第十、十一章 热力循环与装置2009

第十章热力装置及其循环,南京航空航天大学能源系张净玉,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。（蒸汽动力循环和气体动力循环）,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。,热力装置种类,本章主要内容：,分析以气体为工质的内燃机循环、燃气轮机循环，以及以蒸气为工质的蒸汽动力循环的热力性能，揭示能量利用的完善程度与影响其性能的主要因素，给出评价和改进这些装置热力性能的方法与措施。,101循环分析的目的与一般方法,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。,分析循环的方法与步骤：,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,分析循环的方法与步骤：,将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上,分析循环的方法与步骤：,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。,动力循环的热效率：,分析循环的方法与步骤：,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。,探讨提高循环效率的途径,分析循环的方法与步骤：,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。,10-2活塞式内燃机循环,活塞式内燃机分类：,按燃料：煤气机、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,活塞式内燃机分类：,汽油机结构及工作原理示意,四冲程高速柴油机工作过程,1,2,3,01吸入空气,一般n=1.341.37,柴油自燃t=335,p0,2,0,12多变压缩,p2=35MPa,t2=600800,2喷入柴油,2开始燃烧,p59MPa,1,2,3,4,5,34边喷油，边膨胀,p,V,p0,1,2,0,t4可达17001800,4停止喷柴油,45多变膨胀,p5=0.30.5MPa,t5500,51开阀排气，降压,10活塞推排气,完成循环,四冲程高速柴油机工作过程,四冲程高速柴油机的理想化,1,2,3,4,5,1.工质定比热、理想气体、工质数量不变P-V图p-v图,p,V,p0,1,2,0,2.0-1和1-0抵消开口闭口循环,3.燃烧外界加热,4.排气向外界放热,5.多变绝热,6.不可逆可逆,7.开式循环闭口循环,理想混合加热循环（萨巴德循环）,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,p,v,分析循环吸热量，放热量，热效率和功量,实际工作循环的抽象与简化：,实际开式循环抽象成闭式的以空气为工质的理想循环；定容及定压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。,活塞式内燃机的理想循环（柴油机）,混合加热理想循环Sabathe循环,活塞式内燃机的理想循环,定压加热理想循环Diesel循环,活塞式内燃机的理想循环,定压加热理想循环（Diesel循环）,活塞式内燃机的理想循环,定压加热理想循环（Diesel循环）,定容加热理想循环Otto循环,活塞式内燃机的理想循环（汽油机）,定容加热理想循环（Otto循环）,活塞式内燃机的理想循环,混合加热理想循环,压缩比：=v1/v2定容增压比：=P3/p2定压预胀比：v4/v3,混合加热理想循环,反映气缸容积,反映供油规律,=v1/v2=P3/p2v4/v3,混合加热理想循环,推推看？,=v1/v2=P3/p2v4/v3,结论：,混合加热理想循环,定压加热理想循环,结论：,=v1/v2v4/v3,定容加热理想循环,结论：,=v1/v2,循环最高温度不变，,不变，不变q1wnet,定容加热理想循环,和相同,平均温度法,3m,4m,3p,4p,活塞式内燃机各种理想循环热力比较,活塞式内燃机各种理想循环热力比较,和相同,相等,2m,2p,活塞式内燃机各种理想循环热力比较,活塞式内燃机各种理想循环热力比较,和相同,3p,4m,2p,3m,4p,2m,？和相同，图示大小,活塞式内燃机各种理想循环热力比较,10-3燃气轮机装置循环,一、燃气轮机装置简介,用途：航空发动机尖峰电站移动电站大型轮船,一、燃气轮机装置简介,一、燃气轮机装置简介,一、燃气轮机装置简介,1,2,3,4,压气机,燃气轮机,燃烧室,1）工质：数量不变，定比热理想气体,2）闭口循环,3）可逆过程,二、燃气轮机装置定压加热理想循环布雷顿循环,循环图,循环图,热效率,热效率,定义：循环增压比P2/P1,结论：与有关,3.勃雷登循环净功的计算,1,2,3,4,循环增温比,1,2,3,4,3,4,当不变,不变,但T3受材料耐热限制,3.勃雷登循环净功的计算,当不变,太大,太小,存在最佳，使最大,3.勃雷登循环净功的计算,最佳增压比,由dwnet/d=0可得,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,1,2,3,4,压气机：不可逆绝热压缩,燃气轮机：不可逆绝热膨胀,2,4,三、燃气轮机装置的定压加热实际循环,三、燃气轮机装置的定压加热实际循环,燃气轮机相对内效率：,压气机绝热效率：,循环内部热效率：,三、燃气轮机装置的定压加热实际循环,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：,三、燃气轮机装置的定压加热实际循环,10-4蒸汽动力循环装置,动力机最早的工质为水蒸气以蒸汽为工质的动力循环在循环中存在相变,蒸汽及蒸汽动力装置(steampowerplant)：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75%电力，国内78%电力来自火电厂，绝大部分来自蒸汽动力。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。,蒸汽动力装置,蒸汽电厂示意图,一、朗肯循环（RankineCycle）,工质为水蒸气的卡诺循环（56785）,朗肯循环,一、朗肯循环（RankineCycle）,朗肯循环,水泵消耗功：,汽轮机对外作功：,循环热效率：,二、提高蒸汽动力循环热效率的途径与方法,提高蒸汽压p1，初温T1，降低终参数p2,提高蒸汽压p1,提高蒸汽初温T1,降低终参数p2,再热循环,再热循环,再热循环,再热循环分析,忽略水泵消耗功，循环作功：,循环热效率：,回热循环,高初参数与再热、回热的联合应用减少循环中的不可逆损失热电联产循环及其他措施,二、提高蒸汽动力循环热效率的途径与方法,燃