第十、十一、十二章 热力装置及其循环气(气体动力循环、蒸汽循

1、第十、十一、十二章热力装置及其循环气（气体动力循环、蒸汽循环、制冷循环、热泵循环）气体动力循环一、目的及要求了解各种内燃机的热力过程，掌握朗肯循环的热力循环过程，了解制冷循环及热泵循环的热力过程。二、内容：10.1 分析动力循环的一般方法10.2 活塞式内燃机实际循环的简化10.3 活塞式内燃机的理想循环10.4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较10.5 燃气轮机装置循环10.6 燃气轮机装置的定压加热实际循环10.7 简单蒸汽动力装置循环朗肯循环10.8 再热循环及回热循环10.9 制冷循环概况10.10 压缩空气与压缩蒸汽制冷循环10.11 制冷剂的性质10.12 热泵循环三、重点及难

2、点：10.1 掌握各种装置循环的实施设备及工作流程。10.2 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。10.3 掌握各种循环的吸热量、放热量、作功量及热效率等能量分析和计算的方法。10.4 会分析影响各种循环热效率的因素。10.5 掌握提高各种循环能量利用经济性的具体方法和途径。四、主要外语词汇：sabeander cycle, diesel cycle, otto cycle, spark ignition, brayton cycle, gas turbine, rankine cycle, vapor, air standard assumption

3、s, refrigerator cycle, heat pump cycle五、本章节采用多媒体课件六、复习思考题及作业：1、试以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例，总结分析动力循环的一般方法。2、活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率？实际中是否采用？为什么？3、燃气轮机装置循环中，压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功，因而增加了循环净功，但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低，试分析之。4、干饱和蒸汽朗肯循环与同样初压下的过热蒸汽朗肯循环相比较，前者更接近卡诺循环，但热效率却比后者低，如何解释此结果？5、各种实际循环的热效率，无论是内燃机循环、燃气轮机装置循环或是蒸

4、汽循环肯定地与工质性质有关，这些事实是否与卡诺定理相矛盾？6、蒸汽动力循环中，在动力机中膨胀作功后的乏气被排入冷凝器中，向冷却水放出大量的热量q2，如果将乏汽直接送入汽锅中使其再吸热变为新蒸汽，不是可以避免在冷凝器中放走大量热量，从而减少对新汽的加热量q1，大大提高热效率吗？这样的想法对不对？为什么？7、压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机，空气制冷循环是否也可以采用这种方法？为什么？8、压缩空气制冷循环采用回热措施后是否提高其理论制冷系数？能否提高其实际制冷系数？为什么？作业：102，103，107，112，114，116，123，125第十章 气体动力循环在学习本章过程中需要掌握三个问题

5、：1） 余隙容积对压气机产生什么影响？2） 压缩比的影响如何？如有矛盾采用什么方法解决？3） 请说明多级压缩级间冷却原理？§101分析动力循环的一般方法动力装置，制冷装置和热泵装置统称为热力装置。动力装置的任务是将热量通过能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，并使该系统温度保持不变。热泵装置的任务则相反，是将热量不断地传给系统以使系统温度提高到所要求的某一高于环境温度的水平，并使该系统温度保持不变。在本章中主要给大家介绍动力循环中的内燃机及燃气轮机的循环，及它们的热力性能，揭示能量利用的完善程度和影响其性能的主要因素。动力装置的实际工作循环是很复杂的

6、，定量的燃料究竟能产生多少机械能，这与很多实际因素有关。例如，燃烧状况，温差传热，摩擦损失，流动阻力，散热损失等等，这些不可逆因素都会影响动力装置的工作性能。对于各种动力装置，不可逆转到是普遍存在的，仅是影响程度不同而已，而且必须具体分析，才有实际意义。在气体动力循环中目前所采用的步骤及方法可归纳如下：1） 将实际循环抽象成理想循环；例：将不可逆燃烧过程用可逆的吸热过程来代替；将工质在发动机中的不可逆膨胀过程用可逆膨胀过程来代替，等等。2） 将简化的理想可逆循环表示有p-v图及T-s图上；3） 对理想循环进行分析计算，即计算循环中有关状态点的参数，与外界交换的热量及功量，以及循环热效率或工作系

7、数等等；4） 定性分析各主要参数对理想循环的吸热量，放热量，净功量的影响，进而分析对循环热效率的影响，提出提高热效率的主要措施；5） 对理想循环的主要特点结果引入必要的修正；6） 对实际循环进行第一及第二定律分析，重点是第一定律分析。在4）中，可利用适用于理想气体可逆循环的热效率的平均温度表达式来探讨提高循环热效率的途径，即：（101）即要使热效率增大，必须设法提高平均吸热温度、降低平均放热温度。在6）的讨论中，应用热力学第一定律进行能量转换量的分析时有：其中： 不可逆循环中实际作功量和循环加热量之比，为该循环的内部热效率； 以T1为高温热源，To为低温热源时卡诺循环热效率； 与实际循环相应的

8、内部可逆循环的热效率； ()相对热效率，是考虑了内部可逆理论循环因与高、低温热源存在温差时造成的损失； 循环相对内部效率，是循环中实际功量和理论功量之比，反映了内部摩擦引起的损失。应用第二定律时，采用熵产及有效能损失的分析方法：即： （102）过程的熵产能反映过程不可逆性的程度及作功能力损失的大小，因此，对整个动力装置逐一分析各设备的熵产，即可找出不可逆性程度最大的薄弱环节，指导实际循环的改善。同时，也以作功能力损失与循环最大作功能力之比表示损失的大小：其中，分析循环的不可逆损失也可采用用方法，设备或系统的用效率用表示：用效率考虑了从供给能量的最大作功能力中获得的效果，是从能量的质和量两方面来

9、评价热力系统热力学完善程度的参数。§102活塞式内燃机实际循环的简化1、活塞式内燃机的实际循环以四冲程的柴油机为例：在实际过程中，柴油机活塞运行如下：01：活塞右行的吸气过程，到达1点（下死点），进气阀关闭；12：活塞左行到上死点之前的2，柴油喷入汽缸；22：喷入的柴油需有一个滞燃期后才燃烧，且柴油机转速较高，所以当活塞运行到接近上止点2时，柴油燃烧；23：燃料燃烧过程，接近定容过程，且活塞到达上死点3点后，准备右行；34：燃烧继续进行，气缸的内压力几乎不变，接近定容，在4点气体温度可达1700oC1800oC；45：活塞右行膨胀，实现高压气体膨胀作功，同时向气缸夹套的冷却水放热，因

10、此为不完全绝热过程。51：5点，气体压力约为0.30.5MPa，t500oC，排气阀打开，此时气缸内的压力突然下降，因此接近定容过程；10：活塞左行，废气在压力稍高于大气压时排向大气，并完成一个循环。所以从以上分析看，实际的柴油机循环是比较复杂的，为了便于理论分析，必须忽略一些将要因素，引入“空气标准假设”对实际循环加以合理的抽象和概括，并按照不同的燃烧方式归纳成三类理想循环：定容加热理想循环、定压加热理想循环和混合加热理想循环，也称为：奥托循环、狭塞尔循环、萨巴德循环。这里所说的“空气标准假设”是指：把实际开口循环看作是闭式的以空气为工质的理想循环。2、活塞式内燃机的合理简化归纳起来主要为：

11、1） 将燃料燃烧回执工质的过程看成是自然热源吸入同样数量的可逆加热过程；排气放热过程看成向冷源放出同样数量热量的可逆放热过程；2） 忽略实际过程中的摩阻及进、排气阀的节流损失；以上将实际循环就理想化为一个定质量的闭口可逆循环；。3） 将有热交换的压缩及膨胀过程作可逆绝热处理，以空气性质代替燃气性质，按定比热容的理想气体作热力分析。所以理想的四冲程柴油机循环就简化成右图所示的p-v图表示的过程：为简化计算并提供一种往复式发动机的比较手段，工程界引进平均有效压力的概念，用MEP表示，定义为：这里冲程指：上止点到下止点的距离。§103活塞式内燃机的理想循环1、混合加热理想循环（定容燃烧定压

12、燃烧）（萨巴德循环）（1）表征混合加热循环的特征参数压缩比：定容增压比：定压预胀比：（2）循环中各过程的热量及功量：12：绝热压缩过程： 23：定容吸热过程： 34：定压吸热过程： 45：绝热膨胀过程：51：定容放热过程：循环净功： 若用特征参数表示，则进一步对上式进行简化：12及45为定熵过程： 又 51时：将以上各温度代入表达式中有：亦即，柴油机混合理想循环热效率随压缩比和定容增压比的增大而提高，随预胀比的增大而降低。另外，受强度机械效率等实际因素的影响，柴油机的压缩比不能任意提高，实际柴油机的压缩比一般在=1320范围内变化。2、定压加热理想循环（狭塞尔循环）（无定容加热过程）如

13、7;102中介绍的高增压柴油机，一边膨胀，一边燃烧，整个燃烧过程气体压力基本保持不变，省去1中23定容吸热过程。如下图所示。12，绝热压缩： 23，定压加热： 34，绝热膨胀：41，定容放热：用特征参数可表示为：即随增大而增大，随的增大而减小。3、定容加热理想循环（奥托循环）如煤气机、汽油机的燃烧过程可近似看成定容加热。在循环中23为定容加热过程：34为定熵膨胀过程：41为定容放热过程：12为定熵压缩过程：上式表明：定容加热理想循环的热效率依压缩比而定，且随的增大而提高，但由于汽油机在吸气过程中吸入气缸的是空气 汽油的混合物，受混合气体自燃温度的限制，压缩比又不能任意提高，一般限定在= 512

14、的范围内；循环热效率也与指数k有关，且k值随气体温度增大而减小，使减低。例：内燃机定容加热理想循环如图所示。若已知压缩初温和循环的最高温度，求循环净功达到最大时T2、T4及此时热效率各为多少？解：先寻找未知温度T2、T4与已知温度T1、T3之间的关系。过程12和过程34是定熵过程，于是：12：34：过程23及过程41为定容过程， 有 (1)而定容加热循环时，循环净功为：将（1）式代入上式，并要使循环净功为最大时，则有：，即：有： 即： (2)将此结果代入（1）式得： 则此循环热效率为：§104活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较对各种理想循环热效率作比较时，必须要有一个共同的标准，一

15、般在初始状态相同的情况下，分别以压缩比、吸热量、最高压力和最高温度相同作为比较基础，且在Ts图上最为简便。1、相同压缩比，相同吸热量q1时的比较在右图中：12341为定容加热，122341为混合加热，12341为定压加热。q1相同，即比较q2：定容过程：，混合过程：，定压过程： 又 在上述结论中，回避了不同机型应彩不同压缩比的问题，但实际上，由于采用不同的燃料，压缩比应取不同值，显然这一标准与实际情况不完全符合。2、最高循环压力和最高循环温度相同时的比较这种比较实质上是热力强度和机械强度相同情况下的比较。在右图中，12341是定容加热理想循环；123341为混合加热理想循环，12341为定压加

16、热理想循环。从图中可以看出：.即：而： 所以有结论：在进气状态相同、循环的最高压力和最高温度相同的条件下，定压加热理想循环的热效率最高，混合加热理想循环次之，而定容加热理想循环最低。这是符合实际的。事实上，柴油机的热效率通常高于汽油机的热效率。§106燃气轮机装置循环1、燃气轮机装置简介燃气轮机的动力装置由压气机、燃烧室和燃气机三个基本部件人组成，和内燃机循环中各个过程都在气缸内不同，燃气轮机装置中工质在不同设备间流动完成循环。其简单流程如图所示：空气首先进入压气机内，压缩到一定压力后送入燃烧室，和喷入的燃油混合后进行燃烧，产生高温燃气，并与燃烧室剩余空气混合后，进入燃气轮机的喷管，

17、膨胀加速而冲击燃气轮机的叶片对外作功。作功后的废气排入大气。而燃气轮机所作功的一部分用于带动压气机，其余部分（称为净功）对外输出，用于带动发电机或其它负载。燃气轮机是一种旋转式热力发动机，设有往复运动部件以及由此引起的不平衡性力，故可以设计成很高的转速，并且工作过程是连续的。因此，它可以在重量和尺寸都很小的情况下发出很大的功率。目前，燃气轮机装置在航空器、舰船、机车、峰负电站等部门得到广泛应用。2、燃气轮机装置定压加热理想循环 布雷顿循环12：绝热压缩（压气机）23：定压加热（燃烧室）34：绝热膨胀（燃气轮机）41：定压放热其热效率：循环吸收的热量：循环放出的热量：又 则由各过程特征有： 上式

18、表明：布雷顿循环的热效率取决于循环增压比，且随的增大而提高。而对于增压比的选择还应考虑它对循环净功的影响。循环净功的求法如下：又上式表明：在一定温度范围T1、T3骨，循环净功量仅仅是增压比的函数，将循环净功对增压比求导并令导数为零，即：则得使循环净功达到最大值时的最佳增压比为：此时：由此可得：对布雷顿循环，值增大，可使提高，而为了获得最大净功，又存在最佳的值。因此，在选择燃气轮机装置增压比时，热效率与循环净功必须兼顾，以使既有较好的效率，又能提供较多的循环净功。§107燃气轮机装置的定压加热实际循环燃气轮机实际循环的各个过程都存在不可逆因素带来的损失，这里主要考虑压气机和燃气轮机内部

19、的不可逆损失。因为工质流经它们时，通常流速很高，这时流体之间、液体和流道之间的摩擦损失再不能忽略，所以流经它们的过程是不可逆绝热过程，其循环见右图中1234所示。为考虑不可逆因素对循环性能的影响，引入压气机绝热效率与燃气轮机相对内效率来修正。它们的定义分别为： 而实际循环的吸热量为：实际循环的放热量为：实际循环的净功为：实际循环的热效率可利用已求得的、或求得：即：为了要分析影响循环热效率的因素，经过推导，当工质比热容为定值时，实际循环的热效率又可写成：从上式可以看出：（1）提高增温比可提高循环热效率。但T1取决于大气温度，而T3受金属材料耐热性能的限制，与冶金工业和材料科学的发展密切相关。目前

20、采用高温合金及气膜冷却等措施，T3已高达1200K到1300K。从循环特性参数方面来讲，这也是提高循环热效率的主要方向；（2）提高和，可提高循环热效率。、主要取决于压气机和燃气轮机叶片之间气流通道的设计及加工，目前水平为、；（3）影响实际循环热效率的因素除、外，还有增压比。对一定的、，开始时循环热效率随的增加而增大，但达到某一最大值后反而随的增加而降低。有最佳值问题。从以上分析可看出，影响燃气轮机装置实际循环热效率的因素，与理想循环有显著差别。§108提高燃气轮机热效率的其它措施在增温比和增压比确定后，进一步提高燃气轮机装置的循环热效率必须改变循环，重新组织、安排过程。其中，最有效的

21、措施有：（1）采用回热；（2）在回热基础上，分级压缩中间冷却，分级膨胀中间再热。这些措施，无论是对燃气轮机装置的实际循环，还是理想循环，都是有效的。下图即为具有回热装置的燃气轮机装置的实际循环，分析（a）所示的实际循环12341，注意到燃气轮机排气温度T4通常总是高于压气机出口T2，循环加热和放热过程的温度变化范围有交叉。利用这个温度交叉段增设回热器，进行内部回热，就可以达到提高循环平均吸热温度和降低循环平均放热温度的目的，从而提高循环的热效率。在回热器中，若燃气被冷却到可能的最低温度T6（T2），压缩空气被加热到可能的最高温度T5（T4），则这种理想情况称为极限回热，极限回热虽然对提高装置的

22、内部效率最为有效，但由于传热必须有温差，因此无法实现。我们用回热度来表示实际的回热程度，其定义为实际回热量与理想回热量的比值，即：通常。在对采用了回热措施的循环进行能量分析和计算时要注意吸热过程、放热过程初、终态变化，至于计算方法与不采用回热时相同。例：燃气轮机装置循环的Ts图如下图所示，若工质视为空气，空气进入压气机的温度为，压力为100KPa，循环增压比5，燃气轮机进口温度为，且压气机绝热效率，燃气轮机相对内效率，空气的质量流量为。试计算：在理想极限回热时，及由于回热器有温差传热、回热度时，实际循环输出净功率和循环热效率各为多少？解：（1）首先确定各点的状态：点1：点2：点2： 点3：点4

23、：点4： 点5：点5： 由得：点6：点6：由得： （2）理想极限回热时，实际循环的净功率及热效率：循环吸热量为：循环放热量为：循环净功率为：循环热效率为：（3）回热度为0.65时，实际循环的净功率及热效率：不完全回热时，循环的吸热量为：循环放热量为：循环净功率为：循环热效率为：可见采用回热时，循环净功率不随回热度的改变而改变，但循环热效率随回热程度的加大而增大。第十一章 蒸汽动力循环装置水蒸气是工业上最早使用来作为动力机的工质。在蒸汽动力装置中水时而处于液态，时而处于气态。因而蒸汽动力装置循环不同于气体动力循环。此外，水和水蒸气不能燃烧，只能从外界吸收热量，所以蒸汽循环必须配备锅炉，因此装置设

24、备也不同于气体动力装置。由于燃烧产物不参与循环，故而蒸汽动力装置可利用各种燃料，如煤、渣油，甚至可燃垃圾。§111简单蒸汽动力装置循环 朗肯循环1、工质为水蒸气的卡诺循环由第二定律可知，在相同温限内卡诺循环的热效率最高，而采用气体作工质的循环中，定温过程（加热及放热）难以实现，并且气体绝热线及等温线在p-v图上斜率接近，因此有较小。在采用蒸汽做工质时，由于水的汽化和凝结，当压力不变时温度也不变，因而有了定温放热和定温吸热的可能。又因为定温即是定压，其在p-v图上与绝热线斜率相差较大，因而可提高，所以蒸汽机原则上可采用卡诺循环，如图中56785所示。而实际的蒸汽动力装置中不采用上冻循环

25、，其主要原因有以下几点：1） 在压缩机中绝热压缩85过程难以实现；2） 徨仅局限于饱和区，上限温度受临界温度的限制，故即使实现卡诺循环，其热效率也不高；3） 膨胀末期，湿蒸汽干度过小，含水分甚多，不利于动力机安全。所以，实际蒸汽动力循环均以朗肯循环为其基础。2、朗肯（Rankine）循环朗肯循环是最简单也是最基本的蒸汽动力循环，它由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵4个基本的、也是主要的设备组成。右图中为该装置的示意图。水在锅炉中被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机膨胀作功，作功后的低压蒸汽进入冷凝器被冷凝成水，凝结后的水在水泵中被压缩升压后，再回到锅炉中，完成一个循环。为了突出主要矛盾，分析主

26、要参数对循环的影响，与前述循环一样，首先对实际循环进行简化和理想化，略去摩阻及温差传热等不可逆因素，理想化后的循环由右图(a)所示的热力过程组成，对应的T-s图如图(b)所示。朗肯循环的能量分析与计算如下：循环的吸热量：循环的放热量：水蒸气流经汽轮机时，对外作出的功为：水在水泵中升压所消耗的功为：由于水的不可压缩性，在压缩过程中的容积变化可以忽略。水泵中升压，因此泵功可以用下式近似计算：那么循环热效率为：由于水泵耗功相对于汽轮机作出的功而言极小，这样热效率可近似表示为：而以上各点的参数可由已知条件查水和水蒸气热力性质图或表得到。3、有摩阻的实际循环实际上，蒸汽动力装置中全部过程都是不可逆过程，

27、尤其是蒸汽经过汽轮机的绝热膨胀与理想可逆过程的差别较为显著，在以下讨论中，仅仅考虑到汽轮机中有摩阻损耗的实际循环。所以在Ts图中，原来的可逆绝热过程12由不可逆绝热过程12act所代替，则蒸汽经过汽轮机时实际所作技术功为： 少作的功为冷凝器中多排出的热量用表示汽轮机内蒸汽实际作功与理论作功之比，称为汽轮机的相对内效率，即： 理想绝热焓降，实际循环净功为： 水泵功较小，可忽略：用（内部循环热效率）来表示蒸汽在实际循环中所作的循环净功与循环中热源所供给的热量之比：用表示机械效率，则轴功为：轴功率为： 蒸汽耗量4、提高蒸汽动力循环热效率的途径和方法（1）蒸汽参数对热效率的影响可通过提高蒸汽初态压力、

28、初温，降低终参数的办法来提高。当循环初压提高（见图114P300）时，循环的平均温差增大。因此热效率提高。提高蒸汽初温（见图113P300），此时：增加循环的高温加热段，使循环温差增大，提高了热效率；提高初温，可使终态2的干度增大，这对提高汽轮机的相对内效率和延长汽轮机的寿命有利，而降低背压，也是为了增加循环温差。然而，初温度的提高受到金属材料耐高温性的限制；终压的降低受到环境温度的限制；在初温提高受到限制的条件下，提高初压又会引起排气干度的降低，危及汽轮机的运行安全。因此引出再热循环和回热循环，希望通过过程的合理组织，提高能量利用的经济性。（2）再热循环所谓再热循环，就是蒸汽在汽轮机中膨胀到

29、某一中间压力时全部引出，进入到锅炉再热器中再次加热，然后再全部回到汽轮机内继续膨胀作功，再循环的示意图及在Ts图上的表示如图所示。忽略泵功时，再热循环所作的功为：循环加热量：再热循环热效率：从上图的Ts图中可以看出，选择合适的再热压力，不仅可以使乏汽干度得到提高，而且由于附加循环25622提高了整个循环的平均吸热温度，因此还可以使循环热效率得到提高。依据计算及运行经验，最佳中间再热压力一般在蒸汽初压力的20%30%之间。（3）回热循环分析朗肯循环热效率不高的原因，主要是平均吸热温度不高。而平均吸热温度不高的主要原因在于对水加热这一段的温度较低。为了消除或减少这一不利因素的影响，可以利用一部分作过功的蒸汽不加热给水，即采用抽汽回热的办法回热给水。采用一级抽汽、混合式给水加热器的回热循环，如图所示，显然，由于采用了抽汽回热，工质在热汽（锅炉）中的吸热从朗肯循环的41变到51，从而使平均吸热温度得到了提高。另外，还可用解析的方法，把一级抽汽回热循环的热效率与无回热的朗肯循环热效率