熱力裝置及其循環(huán)

1、第10章 熱力裝置及其循環(huán)基本要求1基本要點1一、循環(huán)概述3二、機械噴油式柴油機的實際工作循環(huán)和理想循環(huán)4三、汽油機循環(huán)和定壓加熱柴油機循環(huán)5四、活塞式內燃機三種理想循環(huán)的比較6五、燃氣輪機裝置循環(huán)6六、提高燃氣輪機循環(huán)熱效率的其它途徑8七、朗肯循環(huán)及其熱效率9八、蒸汽參數(shù)對循環(huán)熱效率的影響10九、再熱循環(huán)11十、回熱循環(huán)11十一、熱電聯(lián)產循環(huán)14十二、燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)14十三、制冷循環(huán)概述14十四、逆卡諾循環(huán)14十五、空氣制冷循環(huán)15十六、蒸汽壓縮式制冷循環(huán)17基本要求掌握各種裝置循環(huán)的實施設備及工作流程。掌握將實際循環(huán)抽象和簡化為理想循環(huán)的一般方法，并能分析各種循環(huán)的熱力過程組成。掌握各種

2、循環(huán)的吸熱量、放熱量、做功量及熱效率等能量分析和計算的方法。會分析影響各種循環(huán)熱效率的主要因素。掌握提高各種循環(huán)能量利用經濟性的具體方法和途徑?；疽c分析循環(huán)的一般方法（） 將實際循環(huán)抽象和簡化為理想循環(huán)。（） 將簡化好的理想可逆循環(huán)表示在p-v圖和T-s圖上。（） 對理想循環(huán)進行分析和計算。（） 定性分析各主演參數(shù)對理想循環(huán)的吸熱量、放熱量及凈功量的影響，進而分析對循環(huán)熱效率（或工作系數(shù)）的影響，提出提高循環(huán)熱效率（或工作系數(shù)）的主要措施。（） 對理想循環(huán)的計算結果引入必要的修正。（） 對實際循環(huán)進行熱力學第二定律分析。活塞式內燃機循環(huán)（） 實際工作循環(huán)的抽象和簡化。（） 柴油機混合加熱理

3、想循環(huán)和定壓加熱理想循環(huán)（狄塞爾循環(huán)）。（） 汽油機定容加熱理想循環(huán)（奧托循環(huán)）。（） 活塞式內燃機各種理想循環(huán)的比較。燃氣輪機裝置循環(huán)（） 定壓加熱理想循環(huán)（布雷頓循環(huán)）。（） 定壓加熱實際循環(huán)。（） 提高燃氣輪機裝置循環(huán)熱效率的其他途徑。蒸汽動力循環(huán)（） 朗肯循環(huán)（Rankine Cycle）（） 提高蒸汽動力循環(huán)熱效率的途徑和方法） 提高蒸汽初壓，初溫，降低終參數(shù)） 再熱循環(huán)） 回熱循環(huán)） 高初參數(shù)與再熱、回熱的聯(lián)合應用） 減少循環(huán)中的不可逆損失） 熱電聯(lián)產循環(huán)及其他措施制冷循環(huán)（） 逆卡諾循環(huán)。（） 空氣壓縮制冷循環(huán)。） 簡單空氣壓縮制冷循環(huán)。） 回熱式空氣壓縮制冷循環(huán)。（） 蒸氣壓縮

4、制冷循環(huán)。一、循環(huán)概述（一）、分類（二）、循環(huán)分析的目的與任務： 1.典型熱機和制冷機的工作過程；2.計算各點的狀態(tài)參數(shù)，與外界交換的熱量和功量以及循環(huán)的熱效率；3.找出提高循環(huán)熱效率的方法。（三）分析循環(huán)的方法 1.熱效率法： 兩熱源間工作的一切可逆熱機: 任意的一個循環(huán):其中, 為平均放熱溫度, 為平均吸熱溫度. 2.熵法:從能量的耗散入手,則有:二、機械噴油式柴油機的實際工作循環(huán)和理想循環(huán) 一.實際工作循環(huán) 01 :吸入空氣; 1 2:壓縮過程;2 3:噴油燃燒過程; 3 4:噴油燃燒過程;4 5:膨脹過程; 5 1 : 排氣過程; 10:排出剩余的廢氣二混合氣加熱理想循環(huán)實際的柴油機經

5、抽象后,如圖示:其中,1-2是定熵壓縮過程,2-3是可逆定容加熱過程,3-4是可逆定壓加熱過程,4-5是定熵膨脹過程,5-1是可逆定容放熱過程.混和加熱的循環(huán)吸熱量:放熱量:混合加熱循環(huán)的熱效率:幾個定義：壓縮比: 定容升壓比:定壓預脹比: 由上面的三個定義,得:討論:隨,的升高而升高;隨的升高而降低.三、汽油機循環(huán)和定壓加熱柴油機循環(huán)(一)汽油機的循環(huán)可簡化為定容加熱循環(huán)如圖示:對該循環(huán)而言,預脹比 ,故:由上式可看出,當 一定時,汽油機的熱效率取決于壓縮比,并隨著壓縮比的升高而升高.(二).定壓加熱柴油機循環(huán)如圖示:該循環(huán)相當于=1,故定壓加熱理想循環(huán)的熱效率為:四、活塞式內燃機三種理想循

6、環(huán)的比較(一)具有相同的壓縮比從T-S圖可知:由于三個循環(huán)的放熱量相同,故熱效率的高低次序為: 其中,分別為定容,混合及定壓加熱循環(huán)的熱效率.(二)具有相同的最高壓力和最高溫度從圖可以看出，三循環(huán)的放熱量相同，吸熱量有：所以,熱效率的高低為: 考慮到實際的情況,三循環(huán)的熱效率高低為: 五、燃氣輪機裝置循環(huán)(一)燃氣輪機裝置 燃氣輪機的構成:壓氣機,燃燒室,燃氣輪機,簡單的裝置如圖示:對實際的裝置進行簡化后,其P-V圖,T-S圖如下:功率的分析壓氣機耗功:燃氣輪機做功:凈功: 吸熱量: 放熱量:熱效率:式中 ,稱為增壓比.討論:對于給定的氣體,一定時,熱效率隨增壓比的升高而升高;當增壓比 時,熱

7、效率為零.(二)實際燃氣輪機循環(huán)實際的燃氣輪機循環(huán)存在不可逆因素,以壓氣機的絕熱效率 和相對內效率 來修正.兩個定義:絕熱效率: 相對內效率:實際循環(huán)的T-S圖如圖, 1-2-3-4是實際的燃氣輪機循環(huán), 是理想的可逆燃氣輪機循環(huán).六、提高燃氣輪機循環(huán)熱效率的其它途徑(一)回熱循環(huán)概念:利用溫度較高的燃氣輪機排氣來加熱壓氣機出口的氣體,即可達到降低排氣余熱浪費和節(jié)約熱能的目的.T-S圖:1-2是可逆絕熱壓縮過程; 2-X是在回熱器中的可逆吸熱過程;X-3是在燃燒室里的可逆定壓加熱過程;3-4是可逆膨脹過程;4-Y是回熱器里的可逆放熱過程,Y-1是向大氣的可逆定壓放熱過程.回熱度:實際回熱量與理

8、想回熱量的比值,以表示, 則有: 提高實際燃氣輪機熱效率的途徑:比值 升高;在比值 升高的同時,增壓比升高;進行回熱循環(huán);在回熱的基礎上,進行多級壓縮,中間冷卻;在回熱的基礎上,進行多級膨脹 ,中間再熱.七、朗肯循環(huán)及其熱效率(一)設備及流程 鍋爐 蒸汽輪機 冷凝器 給水泵 1-2是氣輪機中的可逆絕熱膨脹過程;2-3是冷凝器中的可逆定壓冷凝過程;3-4是水泵中的定熵壓縮過程;4-d-a-1是鍋爐中的可逆定壓加熱,汽化,過熱過程.(二)T-S圖及熱效率的分析1.T-S圖:水在鍋爐中吸收的熱量:對外輸出功: 冷凝器中放出的熱量:所耗的水泵功:循環(huán)輸出的凈功: 循環(huán)的熱效率: 若忽略水泵功,則有:

9、2.耗氣率:裝置每輸出1KWh功量所耗費的蒸汽量,計算式為:八、蒸汽參數(shù)對循環(huán)熱效率的影響（一）.排氣壓力的影響 由圖可知：降低排氣壓力，循環(huán)的平均放熱溫度降低,又循環(huán)的平均吸熱溫度不變,故循環(huán)的熱效率升高. （二）.蒸汽初溫的影響 由圖可知,提高初溫可提高循環(huán)的平均吸熱溫度,從而提高循環(huán)的熱效率,且增大乏氣的干度,改善蒸氣機的性能。（三）.蒸汽初壓的影響由圖可知,提高蒸汽初壓,可提高平均吸熱溫度,從而提高循環(huán)的熱效率.（四）.小結由以上可知,提高蒸汽初壓,蒸汽初溫,降低排氣壓力,均可提高循環(huán)的熱效率.九、再熱循環(huán)(一)再熱的特點:過熱蒸汽在汽輪機的高壓段中膨脹到某一壓力后,自汽輪機抽出進行再

10、加熱,然后引入汽輪機再次膨脹直至達到排氣壓力.(二)設備鍋爐,再熱器,汽輪機,水泵,冷凝器( 三)T-S圖及能量分析汽輪機做的功:水泵耗功:循環(huán)吸熱量:放熱量: 循環(huán)凈功:循環(huán)的熱效率: 采用再熱循環(huán)的優(yōu)點:蒸汽在汽輪機的低壓段的干度提高到安全值的水平,為提高初壓提供了可能性.十、回熱循環(huán)（一）.理想回熱循環(huán)1.設備及流程 （一）.理想回熱循環(huán)如圖示,1-5為工質在汽輪機中第一次絕熱膨脹功;5-7為工質放熱過程,加熱回熱套中的水;7-6為工質第二次在汽輪機里膨脹做功;6-3為冷凝器里的放熱過程;3-4為水泵里的定熵壓縮過程;4-4-1為鍋爐里的可逆定壓加熱,汽化,過熱過程. 2.熱效率：從上圖

11、可知,回熱循環(huán)與朗肯循環(huán)相比,吸熱過程為4-1,吸熱平均溫度明顯得到了提高,而放熱平均溫度未變,熱效率得到了提高.（二）抽氣回熱循環(huán).1.流程圖 簡介:以1Kg的蒸汽為例,1處的蒸汽進入汽輪機膨脹到7時，kg的蒸汽被抽出引入到加熱器中，未被抽出的()kg蒸汽繼續(xù)膨脹到狀態(tài)2，然后冷卻，并由低壓水泵輸入到給水加熱器，并與汽輪機抽出的蒸汽相混合，且蒸汽凝結時釋放的熱量恰使液態(tài)水達到飽和狀態(tài)，最后經由高壓泵輸送到鍋爐。（二）抽氣回熱循環(huán).2.能量分析汽輪機的功：冷凝器中的放熱量： 給水加熱器中：得：忽略泵功，則有：故 吸熱量： 熱效率： 3.抽氣回熱的優(yōu)缺點優(yōu)點：1)鍋爐的負荷降低，受熱面積減少；2

12、)汽輪機高壓段的流量增加；3)冷凝器的換熱面積減少。缺點：投資加大十一、熱電聯(lián)產循環(huán) 定義：蒸汽動力廠將排氣用于其他低壓蒸汽的場所，用以供暖，這樣的循環(huán)既發(fā)電又供熱，稱之為熱電聯(lián)產循環(huán)。經濟性指標：循環(huán)熱效率熱量利用系數(shù)： 十二、燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán) 概念：將燃氣輪機的排氣作為蒸汽輪機循環(huán)的加熱裝置，以充分利用燃氣輪機的排氣余熱，稱之為燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)。十三、制冷循環(huán)概述制冷：為了獲得并維持某一低溫，必須設法不斷的將熱量自低溫物體排到外界，這就是制冷。制冷裝置：獲得并保持低溫的裝置稱之為制冷裝置。制冷劑:用于制冷的工質。單位制冷量：1Kg工質從低溫環(huán)境或冷庫帶走的熱量。制冷量： 容積制冷量：制冷系

13、數(shù)： 制冷溫度:十四、逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)： 由上式看出：要設法提高制冷系數(shù) ，必須設法使 之差減小，即：使升高，使降低。十五、空氣制冷循環(huán)分類：簡單空氣制冷循環(huán)回熱式空氣制冷循環(huán)（一）.簡單空氣制冷循環(huán)1.設備與流程 主要的設備：壓縮機、冷卻器、膨脹機、冷庫。溫熵圖：如圖，為空氣制冷循環(huán)的T-S圖。2. 能量的分析與計算：放給大氣環(huán)境的熱量： 空氣自冷庫吸收的熱量： 壓縮機耗功：膨脹機做工：循環(huán)靜功：制冷系數(shù)： 又：，所以：所以：3.影響的因素及缺點：影響的因素：增壓比越大，制冷系數(shù)越?。蝗秉c：制冷量小。（2） .回熱式空氣壓縮制冷循環(huán) 1.設備與流程：壓縮機、冷卻器、回熱器、膨脹機、冷庫2.T-S圖如圖示，為空氣制冷循環(huán)的溫熵圖。3.回熱的優(yōu)點：在相同的 、條件下，增壓比變小，故可以采取葉輪機械式壓縮機，制冷能力大大提高；增壓比減小，壓縮機的耗功降低；增壓比減小，壓氣機、膨脹機的不可逆損失降低。 4.能量的計算十六、蒸汽壓縮式制冷循環(huán)（一）.設備與流程如圖示，12為工質的定熵壓縮過程；23為定壓放熱過程；34為等焓過程；41為定壓定溫吸熱過程。（二）.能量分析工質吸收的熱量：工質的放熱量： 壓縮機的耗功量： 制冷系數(shù)：（三）.工質