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第七章循环 教学目标 使学生掌握分析动力循环的一般方法 了解活塞式内燃机实际循环的分析方法 了解燃气轮机循环的分析方法 蒸汽动力基本循环 朗肯循环 空气压缩制冷循环 蒸气压缩制冷循环 知识点 活塞式内燃机实际循环的简化 活塞式内燃机的理想循环 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 燃气轮机装置循环 燃气轮机装置的定压加热实际循环 空气和蒸汽压缩制冷循环的组成 制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径 重点 分析动力循环的一般方法 活塞式内燃机循环分析 燃气轮机装置循环的分析方法 提高燃气轮机 蒸汽轮机装置循环效率的方法和途径 难点 实际循环简化成理想循环的方法 提高内燃机和燃气轮机 蒸汽轮机装置循环效率的方法和途径 热力装置 动力装置 将热量通过能量的传递和转换 转变成人们所需要的功 制冷装置 将热量不断地从系统排向环境以使系统温度降到所要求的某一低于环境温度的水平 热泵装置 将热量不断地传给系统使系统温度提高到所要求的某一高于环境温度的水平 热力装置 7 1概说 一 分析循环的目的 在热力学基本定律的基础上分析循环过程中能量转换的经济性 寻求提高经济性的方向及途径 二 分析循环的方法与步骤 1 将实际循环抽象和简化为理想循环 任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的 且十分复杂 为了进行热力分析 需要建立实际循环相对应的热力学模型 即可理想的可逆循环代替实际不可逆循环 如将实际不可逆的燃烧过程简化为可逆的吸热过程 2 将简化好的理想可逆循环表示在p v T s图上 对理想循环进行分析计算 计算循环中有关状态点 如最高压力点 最高温度点 的参数 与外界交换的热量 功量以及循环热效率或工作系数 3 对理想循环进行分析计算 动力循环的热效率 4 定性分析各主要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 平均温度分析法 5 对理想循环的计算结果引入必要的修正 考虑实际存在的不可逆性对理想循环的结果进行修正 6 对实际循环进行热力学第二定律分析 熵分析火用分析 一 活塞式内燃机分类 按燃料 燃气机 汽油机和柴油机 按点火方式 点燃式和压燃式 按冲程 四冲程和二冲程 7 2活塞式内燃机循环 1 两冲程内燃机工作过程 进气 排气 2 四冲程内燃机工作过程 进气 排气 内燃机循环示功图 3 5MPa 600 800 5 9MPa 1700 1800 0 3 0 5MPa 500 实际开式循环抽象成闭式的以空气为工质的理想循环 燃料燃烧加热燃气的过程简化成工质从高温热源可逆定容及定压吸热过程 忽略实际过程的摩擦阻力及进 排气阀的节流损失 膨胀和压缩过程忽略热交换 简化为可逆绝热过程 二 活塞式内燃机实际循环的简化 三 活塞式内燃机混合加热理想循环 p v 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 p v T s s s v 萨巴德循环 3 5MPa 600 800 5 9MPa 1700 1800 0 3 0 5MPa 500 吸热量 放热量 循环热效率 循环净功 混合加热循环的计算 p v 1 2 3 4 5 T s v 而 将以上两式代入上面的等式关系式有 p v 1 2 3 4 5 T s v 或 定容升压比 压缩比 定压预胀比 p v 1 2 3 4 5 T s v 上式表明 混合加热循环的热效率 随压缩比 定容升压比 的增大而增大 随定压预胀比 的增大而减小 已得到 3 2 3 2 4 4 1 1 p v T s s s p v 早期柴油机 四 定压加热理想循环 Diesel循环 结论 压缩比 t 定压预胀比 t 3 2 3 2 4 4 1 1 p v T s s s v v 五 定容加热理想循环 Otto循环 早期活塞式汽油机 煤气机 3 2 4 1 T s v v 吸热量 放热量 循环热效率 循环净功 定容加热循环的计算 3 2 4 1 T s v v 因 即 有 则 令 称为压缩比 则 结论 3 2 4 1 T s v v 分析 若循环加热量不变 提高增压比 实际上提高了吸热平均温度 降低了放热的平均温度 所以循环的热效率提高了 汽油机增压比 的允许值7 12 柴油机允许值14 20 实际上压缩比过大 使压缩终了时的气体产生爆燃现象 影响发动机的正常工作 用提高压缩比来提高点燃式内燃机的热效率 实际上受到严格的限制 7 3活塞式内燃机理想循环的比较 一 压缩比及吸热量相同时 活塞式内燃机各种循环的比较 二 具有相同的最高压力和最高温度的比较 7 5燃气轮机装置循环 燃气轮机装置简介 Combustionchamber 燃气轮机装置示意图 Airin Compressor pump Exhaustgases Gasturbine Fuel 1 2 3 4 燃气轮机装置示意图 3 2 3 2 4 4 1 1 p v T s s s p p 一 燃气轮机装置的定压加热理想循环 布雷顿循环 循环图 一 燃气轮机装置定压加热理想循环 布雷顿循环 1 热效率 一 燃气轮机装置定压加热理想循环 布雷顿循环 定义 循环增压比 P2 P1循环增温比 T3 T1 结论 与 有关 与 无关 二 燃气轮机装置定压加热理想循环 布雷顿循环 最佳增压比 在循环增温比一定时 存在一最佳增压比 使得循环净功最大 二 燃气轮机装置定压加热理想循环 布雷顿循环 最佳增压比 由可得 二 燃气轮机装置的实际循环 燃气轮机相对内效率 压气机绝热效率 循环内部热效率 实际循环的热效率 二 燃气轮机装置的实际循环 1 循环增温比越大 热循环的热效率越高 2 存在最佳循环增压比 使循环热效率有一极大值 3 减小不可逆因素 内部热效率提高 结论 2019 12 28 36 简单蒸汽动力装置流程图 7 6基本蒸汽动力循环 朗肯循环 1 朗肯循环的组成定压吸热 定熵膨胀 定压放热 定熵压缩 朗肯循环在T S图和p v图中的表示 s T 1 2 3 4 p v 1 2 3 4 h s 朗肯循环在h s图上的表示 2 朗肯循环的热效率 s 2 3 4 工质在锅炉内吸入热量为 汽轮机中工质对外做功为 冷凝器中工质对外放热为 水泵中工质接受外功升压 外功为 则循环热效率为 实际汽轮机工作中 则 蒸汽动力循环有一个重要参数 汽耗率定义为 动力装置每输出1kW h 3600kJ 功量所耗费的蒸汽量 用符号d表示 550 500 400 350 0 48 0 44 0 40 0 36 s 3 2 5 4 1 1 T T1 T 036912151821 初压p1MPa 1 蒸汽初压的影响 3 蒸汽参数对热效率的影响 0300350400450500550 t 35 36 37 38 39 40 3 2 1 4 5 T1 T1 2 蒸汽初温的影响 s T 初温t 2468101214161820 0 40 0 41 0 42 0 43 0 44 0 45 0 46 0 47 0 48 p2kPa 1 4 5 3 2 s s1 s3 s3 T0 T1 T 3 乏汽参数的影响 t 蒸汽参数的影响归纳如下 1 提高蒸汽初参数p1 t1 可以提高循环热效率 蒸汽温度提高50 循环效率提高2个百分点 现代蒸汽动力循环朝着高参数方向发展 我国目前采用的亚临界机组参数见表11 1 低参数中参数高参数超高参数亚临界参数 初压 MPa 初温 发电功率 MW 1 33 59 013 516 5 340435535550 535550 535 1 5 36 2550 100125 200200 300 600 表7 1亚临界及以下参数的机组 汽轮机进口参数 表7 2超临界参数机组 锅炉出口参数 我国超临界机组的参数尚未形成标准系列 注 临界压力 22 12MPa 临界温度 374 15 第一台试验性超临界125MW机组 31MPa 621 566 538 1957年在美国投运 第二台超临界325MW机组 34 4MPa 649 566 566 1959年在美国投运 表7 3国外火电机组蒸汽参数的发展 表11 4部分超临界机组经济性举例 2 降低乏气压力可以提高循环热效率 乏气压力每降低2kPa 循环效率提高1个百分点 但乏气压力受环境温度限制 目前火力发电厂一般在0 004MPa 0 006MPa的乏气压力下运行 4有摩阻的实际循环 吸热量 放热量 汽轮机作功 水泵耗功 循环热效率 循环净功 2 3 4 s T 汽轮机的相对内效率 水泵的相对内效率 实际循环的计算 2 3 4 s T 已知 求 关键 得到 因 所以 1 4 2 3 T1 T2 1逆向卡诺循环 T s 7 7压缩空气制冷循环 R 制冷机 热环境 W0 耗功量 冷库 Q1 排热量 Q2 制冷量 制冷循环 从冷库取出热量并输送到环境中 使冷库温度始终低于环境温度 HP 暖房 热泵 冷环境 Q1 输热量 Q2 热泵供暖循环 从环境取出热量并输送到暖房 其效果就是维持暖房温度始终高于环境温度 W0 耗功量 1 4 2 3 T2 T s T0 制冷量q2 耗净功w0 制冷循环的计算内容 制冷量 循环放热量 循环耗净功 制冷系数 制冷系数 制冷量 循环耗净功 T1 T s T0 耗净功w0 吸热量q2 耗净功w0 热泵供暖循环的计算 供暖量w0 q2 供暖量 吸热量 循环耗净功 供暖系数 供暖系数 供暖量 循环耗净功 2压缩空气制冷循环 压气机 膨胀机 冷却器 冷藏室 COLDmediumatTL q1 q2 win wout 1 空气压缩制冷循环过程描述 4 1 2 3 1 2 3 4 T s T3 T1 空气压缩制冷循环的p v图和T s图 1 2 3 4 p v 2 空气压缩制冷循环计算 1 循环制冷量 制冷剂从低温热源吸收的热量 2 制冷剂放给高温热源的热量 3 制冷循环消耗的净功 4 制冷系数 3 压缩空气制冷循环分析 空气的定压比热小 活塞式压缩机和膨胀机工质流率小 缺点 制冷量小 4 4 4 1 2 2 2 3 3 3 T s T3 T1 T0 4 增压比对制冷系数的影响 相同大气温度和冷藏室温度范围内的卡诺逆循环的制冷系数为 与 比较 可知在相同温度范围内 卡诺逆循环的制冷系数最大 7 8压缩蒸汽制冷循环 1压缩蒸汽制冷循环 压缩蒸汽制冷循环T S图 6 压