第5章热力循环.ppt
1,第五章 热力循 环,5.1 分析循环的一般方法,5.2 活塞式内燃机循环,5.3 燃气轮机装置循环,5.4 基本蒸汽动力装置循环朗肯循环,5.5 制冷循环,5.6 提高能量利用经济性的热力学措施,2,5.1 分析循环的一般方法,5.1.1 分析循环的目的,在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。,5.1.2 分析循环的一般步骤,1. 实际循环（复杂不可逆）,抽象、简化,可逆理论循环,分析可逆循环,影响经济性的主要因素和可能改进途径,实际循环,指导改善,2. 分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际 损失的部位、大小、原因及改进办法,3,5.1.3 分析循环的方法,1. 第一定律分析法,以第一定律为基础，以能 量的数量守恒为立足点。,2. 第二定律分析法,综合第一定律和第二定律 从能量的数量和质量分析。,熵分析法,分析法,熵产,作功能力损失,损,效率,5.1.4 空气标准假设,气体动力循环中工作流体,理想气体,空气,定比热,燃烧和排气过程,吸热和放热过程,燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计,4,5.2 活塞式内燃机循环,5.2.1 活塞式内燃机实际循环的简化,1分类：,按燃料：煤气机、汽油机、柴油机,按冲程：二冲程、四冲程,按点火方式：点燃式、压燃式,开式循环； 燃烧、传热、排气、膨胀、 压缩均为不可逆； 各环节工质质量、成分稍有变化。,0,活塞式内燃机实际循环的简化,5,实际循环,6,01 吸气 12 压缩 23 喷油、燃烧 34 燃烧 45 膨胀作功 50 排气,简化：引用空气标准假设,燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热,排气5-1等容放热,压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程,吸、排气线重合、忽略,燃油质量忽略,燃气成分改变忽略,5.2.2 活塞式内燃机混合加热的理想循环,1. 混合加热理想循环,7,.,.,O,p,v,.,.,1,2,3,4,5,.,O,.,1,2,3,4,5,.,.,.,.,1. p-v图及T-s图,12 等熵压缩； 23 等容吸热； 34 定压吸热； 45 等熵膨胀； 51 定容放热,特性参数：,压缩比,定容增压比,定压预胀比,T,s,8,2.循环热效率,或,9,利用,表示,10,两式相除，考虑到,把T2、T3、T4和T5代入,求,11,3.讨论,归纳： a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重要措施，是卡诺循环，热力学第二定律对实际循环的指导。 b.利用T-s图分析循环较方便。 c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。,.,.,.,.,.,1,5,2,3,4,.,4,2,3,.,.,4”,.,.,3”,.,.,Tm1,Tm2不变,Tm1,Tm2不变,Tm1,Tm2不变,12,5.2.3 定压加热理想循环,13,讨论：,c) 重负荷（，q1 ）时 内部热效率下降，除 外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降,14,5.2.4 定容加热理想循环,15,16,讨论：,c ) 重负荷（q1 ）时内部热效率下降，因温度上升使 ，造成热效率下降,A470299,A447277,17,*5.2.5 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较,假设循环pmax、Tmax相同,或,18,5. 3 燃气轮机装置循环,5.3.1 燃气轮机装置简介,小型燃气轮机,燃气轮机,19,构成 压气机 燃烧室 燃气轮机,特点 1.开式循环，工质流动； 2.运转平稳，连续输出功； 3.启动快，达满负荷快； 4.压气机消耗了燃气轮机产生功率 的绝大部分，但功率重量比较大。,用途 飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组等。,20,5.3.2 燃气轮机装置定压加热理想循环,1-2 等熵压缩（压气机内）,2-3 定压吸热（燃烧室内）,3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）,4-1 定压放热（排气，假想换热器）,循环增压比,循环增温比,1. 循环构成,21,2. 循环热效率,注意：式中T1、T2并非指高温 热源，低温热源。,22,3. 分析,？,23,1-2 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀； 4-1 定压放热。,*5.3.3 燃气轮机装置定压加热的实际循环,24,1. 压气机绝热效率和燃气轮机相对内效率,25,2. 燃气轮机装置的内部热效率,整理,26,讨论：,增大是提高燃气轮机装置性能（wnet，i）的方向。,A474299,27,5.3.4 气体动力循环热效率分析归纳： 基础：,方法： 在T-s图上叠加、拆分等； 在T-s图上与同温限卡诺循环比较； 利用t= f (x, y, z ··· )的数学特性。,28,蒸汽及蒸汽动力装置 (1)蒸汽是历史上最早广泛使用的工质，19世纪后期 蒸汽动力装置的大量使用，促使生产力飞速发展， 促使资本主义诞生。 (2)目前世界约75%电力、国内78%电力来自火力电厂，绝 大部分来自蒸汽动力（常规的和核的）。 (3)蒸汽动力装置可利用各种燃料。 (4)蒸汽是无污染、价廉、易得的工质。,5.4 蒸汽动力装置基本循环朗肯循环,5.4.1 概述,29,1. 水蒸气的卡诺循环,水蒸气卡诺循环有可能实现，但： (1)温限小 (2)膨胀末端x太小 (3)压缩两相物质的困难,实际并不实行 卡诺循环,5.4.2 朗肯循环的热效率,30,2. 水蒸气朗肯循环,(2)p-v及T-s图,(1)流程图,.,.,.,.,1,2,3,4,5,6,.,.,p1,.,.,.,.,.,1,2,3,4,6,5,.,p1,31,?,?,(3)朗肯循环的热效率,32,(4)耗汽率及耗汽量 理想耗汽率d0装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量,耗汽量,工程上,若忽略水泵功，同时近似取h4h3，则,33,.,.,1T,2T,5.4.3 初参数对朗肯循环热效率的影响 1. 初温t1,或 循环1t2t3561t =循环1234561+循环11t2t21,34,2. 初压力 p1,但 x2下降且 p高造成强度问题,.,.,.,.,.,1p,2p,4p,T1,3. 背压 p2,.,.,.,2b,3b,4b,受制于环境温度，不能任意降低,同时，x2下降 。,讨论： 我国幅员辽阔，四季温差大， 对蒸汽发电机组有什么影响？,35,*5.4.4 有摩阻的实际朗肯循环 1. T-s图及h-s图,忽略水泵功：,36,2. 不可逆性衡量 (1)汽轮机内部相对效率T（简称汽机效率）,近代大功率汽轮机T 在0.92左右,设计中，选定T 按,（h1h2理想绝热焓降）,h2act的确定方法：,运行中，测出 p2 及 x2，按 hx= x2h+ (1-x2)h,37,(3)装置有效热效率e,Pe有效轴功率 m机械效率,3.实际内部耗汽率di和耗汽量Di,(2)装置内部热效率 忽略水泵功：,考虑机械损失,实际内部功率,A466155,A460299,38,5.5 制冷循环,制冷循环 热泵循环,逆向循环,5.5.1 逆向循环, 逆向循环的补偿条件,39, 经济性指标,深冷1,普冷1,冷吨 1 000 kg 0º C的饱和水在24 h内冷冻成0 ºC的冰所需的制冷量。 1冷吨=3.86kJ/s（美国1冷吨=3.517kJ/s ）,工程上也称制冷装置工作性能系数COP。,40,5.5.2 压缩气体制冷循环,1. 循环概述,41,2. 制冷系数,定比热,42,讨论： （1）,相同温度的T 0和TC,（2）,A361255,A4612671,43,5.5.3 压缩蒸气制冷循环,1. 设备流程及T-s图,44,2. 制冷系数,3. 状态参数确定,1) T-s图和logp-h图,2) 制冷工质饱和性质和过热性质表,A466166,幻灯片 46,45,46,5.5.4 制冷剂性质,1. 制冷剂热力性质 （1）对应制冷装置工作温度的饱和压力适中； （2）汽化潜热大； （3） 临界温度应高于环境温度； （4）蒸汽比体积小，导热系数大； （5）蒸发压力不低于环境压力，三相点低于制冷循环下 限温度。 （6） 上、下界限线（在T-s图）陡峭，使冷凝更接近定温 放热及减少节流引起制冷能力损失。,47,2. 制冷剂其他性质 （1）对环境友善； （2）安全无毒； （3）溶油性好，化学稳定性好，等等。,3.蒙特利尔协定书 CHCC HCHC R134a,48,*5.5.5 热泵循环,供热系数,工业锅炉生产蒸汽取暖：,电厂热效率：,热泵供暖系数：,华北某市热电厂排出水温30以上，余热量 ,如以热泵回收，能满足1.1千万m2建筑物采暖，一年节煤 110万t。,（1） '与TR-T0反比，所以北方'比较低。 （2）制冷，供暖联合运行工质性质要求苛刻。 （3）环境热源土壤，水，空气分别存在小、凝固、腐蚀等。,使用限制,电动热泵取暖：,49,5. 6 提高能量利用经济性的热力学措施,5.6.1 确定合理的参数,提高能量利用的经济性很重要的是确定恰当的参数。 以制冷循环为例，冷库温度过低，加大环境与冷库的温差， 同样的制冷量需供给的功越大。因此， 不应该在冷库中维持超过必要的低温。 同时应注意机组通风散热，避免局部 环境温度升高，加大和冷库的温差。,如压气机排气压力过高，则绝热效率下 降，不可逆损失随之增大，将消耗更多功。,50,？,内燃机中最早出现的煤气机在最初发明时无燃烧前的压缩，而现代柴油机的典型压缩比的值达到24左右。,5.6.2 改善循环，加大循环平均吸、放热温差,1. 活塞式内燃机循环,煤气机最初发明时示功图如图所示：6-1为进气线，活塞向 右移动，进气阀开启，空气与煤气混合物进入气缸。活塞到达 1时，进气阀关闭，火花塞点火。1-2为接近定容的燃烧过程， 2-3为膨胀线，3-4为排气阀开启，气缸中压力降低， 4-5-6为排 气线，这时活塞向左移动，排净废气。,吸热线和放热线之间垂直距离很短，即平均温差不大 ，效率不高,51,对于各种活塞式内燃机理想循环， 提高压缩比 使气体吸热温度提高， 气体的平均吸热温度随之提高，平均 放热温度不变时则据循环热效率提高。,.,.,.,.,.,1,5,2,3,4,.,4,2,3,.,.,4”,.,.,3”,.,.,2. 燃气轮机装置循环,（1）,压气机进口温度 决定于大气环境， 值增大，即意味气体吸热温 度 提高，排气温度不变的条件下，燃 气轮机装置循环的热效率增大。,52,燃气轮机装置的实际循环，循环 增温比 越大，意味循环温 差越大，循环热效率越高。,（2）,3.水蒸气动力装置循环,.,.,1T,2T,.,.,.,2b,3b,4b,（1）提高新蒸气温度,（2）降低蒸汽循环背压 （因饱和，即温度）,53,1. 回热、回热度和极限回热,2. 概括性卡诺循环及其热效率,5.6.3 回热,已利用的回热量,可供利用的回热量,54,斯特林循环正向循环可作热机循环；逆向循环可作热泵循环。 其结构型式可以有多种多样，循环原理基本相同。,以双缸活塞式热气发动机为例，简略介绍其构造和循环。,定温压缩过程，如图a,定容吸热过程，如图b,定温膨胀过程，如图c,定容放热过程，如图d,构造,工作过程,斯特林循环,（1） 原理,*3. 概括性卡诺循环斯特林循环,55,（2） 斯特林循环的热效率,热效率与同温限 卡诺循环相等,斯特林循环可以通过气缸外高温热源取得热量，可采用价廉易得的燃料，也可利用太阳能及核能作为热源，对缓解世界对优质能源需求、减少污染是一种很好的途径。,56,4. 燃气轮机装置的回热,极限回热,实际回热,A470389,57,5. 蒸汽循环的抽汽回热,（1）回热循环流程图,（2） 回热抽汽量,忽略泵功,能量方程：,58,（3） 循环热效率,或,讨论： a. 抽汽回热t 上升； b. 抽汽级数越多t 越高 ，若级数趋向无穷， t =1？,c. 回热器是间壁式，怎么求？,A460200,59,1. 热电合供,（1） 背压式设备流程及T-s图,（2） 抽汽凝汽式设备流程及T-s图,特点热负荷变 动对电能 生产影响 较小，热 效率较背 压机组高,特点 发电量受 热负荷制 约。,5.6.4 联合循环 及其他措施,60,（3） 热量利用系数,没有区分热能与电能的本质差别； t没考虑低温热能的可利用性.,燃气-蒸汽联合循环型式之一,燃气-蒸汽联合循环型式之二,2. 燃气-蒸汽联合循环,61,燃气-蒸汽联合循环型式之三,62,*3. 蒸汽动力装置的再热循环,设备流程及T-s图,再热循环的抽汽压力恰当，也可提高循环效率，但再热的根本 目的在于提高蒸汽膨胀末级的干度，不可本末倒置。,下一章,
