第10章 热力装置及其循环.docx

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第10章热力装置及其循环

第10章热力装置及其循环

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。

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

（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:

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:

　　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:

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:

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.

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:

　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:

　　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.

（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.

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：

　　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

　　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:

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：

　　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。

（2）.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。

3.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：

　　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/