工程热力学第8讲第4章2典型过程装备中的热力过程

工程热力学第九讲山东大学机械工程学院过程配备与控制工程研讨所

过程配备与控制工程专业本讲内容4-2典型过程配备中的热力过程4.6压气机中的热力过程活塞式压气机中的热力过程叶轮式压气机中的热力过程4.7膨胀机中的热力过程4.8锅炉中的热力过程4.9汽轮机中的热力过程学习要求熟练计算压气机的功〔单级活塞式压气机的实际耗功、余隙容积对压气机实际耗功的影响、多级紧缩节间冷却耗功计算等〕和绝热效率。了解压气机和膨胀机的任务原理。掌握压气机的余隙容积、分级紧缩和中间冷却的必要性。熟习节流膨胀和定熵膨胀的关系。了解锅炉和汽轮机的构造和任务原理。掌握锅炉和汽轮机的相关蒸汽热力过程计算。4.6压气机中的热力过程压气机是消费紧缩气体的设备，它不是动力机，而是用耗费机械能来得到紧缩气体的一种任务机。紧缩气体的用途：动力机、风开工具、制冷工程、化学工业、潜水作业、

医疗、休闲等。百万吨级大乙烯要求高可靠性、高寿命的大型离心压气机——单机45,000KW。压气机分类：按任务原理和构造：容积式〔活塞式或往复式〕压气机、速度式〔叶轮式或离心式〕压气机、特殊引射式紧缩器。按紧缩气体压力范围：通风机〔＜110kPa)、鼓风机〔110~400kPa)、压气机〔>400kPa)。〔绝压〕航空航天用WP7压气机转子--任务叶片、轮盘、轴静子--静子叶片、内外环、机匣往复式压气机当紧缩空气时，往往伴随水蒸气凝结。V型空气紧缩机留意：压气机消费量通常用单位时间里消费气体的规范立方米表示，不同于进气或排气形状。4.6.1单级活塞式紧缩机的构造构造简图主要部件：1、活塞2、气缸3、滤清器4、吸、排气阀5、散热肋片空气进口排入空气瓶中单级活塞式紧缩机的任务原理任务原理：f-1：吸气，传输推进功p1v1

1-2：紧缩，耗外功2-g：排气，传输推进功p2v2

图中2-3和4-1不是形状变化，而是表示气缸内气体质量的变化。压气机实际耗功：紧缩气体的消费过程包括气体的流入、紧缩和输出，所以压气机耗功应等于紧缩过程耗功与进、排气过程推进功的代数和。压气功的耗量可以为等于技术功。wC取决于初、终态及过程特征。单级活塞式紧缩机的实际耗功能够的压气过程特别快，来不及换热。绝热过程特别慢，热全散走。定温过程实践压气过程是多变过程单级活塞式紧缩机的实际耗功三种压气过程的实际耗功：1.绝热紧缩2.等温紧缩3.多变紧缩增压比单级活塞式紧缩机的实际耗功讨论：对紧缩机而言，示功图p-V图所包围的面积表示紧缩机的耗功，从p-V图可以看出定温紧缩耗功最少，而绝热紧缩所耗费的机械功最大。因此对紧缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而且保证光滑条件。通常为多变紧缩,

1<n<k。p2pp10V2〞V21V2’2〞62v432’5’55〞V1定温多变绝热余隙容积余隙容积：空气紧缩机在排气时，活塞位于上死点位置，它和气缸壁保管一部分空间，这些空间叫作余隙容积缘由：防止排气时，活塞与气缸壁碰撞，引起事故。压气机余隙容积的存在，那么余隙容积残留气体在任务中产生气垫作用，加强压气机在运转中的平稳性。影响：消费量、实际耗功有余隙容积的压气机任务过程任务过程：根本概念：4-1气体吸入气缸〔质量m1〕1-2气体紧缩：p1p2

2-3气体排向储气罐3-4气体膨胀：p1p2活塞排量Vh=V1–V3

余隙容积Vc=V3有效吸气容积Ve=V1–V4余隙容积比α=Vc/Vh容积效率ηv=Ve/Vh余隙容积使得容积效率降低，气体消费量减小。消费量(每周期)容积效率容积效率:讨论：余隙比增大，容积效率降低；增压比提高，容积效率也降低。最大增压比最大增压比依托单级紧缩往往难以到达工程所要求的高压对于压力较高的情况，普通采用双级紧缩和中间冷却。VsVcVpV吸p2pb34212’4’3’P2’3〞(2〞)P2〞余隙容积对实际耗功的影响有余隙容积和无余隙容积时，紧缩1kg气体所耗费的功是一样的余隙容积的影响小结余隙容积的存在，是防止活塞与进排气阀碰撞必需的。余隙容积的存在，使容积效率降低，每周期吸气量变小。余隙容积的存在，对紧缩定量气体的实际耗功没有影响。余隙容积的存在，使得单级增压具有最大值。多级紧缩和级间冷却多级紧缩和级间冷却是指气体依次在几个气缸中延续紧缩，同时为了防止过高的温度和减少气体的比容以降低下一级所耗费的功，在前一级紧缩后，将气体引入中间冷却器进展定压冷却至初始温度，然后进展下一级继续紧缩，直到所需求的压力为止。作用：降低排气温度，节省功耗，增大容积效率。冷却水双级活塞式理想紧缩机p-V图p30p2p113’4252’多变过程定温线3’3双级紧缩省功而且紧缩终温较低，有利于光滑。单级紧缩：面积012340p1p3：双级紧缩：面积0122’3’40pV1n低压缸2p中冷器2’n高压缸3’光滑油要求t<160~180℃,高压压气机必需分级。两级紧缩设计原那么与特点每级压气机所需的功相等，有利于压气机曲轴的平衡每个气缸中气体紧缩后所到达的最高温度一样每级向外排出的热量相等各级气缸容积按增压比递减多级紧缩级间冷却分析有一个最正确增压比省功最正确增压比每消费1kg紧缩气体：令时最正确增压比双级紧缩中间冷却T-s图p2p3T2p11T1sT3’32’2qLqH采用最正确增压比进展双级紧缩的优点：1、省功2、各缸负荷均匀3、终温一样，各缸散热量相等分级紧缩的级数省功分级降低出口温度多级紧缩到达无穷多级(1)不能够实现(2)构造复杂(本钱高)所以，普通采用2~4级紧缩T最正确增压比的推行与讨论推行：假设m级，那么讨论：

1〕按选择各级中间压力，优点：a〕各级耗功相等〔总耗功有利于曲轴平衡b〕各缸终温一样

小于不如此分配时各缸终温中最高者，有利于光滑油任务及

使可靠性添加。c〕各级散热一样各中冷器散热相等〕最正确增压比的推行与讨论d〕各缸按比例减少

e〕对提高整机容积效率v有利2〕假设分级m，那么趋于定温紧缩

但由于体积庞大，系统复杂，

可靠性下降普通2-4级

3〕定温效率—isothermal

efficiency4〕真空泵(vacuum

pump)的本质也是压气机，是出

口压力为恒值—环境压力，进气压力不断降低的压气机。压气机定温效率活塞式压气机无论是单级或多级紧缩都应尽能够采用冷却措施，力求接近定温过程。工程上采用压气机的定温效率来作为活塞式压气机性能优劣的目的：4.6.2叶轮式压气机任务原理轴流式离心式机械能——添加动能—压力添加叶片扩压管活塞式和叶轮式压气机的比较活塞式压气机的特点：单位时间内产气量小间隙性的吸气和排气余隙容积的影响叶轮式压气机的特点：转速比活塞式压气机高能延续不断地吸气和排气每级的增压比小容易呵斥较大的摩擦损耗叶轮式压气机的热力过程特点：速度极高绝热紧缩分析：从热力学观念出发，虽然活塞式和叶轮式的构造和任务原理都不同，但紧缩过程中气体的形状变化本质上是一致的。0)2102=D=gwq〔且叶轮式压气机的热力过程1.理想紧缩过程：定熵紧缩过程1－2s叶轮式压气机的热力过程2.实践紧缩过程：不可逆绝热紧缩1－2’叶轮式压气机的评价目的用绝热内效率评价叶轮式压气机假设为理想气体，且比热容为定值时叶轮式压气机的实践效率4.7膨胀机中的热力过程膨胀机是利用紧缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的原理以获得冷量的机械。膨胀机常用于深低温设备中。膨胀机按运动方式和构造分为两类：活塞膨胀机主要适用于高压力比和小流量的中小型高、中压深低温设备。分立式和卧式两种，采用较多的是立式构造。透平膨胀机与活塞膨胀机相比，具有流量大、构造简单、体积小、效率高和运转周期长等特点，适用于大中型深低温设备。膨胀机运用核反响堆锅炉汽轮机t=320℃12或2’34冷凝器立式活塞膨胀机活塞膨胀机由于存在进、排气阀流动阻力、不完全膨胀、摩擦热、外热与内部热交换等引起的冷量损失，普通绝热效率为：高压膨胀机65～85％，中压膨胀机60～70％。60年代，采用加填充剂的聚四氟乙烯密封元件替代用油光滑的金属制密封元件，防止光滑油带入深低温精馏区或液化区，保证了平安。活塞膨胀机任务原理活塞膨胀机的任务原理与活塞压气机根本一样，只是作用相反。为减小活塞膨胀机尺寸，常采用不完全膨胀。为使一次循环能回收较多的功，紧缩过程常采用不完全紧缩。透平膨胀机以气体膨胀时速度能的变化来传送能量的膨胀机。该种膨胀机有单级和双级、立式和卧式、激动式和反动式之分。普通采用单级向心径流反动式透平膨胀机由于有喷嘴损失、叶轮损失、余速损失、轮盘摩擦损失、走漏损失、窜流损失和外热侵入损失,普通绝热效率为:中压膨胀机65～75％，低压膨胀机75～85％。60年代已制成带液膨胀机，大多用于天然气分别设备。透平膨胀机任务过程紧缩气体从高压p1、温度T1形状在膨胀机中作等熵膨胀至低压p2。实践任务过程中，由于有假设干能量损失，气体膨胀时不能够到达形状2，而只能到达形状2’。故绝热效率是指膨胀机在膨胀过程中实践焓降与等熵焓降之比。普通膨胀机绝热效率为60～85％。节流膨胀与定熵膨胀的关系节流膨胀：高压流体经过节流阀后迅速膨胀到低压的过程。特点：等焓过程微分节流效应：理想气体在节流过程中温度不发生变化。真实气体节流效应取决于气体的形状，在不同的形状下节流，具有不同的微分节流效应值。节流膨胀与定熵膨胀的关系定熵膨胀特点：等熵过程微分等熵温度效应：等熵膨胀与气体的属性及形状无关，对任何气体、任何形状都可产生制冷效应。这与节流膨胀不同。∴μS恒大于0节流膨胀与定熵膨胀的关系这就阐明了在一样条件下等熵膨胀系数大于节流膨胀系数,因此由等熵膨胀可获得比节流膨胀更好的致冷效果。∵任何气体均有V>0Cp>0∴恒大于零.积分等熵温度效应等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化。计算积分等熵温度效应的方法有4种：利用积分对于理想气体，绝热可逆过程T-S图法用等焓节流效应计算不可逆对外做功的绝热膨胀对活塞式膨胀机当t<30℃ηs=0.65当t>30℃ηs=0.7～0.47对透平机ηs=0.8～0.85不可逆对外做功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀效应和节流膨胀效应之间。ST122’等熵膨胀与节流膨胀的比较等熵膨胀与气体的属性及形状无关，对任何气体任何形状都产生制冷效应。制冷量：QOS>QOH设备与操作节流膨胀：简单，针形阀等熵膨胀：复杂，需求低温光滑油。操作条件与运转情况：普通大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀122’0TSP1P2这两种膨胀过程是制冷的根据，也是气体液化的根据。4.8锅炉中的热力过程锅炉从开场运用至今已有200余年的历史。18世纪末叶出现了圆筒形锅炉，其后，锅炉的方式和构造根本上是循着烟管锅炉和水管锅炉两个方向开展的。锅炉是利用燃料熄灭释放的热能〔或其他热能〕，将工质加热到一定参数〔温度和压力〕的设备。作用：将燃料的化学能转化为热能后传送给水〔或蒸汽〕的设备。蒸汽的用途：用于发电和动力方面的锅炉。该类蒸汽的温度和压力普通都很高。用于为工农业消费和建筑采暖。该类蒸汽的出口工质压力普通≤2.5MPa，蒸发量普通为0.1～65t/h。B&W消费的1300MW超临界锅炉简图世界上单机容量最大B&W消费的循环流化床锅炉简图哈锅及上锅消费的型布置电站锅炉哈尔滨锅炉厂及上海锅炉厂设计制造的220t/h、410t/h、1025t/h及2021t/h型布置电站锅炉锅炉的分类用途：动力锅炉、工业锅炉；输出工质：蒸汽锅炉、热水锅炉、导热油锅炉；燃料和能源：燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、余热锅炉；熄灭方式：层燃炉、室燃炉、沸腾炉；锅炉本体构造：烟管锅炉、水管锅炉；锅筒放置方式：立式、卧式锅炉；出厂方式：整装〔快装〕、组装、散装锅炉；…锅炉的主要参数锅炉的容量:额定出口蒸汽参数和进口给水温度以及在保证效率的条件下，延续运转时所必需保证的蒸发量(kg/s或t/h)锅炉出口蒸汽蒸汽温度:指锅炉主汽阀出口处〔或过热器出口集箱〕的过热蒸汽温度。锅炉给水温度:指省煤器进口集箱处的给水温度。锅炉出口蒸汽压力:指锅炉主汽阀出口处〔或过热器出口集箱〕的过热蒸汽压力。 ◆低压锅炉2.45MPa以下;中压2.49～4.9Mpa ◆高压9～9.8Mpa;超高压11.8～14.7MPa ◆亚临界压力15.7～19.6MPa ◆超临界压力22.0MPa以上锅炉的规格与型号JB/T1626-2002工业锅炉产品型号编制方法我国工业锅炉产品型号由三部分组成，各部分之间用短横线相连。△△△××—××/×××－×①②③④⑤⑥①本体方式代号②熄灭设备代号③额定蒸发量〔t/h〕或额定热功率〔MW〕④额定蒸汽压力或允许任务压力〔MPa〕⑤过热蒸汽温度或出水温度/进水温度〔℃〕⑥燃料种类代号举例：CLSG0.35——95／70——W12

表示常压锅炉立式水管固定炉排，额定热功率为0．35MW，额定出口水温度为95℃，额定进口水温度为70℃，燃用I类无烟煤，第二次设计的锅炉锅炉总体型式代号锅炉总体型式代号熄灭方式代号锅炉总体型式代号单锅筒立式DL单锅筒纵置式DZ单锅筒横置式DH双锅筒纵置式SZ双锅筒横置式SH纵横锅筒式ZH立式水管LS立式火管LH卧式外燃WW卧式内燃WN强制循环式QX燃烧方式代号抛煤机P振动炉排Z下饲炉排A沸腾炉F室燃炉S固定炉排G固定双层炉排C活动手摇炉排H链条炉排L往复炉排W燃料种类代号燃料种类代号褐煤HⅠ类劣质煤LⅠ贫煤PⅡ类劣质煤LⅡ型煤XⅠ类无烟煤WⅠ木柴MⅡ类无烟煤WⅡ稻糠DⅢ类无烟煤WⅢ甘蔗渣GⅠ类烟煤AⅠ油YⅡ类烟煤AⅡ气QⅢ类烟煤AⅢ燃料种类代号锅炉的燃料锅炉用燃料:固体、气体以及液体燃料煤是我国锅炉的主要燃料；动力燃料经常采用劣质煤、高炉煤气和焦炉煤气。电站锅炉耗费煤炭约1/2，工业锅炉耗费煤炭约1/3。煤的组成: C-〔20%-70%〕；H-〔2%-6%〕；O-〔1%-2%〕〔40%〕；N-〔0.5%-2.5%〕；S-〔〈1.5%〕；灰分A-〔10%-50%〕；水分M-〔10%-60%〕 工业分析常采用发热量Q作为参数。发热量单位质量的煤完全熄灭后所放出的热量称为煤的发热量。通常用氧弹测热器测定。氧弹测热器直接丈量出氧弹发热值，从中扣除硫和氮熄灭生成的硫酸和硝酸的溶解热后，就是煤的高位发热量〔Qgr〕；继而扣除煤中水分和氢熄灭生成的水蒸气的潜热后，即为煤的低位发热量〔Qnet〕。我国在有关锅炉计算中以低位发热量为准。为了便于煤耗目的的可比性，工程中常引入“规范煤〞的概念，规定规范煤的低位发热量为29.3MJ/kg〔7000kCal/kg〕。各类能源折算规范煤的参考系数能源称号平均低位发热量折规范煤系数

原煤20934千焦／公斤0.7143公斤标煤／公斤

洗精煤26377千焦／公斤0.9000公斤标煤／公斤

其他洗煤8374千焦／公斤0.2850公斤标煤／公斤

焦炭28470千焦／公斤0.9714公斤标煤／公斤

原油41868千焦／公斤1.4286公斤标煤／公斤

燃料油41868千焦／公斤1.4286公斤标煤／公斤

汽油43124千焦／公斤1.4714公斤标煤／公斤

煤油43124千焦／公斤1.4714公斤标煤／公斤

柴油42705千焦／公斤1.4571公斤标煤／公斤

液化石油气47472千焦／公斤1.7143公斤标煤／公斤

炼厂干气46055千焦/公斤1.5714公斤标煤／公斤

天然气35588千焦/立方米12.143吨/万立方米

焦炉煤气16746千焦/立方米5.714吨/万立方米

其他煤气3.5701吨/万立方米

热力0.03412吨／百万千焦

电力3.27吨/万千瓦时锅炉的熄灭方式层燃熄灭:原煤中只需特别大的煤块进展破碎后，就从煤斗进入炉膛，煤层铺在炉排上进展熄灭。悬浮熄灭:原煤首先被磨成象面粉那样的煤粉，然后经过熄灭器随风吹入炉膛进展悬浮熄灭。这种熄灭方式也同样用来熄灭气体和液体燃料。流化床熄灭:原煤经过专门设备破碎为0～8mm大小的煤粒，在炉膛的底部布置了布风板，来自布风板的高速鼓风将煤粒托起，熄灭过程如烧米粥一样，煤粒犹如米粒，在炉膛中上下翻腾地熄灭。锅炉的组成锅炉本体：“锅〞、“炉〞“锅〞－吸热。包容水和蒸汽的受压部件，包括锅筒〔汽包〕、对流管束、水冷壁、集箱〔联箱〕、蒸汽过热器、省煤器和管道组成的一个封锁的汽水系统。“炉〞－放热。锅炉中使燃料进展熄灭产生高温烟气的场所，是由煤斗、炉排、炉膛、除渣板、送风安装等组成的熄灭设备。锅炉辅助设备燃料供应与除灰渣系统通风系统水－汽系统仪表控制系统锅炉的根本构造锅炉及其辅助设备系统简图①─煤斗；②─给煤机；③─磨煤机；④─空气预热器；⑤─排粉风机；⑥─熄灭器；⑦─炉膛;⑧─水冷壁；⑨─屏式过热器；⑩─高温过热器；⑾─低温过热器；⑿─省煤器；⒀─除尘器；⒁─吸风机；⒂─烟囱；⒃─送风机；⒄─锅筒；⒅─下降管；⒆─顶棚过热器；⒇─排渣室SHL锅炉构造锅炉的任务原理水汽煤灰风蒸发受热面循环回路表示图自然循环锅炉锅筒〔汽包〕是锅炉中最重要的受压元件，其作用为：衔接上升管和下降管组成自然循环回路，接受从省煤器来的给水，同时向蒸汽过热器保送饱和蒸汽。锅筒中储存有一定量的饱和水，所以锅炉短时间的供水中断，不会立刻发生锅炉事故。另外起缓冲气压的作用。锅筒内部安装可净化蒸汽，获得质量良好的蒸汽。

锅炉热力过程分析定压预热定压汽化定压过热锅炉能量平衡图Qr－锅炉的输入热量；Q1－锅炉的有效利用热量；Q2－排烟热损失；Q3－可燃气体不完全熄灭热损失〔化学不完全熄灭热损失〕；Q4－固体不完全熄灭热损失〔机械不完全熄灭热损失〕；Q5－锅炉散热损失；Q6－其他热损失〔包括灰渣物理热损失及冷却热损失等〕。锅炉的热平衡方程锅炉的热平衡方程锅炉的输入热量＝锅炉有效利用热量＋各项热损失之和锅炉的热效率锅炉的热效率:是锅炉的总有效利用热量占据锅炉输入热量的百分比。在设计锅炉时，可以根据热平衡求出锅炉的热效率：锅炉热效率可以经过热平衡实验的方法测定，测定方法有正平衡、反平衡两种。锅炉的毛效率η和净效率ηj锅炉设备运转时要耗费自用蒸汽和自用电能。不扣除自用蒸汽和不思索自耗动力折算的热量，所计算出的锅炉热效率称为毛效率。扣除自用蒸汽和思索自耗动力折算的热量，所计算出的锅炉热效率称为锅炉的净效率。6.9汽轮机中的热力过程汽轮机是以蒸汽为工质、将高温高压蒸汽的热能转变为机械功的高速旋转式机械。主要用作发电原动机，也用来直接驱动各种泵、风机、紧缩机和船舶螺旋桨等。汽轮机剖面汽轮机的分类1、按任务原理分激动式汽轮机反动式汽轮机2、按热力特性分凝汽式汽轮机背压式汽轮机抽汽式汽轮机抽汽背压式汽轮机多压式汽轮机3、按主蒸汽压力分汽轮机类别主蒸汽压力低压汽轮机0.12~1.5MPa中压汽轮机2~4MPa高压汽轮机6~10MPa超高压汽轮机12~14MPa亚临界压力汽轮机16~18MPa超临界压力汽轮机>22.1MPa超超临界压力汽轮机>32MPa汽轮机型号的表示方法ΔXX-XX-XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：N300-16.7/538/538300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为538ºC,再热蒸汽温度538ºC。代号型式代号型式N凝汽式CB抽汽背压式B背压式CY船用C一次调整抽汽式Y移动式CC两次调整抽汽式HN核电汽轮机汽轮机的理想过程理想过程：可逆绝热实际功：技术功=进出口蒸汽的焓差汽轮机的任务原理级是汽轮机中最根本的任务单