第10章 热力装置及其循环.doc

第10章 热力装置及其循环
基本要求 1
基本要点 1
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 6
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 11
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 14
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。
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（Rankine Cycle）
（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;
2 3:喷油燃烧过程; 3 4:喷油燃烧过程;
4 5:膨胀过程; 5 1'' : 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。
（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。

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/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.在所采用的蒸发，冷凝温度下有合适的压力；
　　2.合适的临界温度；
　　3.工质的吸热能力大；
　　4.工质的三相点温度要低于制冷循环的下线温度；
　　5.蒸汽的比体积小，以减小压缩机尺寸；
　　6.传热性能好，以减少换热面积。
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