、集中供热是发展方向，经济环保6.5压缩空气制冷循环•制冷（热泵)循环输入功量（或其他代价），从低温热源取热•动力循环输入热,通过循环输出功•热泵循环输入功量（或其他代价），向高温热用户供热—正循环—逆循环—逆循环制冷循环和制冷系数CoefficientofPerformance20COPcqwT0环境卡诺逆循环222C01212qqTwqqTTq1q2wTsT2T11211TTT1不变,T2εCT2不变,T1εC热泵循环和供热系数CoefficientofPerformance1COPhqwT1房间卡诺逆循环111,1212hcqqTwqqTTq1q2wTsT2T02111TTT1不变,T2εh,cT2不变,T1εh,cT112qwq2,,1hcccqww制冷能力和冷吨生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量(kJ/s)。商业上常用冷吨来表示。1冷吨：1吨0°C饱和水在24小时内被冷到0°C的冰所需冷量。水的凝结（熔化）热r=334kJ/kg1冷吨=3.86kJ/s1美国冷吨=3.517kJ/s制冷循环种类空气压缩制冷压缩制冷蒸汽压缩制冷吸收式制冷制冷循环吸附式制冷蒸汽喷射制冷半导体制冷热声制冷√√√压缩空气制冷循环冷却水膨胀机压缩机冷藏室冷却器3214pv图和Ts图12绝热压缩23等压冷却34绝热膨胀41等压吸热pv3214TsT1T31234逆勃雷登循环ssppTs1234214141232321213434012231421402314()()()()()()()()ppcpepceppqhhcTTqhhcTTwhhcTTwhhcTT22012p14p23p142314COP()()()11qqwqqcTTcTTcTTTTTT1122111111kkkkTpTp制冷系数空气压缩制冷循环特点优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。缺点：1.无法实现T，C2.q2=cp(T1-T4)，空气cp很小，(T1-T4)不能太大，q2很小。若(T1-T4)3.活塞式流量m小，制冷量Q2=mq2小，使用叶轮式，再回热则可用。6.6蒸气压缩制冷循环水能用否？0°C以下凝固不能流动。一般用低沸点工质，如氟利昂、氨沸点：(1)sTpatm水100°CR22-40.8°CR134aTHR01-26.1°C-30.18°C21021cqTwTT蒸气逆向卡诺循环制冷系数工程实际难以实现逆向卡诺循环，原因有3，实际中进行了调整蒸汽压缩制冷循环工质在冷库中定温定压吸热气化为干饱和蒸气，然后进入压缩机被绝热压缩成过热蒸气，再经冷凝器在定压下放热冷凝为