传统能源利用

1、锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器1234柴油机柴油机 活塞式汽车发活塞式汽车发动机构造动机构造火花塞火花塞 2-气缸盖气缸盖 3-出出水口水口 4-气缸气缸 5-活塞活塞 6-水套水套 7-水泵水泵 8-活塞销活塞销 9-进水口进水口 10-连杆连杆 11-飞轮飞轮 12-曲轴曲轴 13-机油管机油管 14-曲轴箱曲轴箱 15-机油泵机油泵 16-曲轴正时齿轮曲轴正时齿轮 17-凸轮凸轮正时齿轮正时齿轮 18-凸轮轴凸轮轴 19-排气管排气管20-进气管进气管 21-进气门进气门 22排气门排气门 23-化油器化油器汽油机汽油机动力循环动力循环按工质按工质空气为主的燃气

2、空气为主的燃气按按理想气体理想气体处理处理蒸汽动力循环：外燃机蒸汽动力循环：外燃机水蒸气等水蒸气等实际气体实际气体气体动力循环：气体动力循环： 内燃机，内燃机， 燃气轮机燃气轮机按结构按结构活塞式活塞式叶轮式叶轮式小型汽车，摩托小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船中、大型汽车，火车，轮船移动电站移动电站汽油机汽油机点燃式，压燃式点燃式，压燃式汽车，摩托，小型轮船汽车，摩托，小型轮船按燃料按燃料航空，大型轮船，移动电站航空，大型轮船，移动电站柴油机柴油机煤油机煤油机航空航空按点燃方式：按点燃方式：按冲程数：按冲程数：二冲程，四冲程二冲程，四冲程活塞活塞动力循环特点动力循环特点四冲程高速柴油机为

3、例四冲程高速柴油机为例（混合加热循环）（混合加热循环）（压燃式）（压燃式）空气、油空气、油废气废气吸气吸气压缩，压缩，喷油燃烧喷油燃烧膨胀膨胀作功作功排气排气12301 吸空气吸空气pV一般一般n=1.341.37柴油自燃柴油自燃t=335p02012 多变压缩多变压缩p2=35MPat2=6008002 喷柴油喷柴油2 开始燃烧开始燃烧23 迅速燃烧，近似迅速燃烧，近似 Vp59MPa4534 边喷油，边膨胀边喷油，边膨胀123pVp0120t4可达可达170018004 停止喷柴油停止喷柴油45 多变膨胀多变膨胀V近似近似 膨胀膨胀pp5=0.30.5MPat5 50051 开阀排气，开阀

4、排气， 降压降压10 活塞推排气活塞推排气,完成循环完成循环123451. 工质工质pVp0120工质数量不变工质数量不变定比热理想气体定比热理想气体(空气空气)P-V图图p-v图图2. 0-1和和1 -0抵消抵消开口开口闭口循环闭口循环3.排气排气向向外界放热外界放热(定容定容)4.燃烧燃烧外界加热外界加热5. 多变多变绝绝热热6. 不可逆不可逆可逆可逆1235pp012012345pv1234512345pvTs12345Ts吸热量吸热量放热量放热量(取绝对值）取绝对值）热效率热效率12t11wqqqq5121324311TTqqTTk TT wq1v32p43qcTTcTT2v51qcT

5、T12345pv1234pv柴油机，压燃式柴油机，压燃式汽油机，点燃式汽油机，点燃式12341234pvTs1234Ts吸热量吸热量1v32qcTT放热量放热量(取绝对值）取绝对值）2v41qcTT热效率热效率12241t1113211wqqqTTqqqTT 1234Ts热效率热效率41t321TTTT 411322111TTTTTT 1321124kTTvTvT11212111kTTvv 111k 12345pv1234pv柴油机，压燃式柴油机，压燃式高增压低速柴油机高增压低速柴油机压燃式压燃式1234pv1234Ts1234Ts吸热量吸热量1p32qcTT放热量放热量(取绝对值）取绝对值）

6、2v41qcTT热效率热效率122t1111wqqqqqq 12345pv压缩比压缩比12vv定容增压比定容增压比32pp定压预胀比定压预胀比43vv反映反映气缸气缸容积容积反映反映供油供油规律规律12345Ts热效率热效率51t32431TTTTk TT 1112112kkvTTTv12vv133212kpTTTp 32pp144313kvTTTv 43vv12345Ts热效率热效率51t32431TTTTk TT 154541151kkpvTTTTvp t11111kkk t1.4k 1.3k 1.2k 1、当当 、 不变不变t受气缸材料限制受气缸材料限制 一般柴油机一般柴油机1421kt

7、11111kkk 潜艇用氦气，潜艇用氦气，k=1.662、当当 不变不变ttt11.523t11111kkk 12345pvt11111kkk 1t111k tk汽油易爆燃汽油易爆燃一般汽油机一般汽油机510一般柴油机效率高于汽油机的效率一般柴油机效率高于汽油机的效率但汽油机小巧但汽油机小巧1421柴油机比较的条件比较的条件压缩比压缩比吸热量吸热量1q反映气缸结构尺寸、工艺材料反映气缸结构尺寸、工艺材料反映作功量（马力）反映作功量（马力）最高压力最高压力maxp反映材料耐压、壁厚、成本反映材料耐压、壁厚、成本最高温度最高温度maxT反映材料耐温反映材料耐温比较的对象：比较的对象：混合加热，定容

8、加热，定压加热混合加热，定容加热，定压加热Ts2t11qq tvtmtp2v2m2pqqq平均温度法平均温度法3m4m123v4v3p4pTs211tqq 1p1m1vqqq2q相等相等12v342mtptmtv2p3p4mTs211tqq 2p2m2vqqq2ptptmtv3m12v4v3v4p2m？ 和和 相同，图示相同，图示 大小大小maxT1qtptmtv,用途：用途： 航空发动机航空发动机 尖峰电站尖峰电站 移动电站移动电站 大型轮船大型轮船理想化：理想化：1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃料燃料1）工质：数量不变，定比热工质：数量不变，定比热理想气体理想气体2）闭口闭口 循环循

9、环3）可逆过程可逆过程燃烧室燃烧室pvTs12341234Ts1234吸热量：吸热量：1p32qcTT放热量：放热量：2p41qcTT热效率：热效率：12241t1113211wqqqTTqqqTT Ts1234热效率：热效率：41t321TTTT 411322111TTTTTT 112221111111kkTTTpTp 1133224411kkkkTppTTppT1t,C31TT 热效率表达式似乎与卡诺循环一样热效率表达式似乎与卡诺循环一样Ts1234热效率：热效率：t12111kkpp 定义：定义：循环增压比循环增压比21pp111kk tktTs1234定义：定义： 循环增温比循环增温比

10、31TT324134211111pppwcTTcTTTTTc TTTT净1111kkkkpc TTs123431TT1111kkkkpwc T净34当当 不变不变不变不变w净但但T3 受材料耐热限制受材料耐热限制111tkk Ts31TT1111kkkkpwc T净当当 不变不变太大太大w净3T太小太小ttw净存在最佳存在最佳 ，使，使 最大最大w净111tkk 1TTs1111kkkkpwc T净令令opt3T2(1)opt()kkw净1T0w净最大循环净功最大循环净功211optpwc TTs1234压气机：压气机：不可逆不可逆绝热压缩绝热压缩燃气轮机：燃气轮机：不可逆不可逆绝热膨胀绝热膨

11、胀2421c12hhhh定义：定义：压气机绝热效率压气机绝热效率燃气轮机相对内效率燃气轮机相对内效率34oi34hhhhTs123424314221oi34cwhhhhhhhh净净功净功吸热量吸热量2113312chhqhhhh21kkoptoicw 净Ts1234241111111oikckkckwq净t热效率热效率1111111oikckkckwq净toict一定，一定，t一定，有最佳一定，有最佳 optt optt右移右移 opttoptw净optw净地面上，尺寸次要，省燃料，取地面上，尺寸次要，省燃料，取 optt空中，尺寸重要，取空中，尺寸重要，取optw净提高提高t受材料耐热限制受

12、材料耐热限制取最佳取最佳 optt有无其有无其它途径它途径2若使若使T4T4 在在500oC以上以上134Ts4p不可能不可能如果如果T4T2预热空气，预热空气，回热回热一、一、回热回热1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室回热器回热器4R2A1234燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室间冷器间冷器5压气机压气机62134燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室间冷器间冷器5压气机压气机62回热器回热器4R2R2134Ts265tt1wq净间+回简4R2Rtt1wq净间+回回ttt间+回回简www间+回回简结论：结论：1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室1燃烧室燃烧室2351234压气机压气

13、机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室2回热器回热器燃烧室燃烧室14R2R53213Ts344结论：结论：54R2R2t+t11qq 再 回回ww再+回回2qq2回再+回ttt再+回回简www再+回回简1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室2回热器回热器间冷器间冷器燃烧室燃烧室12R4R结论：结论：3Ts214tt+1wq净再+间+回再 回tttt再+间回再+回回简wwww再+间回再+回回简+ww再+间+回再 回2R4R2134Ts两个等温过程两个等温过程两个等压过程两个等压过程+回热回热概括性卡诺循环概括性卡诺循环级数越多，越复杂，造价越高，一般级数越多，越复杂，造价越高，一般23级级18

14、16年提出，近年提出，近20年才实施年才实施冷气室冷气室热气室热气室加热器加热器冷却器冷却器AB回热器回热器1-2 T 压缩压缩2-3 V 吸热吸热3-4 T 膨胀膨胀4-1 V 放热放热12341234pvTs概括性卡诺循环概括性卡诺循环核潜艇，制冷核潜艇，制冷燃气轮机循环：燃气轮机循环：理想循环和实际循环的计算理想循环和实际循环的计算 和比较和比较活塞式内燃机循环：活塞式内燃机循环：( 特点、计算、比较特点、计算、比较 )提高热效率的手段：提高热效率的手段：回热回热 间冷间冷+回热回热 再热再热+回热回热动力循环的一般规律动力循环的一般规律:任何动力循环都是以消耗任何动力循环都是以消耗热能

15、热能为为代价代价 以以作功作功为为目的目的升压升压是前提是前提加热加热是手段是手段作功作功是目的是目的放热放热是必须是必须顺序不可变顺序不可变步骤不可缺步骤不可缺按工质按工质气体动力循环气体动力循环：内燃机、燃气轮机：内燃机、燃气轮机蒸汽动力循环蒸汽动力循环：外燃机：外燃机空气为主的燃气空气为主的燃气按按理想气体理想气体处理处理水蒸气等水蒸气等实际气体实际气体水蒸气：水蒸气：火力发电、核电火力发电、核电低沸点工质：低沸点工质：氨、氟里昂氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电太阳能、余热、地热发电 四个主要装置：四个主要装置： 锅炉锅炉 汽轮机汽轮机 凝汽器凝汽器 给水泵给水泵水蒸汽动力循环系统水蒸汽

16、动力循环系统 锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器朗肯循环朗肯循环1234简化（理想化）：简化（理想化）：12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热34 给水泵给水泵 s 压缩压缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热1342pv12 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热34 给水泵给水泵 s 压缩压缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热4321Tshs132412 汽轮机汽轮机 s 膨胀膨胀23 凝汽器凝汽器 p 放热放热34 给水泵给水泵 s 压缩压缩41 锅炉锅炉 p 吸热吸热hs132

17、4,1 2,3 4nett11sswwwqq一般很小，一般很小，占占0.81%，忽略泵功忽略泵功 1213thhhhn工程上常用工程上常用汽耗率：汽耗率：反映装置经济性，设反映装置经济性，设备尺寸备尺寸n汽耗率：汽耗率：蒸汽动力装置每输出蒸汽动力装置每输出1kW.h功所功所消耗的蒸汽量消耗的蒸汽量kgsp1 t1 p26543211213thhhh影响热效 率 的影响热效 率 的参数？参数？TsT654321 1 6 5 4 2t1 , p2不变不变，p1优点：优点： ，汽轮机出口汽轮机出口尺寸小尺寸小1Tt2v缺点：缺点： 对强度要求高对强度要求高 不利于汽不利于汽轮机安全。一般轮机安全。一

18、般要求出口干度大要求出口干度大于于0.85 0.882xsT654321 1 2优点：优点： ，有利于汽机有利于汽机安全。安全。1Tt2x缺点：缺点： 对耐热及强度要对耐热及强度要求高，目前初温求高，目前初温一般在一般在550左右左右 汽机出口汽机出口尺寸大尺寸大2vp1 , p2不变不变，t1sT654321 2优点：优点： 2Tt缺点：缺点：受环境温度限制，受环境温度限制，现在大型机组现在大型机组p2为为0.00350.005MPa，相应的饱和温度约为相应的饱和温度约为27 33 ，已接近事，已接近事实上可能达到的最低实上可能达到的最低限度。冬天热效率高限度。冬天热效率高p1 , t1不变

19、不变，p2 4 3低参数中参数 高参数 超高参数 亚临界参数汽轮机进汽压力MPa13.516.5汽轮机进汽温度340435535550, 535550, 535发电机功率 P/ kW15003000600025000510万 12.5万,20万20万,30万,60万sT532 241114非理想因素：非理想因素：给水泵不可逆给水泵不可逆( 3 4 )汽机不可逆汽机不可逆( 1 2 )汽机汽门节流汽机汽门节流( 1 1 ) 蒸汽管道摩擦降蒸汽管道摩擦降压，散热压，散热(11) sT532 2414忽略泵功忽略泵功43hh可逆朗肯循环效可逆朗肯循环效率率12t13hhhh汽机相对

20、内汽机相对内效率效率12oi12hhhh改变循环参数改变循环参数提高初温度提高初温度提高初压力提高初压力降低乏汽压力降低乏汽压力改变循环形式改变循环形式回热循环回热循环再热循环再热循环联合循环联合循环热电联产热电联产燃气燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环新型动力循环新型动力循环IGCCPFBC-CC.Ts65431ba21234再热baTs65431ba2 再热循环本身再热循环本身不一不一定定提高循环热效率提高循环热效率 与再热压力有关与再热压力有关 x2降低降低,给提高初给提高初压创造了条件，选压创造了条件，选取再热压力合适，取再热压力合适，一般采用一般采用一次再热一次再热可使热效率提高可使热效

21、率提高2 23.53.5。cd 再热压力再热压力 pb=pa 0.20.3p1 p113.5MPa，一次，一次再热再热 超临界机组，超临界机组， t1600，p125MPa， 二次二次再热再热Ts65431ba2吸热量：吸热量： 114abqhhhh放热量：放热量：223qhh净功（忽略泵功）：净功（忽略泵功）： net12bawhhhh热效率：热效率：net12t,RH114()()()()baabwhhhhqhhhh12361kga45kg(1-)kg抽汽抽汽去凝汽器去凝汽器冷凝水冷凝水表面式回热器表面式回热器抽汽抽汽冷凝水冷凝水给水给水混合式回热器混合式回热器抽汽式回热抽汽式回热(1-

22、)kg kg65as43211kgT12361kga45kg(1-)kga kg4(1- )kg51kg由于由于T-s图上各点质图上各点质量不同，面积不再量不同，面积不再直接代表热和功直接代表热和功(1- )kg kg65as43211kgT22t,RG121a11hhhhhh 22t121hhhh 简单朗肯循环：简单朗肯循环：1a01hht,RGt物理意义物理意义： kgkg工质工质100%利用利用 1- 1- kg kg工质效率未变工质效率未变优点优点l 提高热效率提高热效率l 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短l 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面减小凝汽器

23、尺寸，减小锅炉受热面l 可兼作除氧器可兼作除氧器缺点缺点l 循环比功减小，汽耗率增加循环比功减小，汽耗率增加l 增加设备复杂性增加设备复杂性l 回热器投资回热器投资缺点缺点改变循环参数改变循环参数提高初温度提高初温度提高初压力提高初压力降低乏汽压力降低乏汽压力改变循环形式改变循环形式回热循环回热循环再热循环再热循环联合循环联合循环热电联产热电联产燃气燃气-蒸汽联合循环蒸汽联合循环新型动力循环新型动力循环IGCCPFBC-CC.1234给水泵热用户汽轮机过热器锅炉用发电厂作了功用发电厂作了功的蒸汽的余热来的蒸汽的余热来满足热用户的需满足热用户的需要，这种作法称要，这种作法称为为热电联热电联( (

24、产产) )供供。背压式机组背压式机组( (背压背压0.1MPa) )热用户为什么要热用户为什么要用换热器而不直用换热器而不直接用热力循环的接用热力循环的水？水？1234给水泵热用户汽轮机过热器锅炉背压式背压式缺点缺点： 热电互相影响热电互相影响 供热参数单一供热参数单一过热器汽轮机发电机锅炉冷却水冷凝器加热器水泵 1水泵 2调节阀 抽汽式热电联抽汽式热电联供循环供循环, , 可以自动可以自动调节热、电供应比调节热、电供应比例，以满足不同用例，以满足不同用户的需要。户的需要。net1qwKq供热已被利用的能量工质从热源得到的能量nett1wq 只采用热效率只采用热效率 显然不够全面显然不够全面

25、能量利用系数能量利用系数，但未考虑热和电的品位不同，但未考虑热和电的品位不同 热电联产、集中供热是发展方向，经济环保热电联产、集中供热是发展方向，经济环保空气压气机燃气轮机燃烧室发电机发电机凝汽器给水泵蒸汽轮机余热锅炉排气Ts燃气轮机循环燃气轮机循环蒸汽轮机循环蒸汽轮机循环法国法国GEC Alsthom公司的联合循环电站公司的联合循环电站燃气轮机：燃气轮机：227.2 MW蒸汽轮机：蒸汽轮机：128.3 MW燃料：天然气燃料：天然气热效率：热效率：54.5% 制冷（热泵制冷（热泵)循环循环 输入功量（或其他代价），从低输入功量（或其他代价），从低温温热源取热热源取热 动力循环动力循环 输入热输

26、入热, ,通过循环输出功通过循环输出功 热泵循环热泵循环 输入功量（或其他代价），向高温输入功量（或其他代价），向高温热用户供热热用户供热 正循环正循环逆循环逆循环逆循环逆循环(a)夏季制冷循环(b)冬季热泵循环 制冷与热泵两用装置示意图A 四通换向阀，B 毛细节流装置，C 压缩机制冷制冷制热制热Coefficient of Performance2COPqwT0环境环境T2冷库冷库卡诺逆循环卡诺逆循环222C1202qqTwqqTTq1q2wTsT2T00211TTT0不变不变, T2 CT2不变不变, T0 CCoefficient of Performance1COPqw卡诺逆循环卡诺逆

27、循环1111210CqqTwqqTTwTsT2T00111TTT1不变不变, T0 CT0不变不变, T1 CT1生产中常用生产中常用制冷能力制冷能力来衡量设备产冷量大小来衡量设备产冷量大小制冷能力：制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取制冷设备单位时间内从冷库取 走的热量走的热量(kJ/s)。商业上常用商业上常用冷吨冷吨来表示。来表示。1冷吨：冷吨：1吨吨0C饱和饱和水水在在24小时内被冷冻小时内被冷冻 到到0C的的冰冰所需冷量。所需冷量。水的凝结（熔化）热水的凝结（熔化）热 r =334 kJ/kg1冷吨冷吨=3.86 kJ/s1美国冷吨美国冷吨=3.517 kJ/s冷却水冷却水膨胀机膨胀机

28、压缩机压缩机冷藏室冷藏室冷却器冷却器3214一、压缩空气制冷循环概述一、压缩空气制冷循环概述四个四个主要部件；工质：主要部件；工质：空气空气1 2 绝热压缩绝热压缩 p T2 3 等压冷却等压冷却 向环境放热，向环境放热，T3 4 绝热膨胀绝热膨胀 T T1 （冷库）（冷库）4 1 等压吸热等压吸热 T T1理想化处理：理想化处理：理气；理气； 定化热定化热; 可逆；可逆；1 2 绝热压缩绝热压缩2 3 等压冷却等压冷却3 4 绝热膨胀绝热膨胀4 1 等压吸热等压吸热 pv3214TsT2T01234逆勃雷登循环逆勃雷登循环sspp 优点：优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。工质无毒，无味，不怕泄

29、漏。 缺点：缺点： 1. 无法实现无法实现 T ， 弊弊Ts12345lnph12345215qhh21421qhhwhh5421whh不变不变45124qhh工程上常用工程上常用 蒸气压缩制冷，要尽可能利用工质两相蒸气压缩制冷，要尽可能利用工质两相区，因此与工质性质密切相关。区，因此与工质性质密切相关。对热物性要求：对热物性要求：1. 沸点低，沸点低，tb10C2. 压力适中，蒸发器中稍大于大气压，冷凝器中压力适中，蒸发器中稍大于大气压，冷凝器中不太高；不太高；3. 汽化潜热大，大冷冻能力；汽化潜热大，大冷冻能力；4. T-S图上下界线陡峭：上界陡峭，冷冻更接近图上下界线陡峭：上界陡峭，冷冻更接近定温，下界线陡，节流损失小；定温，下界线陡，节流损失小；5. 凝固点低，价廉，无毒，不腐蚀，