第六章热力循环

1、第六章 热 力 循 环,本章基本要求,熟练掌握水蒸气朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成、热效率计算及提高热效率的方法和途径; 掌握蒸气压缩制冷循环及其热力分析； 熟悉空气压缩制冷循环及其热力分析； 了解制冷剂的性质、其他相关制冷循环的原理及特点。,本 章 重 点,1、熟悉朗肯循环图示与计算 2、朗肯循环与卡诺循环 3、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 4、再热、回热原理及计算,动力循环热能转换为机械能的循环，正向循环； 广义热泵循环消耗机械能把热量由低温物体传向高温物体的循环，逆向循环。 A、制冷循环维持低温热源的低温； B、热泵循环（供暖循环）维持高温热源的高温。 热力循环按工质种

2、类分类： 气体循环：工质只发生状态变化而不发生相变。 蒸气循环：工质发生状态变化和相变。 动力循环按燃料的燃烧方式分： 内燃式循环：燃料在系统内部燃烧，燃气本身就是工质。 外燃式循环：燃料在系统外部燃烧，热量间壁传给工质。,6.1 蒸气卡诺循环,卡诺循环是相同条件下效率最高的循环。 以气体做工质，定温吸热和定温放热两个过程难以实现；且每循环完成的功小。 蒸气为工质可以克服上述两个缺点，在湿蒸气区，工质的定压过程就是定温过程，可以实现卡诺循环，且每循环获得的功较多。 实际生产中不采用蒸气卡诺循环的原因： （1）绝热压缩过程难以实现；缺少压缩水气混合物的合适设备； （2）定熵膨胀末期，蒸汽湿度较大

3、，对汽轮机工作不利； （3）蒸气比体积比水大千倍，压缩时设备庞大，耗功也大； （4）仅限于湿蒸气区，上限温度受制于临界温度，热效率不高，每循环完成的功也不大。,6.2 朗肯（Rankine）循环,四个主要装置： 锅炉 汽轮机 凝汽器 给水泵,水蒸气动力循环系统,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,一、工作原理,水蒸气动力循环系统的简化,锅 炉,汽轮机,发电机,给水泵,凝汽器,1,2,3,4,简化（理想化）：,1,3,4,2,p,v,朗肯循环pv图,4,3,2,1,T,s,h,s,1,3,2,4,朗肯循环Ts和hs图,朗肯循环与水蒸气卡诺循环的区别,（1）乏汽的凝结是完全的； （2）冷凝水由

4、泵泵入锅炉，简化了设备，但增加了水的定压加热过程，降低了平均吸热温度，从而使热效率降低； （3）增加了过热器，蒸气在过热器中的吸热过程也是定压过程，提高了平均吸热温度，从而提高了乏气的干度，提高了循环效率，也改善了汽轮机的工作条件。,h,s,1,3,2,4,二、朗肯循环热效率,汽轮机作功(定熵膨胀技术功)：,凝汽器中的定压放热量：,水泵绝热压缩耗功：,锅炉中的定压吸热量：,定压吸热过程吸入的热量,h,s,1,3,2,4,朗肯循环热效率的计算,水的压缩过程可视为定容压缩过程,水泵功与汽轮机功相比很小，可以忽略,整个循环中工质完成的净功,循环热效率,任何循环的热效率可表示为：,蒸气动力装置输出1K

5、W.h(3600KJ)功量所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用符号d表示：,在功率一定的条件下，汽耗率反应了循环中各设备尺寸的大小，所以汽耗率是动力装置的经济指标之一。,s,p1, t1, p2,6,5,4,3,2,1,三、蒸气参数对循环热效率的影响,影响热效率的参数？,T,s,T,6,5,4,3,2,1,1、蒸汽初压p1对热效率的影响,优点： ，汽轮机出口尺寸小,缺点： 对强度要求高 不利于汽轮机安全。一般要求出口干度大于0.85 0.88,s,T,6,5,4,3,2,1,2、蒸汽初温对热效率的影响,优点： ，有利于汽机安全。,缺点： 对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在550左右 汽机出口尺寸大

6、,s,T,6,5,4,3,2,1,3、乏汽压力对热效率的影响,优点：,缺点： 受环境温度限制，现在大型机组p2为0.00350.005MPa，相应的饱和温度约为24 33 ，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高 P2降低，乏气干度下降，对汽轮机工作不利,四、实际循环,以汽轮机内有摩擦损耗为例来进行分析 蒸气经汽轮机绝热膨胀完成的实际功为：,汽轮机内气体实际完成的功与理论功之比称为汽轮机内部相对效率，简称汽轮机效率,其他过程的效率也可类似处理,在设计计算时，若蒸气的消耗量为DKg/h，则理想循环的效率为,实际循环的效率为,若考虑摩擦损失，则汽轮机输出的有效功率为Ne：,机械效率,相对有效

7、效率,锅炉效率,动力装置效率,例题61,6.3 朗肯循环的改进,为了克服朗肯循环的缺点，工程实际做了许多改进，如回热循环、再热循环等。,一、回热循环,利用汽轮机中的蒸汽预热锅炉给水，称为回热,循环17d34561称为回热循环(实际难以实现)。 循环3457d3称为概括性卡诺循环。 循环572e5为卡诺循环。 回热循环的热效率高于朗肯循环的热效率。,抽汽,去凝汽器,冷凝水,表面式回热器,抽汽式回热,蒸汽抽汽回热循环,(1- )kg, kg,6,5,7,s,4,3,2,1,1kg,T,a, kg,4,(1- )kg,5,1kg,由于T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功,抽汽回热循环的抽汽

8、量计算,(1- )kg, kg,6,5,7,s,4,3,2,1,1kg,T,7, kg,4,(1- )kg,5,1kg,以混合式回热器为例,热一律,忽略泵功,抽汽回热循环热效率的计算,(1- )kg, kg,6,5,7,s,4,3,2,1,1kg,T,吸热量：,放热量：,循环功：,循环热效率：,为什么抽汽回热热效率提高？,(1- )kg, kg,6,5,7,s,4,3,2,1,1kg,T,推导得出,简单朗肯循环：,物理意义： kg工质100%利用 1- kg工质效率未变,蒸汽抽汽回热循环的特点,小型火力发电厂回热级数一般为13级，中大型火力发电厂一般为 48级。,优点 提高热效率 减小汽轮机低

9、压缸尺寸，末级叶片变短 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面 可兼作除氧器,缺点 循环比功减小，汽耗率增加 增加设备复杂性 回热器投资,缺点,提高循环热效率的途径,改变循环参数,提高初温度,提高初压力,降低乏汽压力,改变循环形式,回热循环,再热循环,改变循环形式,热电联产,燃气-蒸汽联合循环,新型动力循环,IGCC,PFBC-CC,.,二、 蒸汽再热循环(reheat),T,s,6,5,4,3,1,b,c,T,s,6,5,4,3,1,b,蒸汽再热循环的热效率, 再热循环本身不一定提高循环热效率, 与再热压力有关,x2降低,给提高初压创造了条件，选取再热压力合适，一般采用一次再热可使热效率提高 23.

10、5。,c,蒸汽再热循环的实践, 再热压力 pb=pa0.20.3p1, p110MPa，一般不采用再热, 我国常见机组，10、12.5、20、30万机组，p113.5MPa，一次再热, 超临界机组， t1600，p125MPa，二次再热,T,s,6,5,4,3,1,b,蒸汽再热循环的定量计算,吸热量：,放热量：,净功（忽略泵功）：,热效率：,c,蒸汽再热循环实体照片,6.4 热电联产(供)循环,用发电厂作了功的蒸汽的余热来满足热用户的需要，这种作法称为热电联(产)供。,背压式机组(背压0.1MPa),热用户为什么要用换热器而不直接用热力循环的水？,背压式热电联产(供)循环,背压式缺点： 热电互

11、相影响 供热参数单一,清华北门外2台背压式， 5000kW电负荷,抽汽调节式热电联产(供)循环,抽汽式热电联供循环, 可以自动调节热、电供应比例，以满足不同用户的需要。,热电联产(供)循环的经济性评价, 只采用热效率 显然不够全面, 能量利用系数,，但未考虑热和电的品位不同, Ex经济学评价, 热电联产、集中供热是发展方向，经济环保,6.5压缩空气制冷循环, 制冷（热泵)循环 输入功量（或其他代价），从低温 热源取热, 动力循环 输入热,通过循环输出功, 热泵循环 输入功量（或其他代价），向高温热用户供热,正循环,逆循环,逆循环,制冷循环和制冷系数,Coefficient of Perform

12、ance,T0环境,T2冷库,卡诺逆循环,q1,q2,w,T2,T1,热泵循环和供热系数,Coefficient of Performance,T1房间,T0环境,卡诺逆循环,q1,q2,w,T2,T0,制冷能力和冷吨,生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小,制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取 走的热量(kJ/s)。,商业上常用冷吨来表示。,1冷吨：1吨0C饱和水在24小时内被冷 到0C的冰所需冷量。,水的凝结（熔化）热 r =334 kJ/kg,1冷吨=3.86 kJ/s,1美国冷吨=3.517 kJ/s,制冷循环种类,压缩空气制冷循环,冷却水,膨胀机,压缩机,冷藏室,冷却器,3,2,1,

13、4,空气压缩制冷循环过程,四个主要部件；工质：空气,理想化处理：理气； 定化热; 可逆；,pv图和Ts图,1 2 绝热压缩,2 3 等压冷却,3 4 绝热膨胀,4 1 等压吸热,p,v,3,2,1,4,T,s,T1,T3,1,2,3,4,逆勃雷登循环,s,s,p,p,T,s,1,2,3,4,制冷系数,空气压缩制冷循环特点, 优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。,2. q2=cp(T1-T4)，空气cp很小， (T1-T4)不能太大， q2 很小。,3. 活塞式流量m小，制冷量Q2=m q2小，, 使用叶轮式，再回热则可用。,pv图和Ts图,p,v,3,2,1,4,T,s,T2,T0,1,2,3,4

14、,6.6 蒸气压缩制冷循环,水能用否？ 0C以下凝固不能流动。 一般用低沸点工质，如氟利昂、氨,沸点：,水,100C,R22,- 40.8C,R134a,THR01,- 26.1C,- 30.18C,蒸气逆向卡诺循环制冷系数,工程实际难以实现逆向卡诺循环，原因有3，实际中进行了调整,蒸汽压缩制冷循环,工质在冷库中定温定压吸热气化为干饱和蒸气，然后进入压缩机被绝热压缩成过热蒸气，再经冷凝器在定压下放热冷凝为饱和液体，最后经节流阀绝热节流降压降温成为湿蒸气。,蒸气压缩制冷循环的计算,T,s,1,2,3,4,5,蒸发器中吸热量,冷凝器中放热量,制冷系数,两个等压，热与功均与焓有关,压缩机耗功,lnp

15、-h图及计算,T,s,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,过冷措施,T,s,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,5,4,不变,4,5,工程上常用,回热制冷循环的优点： 制冷量增加； 制冷系数提高； 可防止液击现象。,回热循环应满足的条件：,lnp-h图及计算,所需制冷剂质量流量,压缩机吸入状态下的质量流量,压缩机的定熵功率,绝热压缩效率,压缩机功耗,循环制冷系数,制冷机的制冷能力随工作条件不同而变化。,6.7制冷剂 (一）对制冷剂的要求 1.热力学性质 制冷剂的临界温度要高，远远高于环境温度； 凝固温度要低，低于环境温度； 制冷剂单位容积制冷能力要大，气化潜热要大； 蒸发压力和冷凝压力

16、适中； 绝热指数要低。 2.物理化学的性质 制冷剂的导热系数和放热系数要高； 制冷剂密度、粘度要小； 制冷剂对金属材料和其他材料应无腐蚀和侵蚀； 制冷剂在高温下不分解、且不燃烧、不爆炸。 3.其他 制冷剂对人的生命和健康应无害，不具有毒性、窒息性和刺激性，化学性质稳定； 制冷剂价格便宜、易于购买。,(二）常用制冷剂 1.氨（NH3，R717） 优点：单位容积制冷能力大，蒸发压力和冷凝压力适中，价格低。 缺点：有刺激性、爆炸。 2.氟里昂（R12 ，R22，R13， R11） 优点：无毒、无臭、不燃、对金属无腐蚀 缺点：放热系数低、价格高、吸水性差、对环境污染。,吸收式制冷循环absorptio

17、n refrigeration,6.8 吸收式制冷循环,直接利用热能作为补偿条件,1、工作原理,2、能量交换：工质在蒸发器内吸入热量Q2，在吸收器中放出热量Q3，在蒸气发生器中吸收热量Q4，在冷凝器中放出热量Q1，经过泵时得到功Wp。,3、热量利用系数：,利用溶液性质,压缩制冷循环以消耗机械功为代价,吸收式制冷以消耗热量为代价,溶液 = 溶剂 + 溶质,氨（溶质） + 水（溶剂）溶液,溴化锂（溶剂） + 水（溶质）溶液,吸收式制冷循环特点,优点：,直接利用热能,可用低品质热,缺点：,设备体积大，启动时间长，热能利用系数低,环境性能好，无复杂转动设备，操作简单,6.9 气流引射式制冷steam

18、jet refrigeration,装置工作循环可分成两个循环 制冷蒸汽循环673456 工作蒸汽循环6812456,1、工作原理,2、能量交换：工质在锅炉内吸热Q3，在蒸发器内吸热Q2，在冷凝器内放热Q1，泵做功Wp,3、与蒸气压缩制冷循环相比，蒸汽喷射制冷循环中的泵、锅炉和喷射器三者的综合作用相当于蒸气压缩制冷循环中压缩机的作用。,4、蒸汽喷射制冷循环优点： 消耗少量机械能或电能，可以直接耗热而实现制冷。 蒸汽喷射制冷循环缺点： 循环过程中包含有不可逆的混合过程和锅炉的燃烧及温差传热过程；火用损失较大，热能利用系数较低。,6.10 气体液化循环,与制冷循环的区别：气体液化循环中的工质，在循环中既作为制冷剂使用，同时本身又被液化并输出液态产品。 典型的气体液化循环：节流膨胀林德（Linde）循环； 定熵膨胀循环（Claude）循环。常将二者结合使用。,1、气体液化的最小功,气体液化系数：,2、林德循环,利用一次节流膨胀而使气体液化的循环是1895