第六章—热力循环.ppt

1、6热力学循环，工作介质从某一状态开始，经过一系列过程后回到其初始状态。这些过程的综合称为热力学循环。在工程中，一种形式的能量通过特定的热力学循环转化为另一种形式的能量，从而实现能量转换。热力循环的分类，是否可逆，正循环和逆循环，能量转换形式如逆循环分为制冷循环和热泵循环，蒸汽循环和其他气体循环燃料燃烧方式，内燃和外燃，6.1蒸汽动力循环，蒸汽动力循环是一个正循环，它利用蒸汽作为工作介质将蒸汽的热能转换成动力装置中的机械功。本文主要介绍：蒸汽卡诺循环、朗肯循环、优化朗肯循环(朗肯循环的改进)、热电联产循环。6.1.1蒸汽卡诺循环，在确定的温度之间工作的热力循环，卡诺循环具有最高的效率。然而，以远

2、离液态的气体为工作介质，恒温吸热和恒温放热两个过程实际上很难实现。此外，在p-v图上，气体的等温线和绝热线的斜率差别不大，导致四个过程线围成的小区域和由循环完成的小功。使用湿蒸汽作为工作介质可以克服气体的缺点。在湿蒸汽区(气液混合区)，工质的恒压过程是等温过程，在恒温下吸热放热。例如锅炉中水的蒸发和冷凝器中的冷凝。等温线和绝热线的斜率差别很大，需要做更多的工作。在实际生产中，不使用蒸汽卡诺循环，卡诺循环的前三个过程可以近似实现，但绝热压缩(c5)过程很难实现，因为该过程中的工作介质是汽液混合物，缺乏合适的设备；恒熵膨胀末期，蒸汽湿度高，不利于汽轮机的运行；蒸汽的比容是水的几千倍，压缩时体积变化

3、很大，设备庞大，功耗大。蒸汽卡诺循环限于湿蒸汽区，上限温度受临界温度(374.15)限制，热效率不高，每个循环完成的功也不大。6.1.2朗肯循环，6.1.2.1工作原理，蒸汽动力循环系统，朗肯循环的pv和Ts图，朗肯循环不同于蒸汽卡诺循环，排出蒸汽的冷凝是完全的冷凝水被泵入锅炉，而不是使用压缩机来增加过热器排出蒸汽的干燥度，6.1.2.2朗肯循环的热效率，在恒压吸热过程中吸热，循环热效率、净功、水泵定熵压缩功耗、凝汽器定压放热、汽轮机定熵膨胀技术功、循环热效率也可以用平均温度、吸热温度、放热温度、工程上常用的蒸汽消耗率来表示，反映单位经济性和设备规模，蒸汽消耗率d:单位输出蒸汽功率的蒸汽消耗为

4、1kWh(3600kJ)。蒸汽率，能量守恒(不考虑损耗):是电功率，千瓦是蒸汽消耗，千克/小时，6.1.2.3蒸汽参数对循环热效率的影响取决于：h1:入口蒸汽焓(过热蒸汽)p1，t1 h2:排出蒸汽焓p2 h3:冷凝焓p2兰金循环热效率取决于p1，蒸汽压力p1和蒸汽初始温度t1，在恒定p1和p2的前提下，提高t1，提高效率和排汽质量，这有利于提高汽轮机安全性t1，并且对耐热性和强度有较高的要求，这受到过热器材料和汽轮机前几级叶片材料的限制。目前，初始蒸汽温度一般在550左右。在p1和t1不变的前提下，排汽压力p2降低，效率提高，p2降低，干燥度降低。废气压力取决于冷凝器的冷凝温度，该温度受环境

5、温度的限制。目前，大型机组的p2为0.00350.005MPa，相应的饱和温度约为2733，接近实际可能的最低值国内锅炉和汽轮发电机组初始参数简表，6.1.2.4实际循环，朗肯循环是一种理想的可逆循环。在实际的蒸汽发电厂中，每个过程都是不可逆的。流体流动存在阻力，非恒定工作介质在吸热和放热过程中存在温差。汽轮机使管道的外部散热扩大，蒸汽与叶片之间存在摩擦。实际循环的效率低于理想朗肯循环。根据具体的不可逆条件，汽轮机中存在摩擦损失、实际功、可逆功、汽轮机的相对内部效率。当汽轮机向发电机做功时，轴承和其他地方会有摩擦损失，因此会有机械效率。汽轮机输出的有效功和锅炉中由化学能转化为热能q1的燃料也有

6、损失，所以有管道效率、汽轮机绝对内部效率、锅炉效率中的凝汽器效率和发电机效率、汽轮机总热效率、汽轮机输出的有效功和实际循环。在汽轮机功率的设计计算中，如果蒸汽消耗为d，kg/h、那么理想循环功率、有效输出功率和实际蒸汽动力循环热效率。例1:某远洋船舶使用蒸汽动力装置作为动力，运行在兰金循环中。如果初始蒸汽状态为p1=6MPa，t1=560，冷凝器中的蒸汽压力为p2=0.006MPa，(1)寻找汽轮机出口处的蒸汽干燥度；(2)如果不考虑水泵的功耗，计算装置的热效率t；(3)如果装置功率为10MW，计算每小时蒸汽消耗量。6.1.3朗肯循环的改进：朗肯循环中有两个恒压和非恒温吸热过程：4-5在恒压下

7、将过冷水加热至沸腾饱和水；6-1在恒压下将饱和蒸汽加热至过热状态。两种工艺之间存在较大的传热温差，这是循环效率低的主要原因。为了提高效率，工程实践中经常对朗肯循环进行改进，采用回热循环和再热循环。6.1.3.1再生循环，理想的再生循环很难实现。首先，锅炉给水在蒸汽轮机中被加热到沸腾，这很难控制(45)。其次，膨胀终点D的干燥度太小，不利于汽轮机的运行。事实上，采用了提取热回收循环。提取蒸汽再生是指提取一些已经在汽轮机中间阶段做功的蒸汽，并将其送至再生加热器以加热锅炉给水的过程。相应的热力循环称为再生循环。因为T-s图上每个点的质量不同，面积不再直接代表热量和功。提取体积和热效率的计算，热力学第

8、一定律，循环功，循环热效率，循环吸热，循环放热，朗肯循环热效率、进行了整理，提取循环热效率，100%利用kg工质，1- kg工质效率不变，因此提高了提取再生的热效率。因此，为了提高给水温度并在汽轮机中尽可能多地做功，通常采用分级抽汽的方法。抽汽蓄热循环的特点，小型火力发电厂的蓄热阶段一般为13；大中型火力发电厂一般为48级。优点：提高热效率，减小汽轮机低压缸尺寸，缩短末级叶片，减小凝汽器尺寸，减少锅炉受热面的抽汽，可作为除氧器的热源。缺点：减少循环工作，增加蒸汽消耗率，增加设备复杂性，增加再生器投资。缺点：例2:蒸汽发电厂根据第一阶段提取和再生(混合)的理想循环工作。如图所示，已知新蒸汽参数p

9、15MPa，t1=430，汽轮机排气压力p20.006MPa，抽汽压力pA=1MPa，因此忽略泵功率。试着定性地画出循环的T-S；提取系数；循环吸热Q1、放热q2和输出净功wnet；循环循环功、循环热效率、循环吸热和再热循环热效率与再热压力有关。目前，再热中间压力为初始压力的2030，此时循环效率可提高25%。一般采用一次加热。6.1.4热电联产循环发电以提供低品位热能。在现代大型蒸汽动力循环中，尽管采用了高温高压蒸汽再加热和再加热措施，循环的热效率仍低于50。燃料中超过一半的热能通过冷凝器转移到大气中。这部分低品位热能可以通过热电联产回收。在火力发电厂中，已经在汽轮机中使用的具有较低参数的蒸

10、汽的热量被提供给热用户。这种同时产生电能和热能的热力学过程称为热电联产。热电联产热电厂向邻近的工厂和居民提供蒸汽和热水，同时向电网供电。最简单的热电联产循环是使用背压式汽轮机。排气压力增加，动力循环的热效率降低。原本需要由另一台锅炉提供的蒸汽被汽轮机排出的蒸汽所取代。节能量大于因动力循环效率降低而损失的能量，综合节能效果明显。背压式汽轮机的流程与朗肯循环相同，只是没有冷凝器，排汽压力增加到与所需蒸汽温度相对应的压力。背压式热电联产循环要求机械功和热负荷之间有一定的比例才能正常工作。也就是说，供热和供电相互影响。当供汽量改变时，电源也随之改变，对热力参数有不同要求的用户不能同时供汽。在工程实践中

11、，常采用抽汽式热电联产循环，即从汽轮机中抽出一定压力的蒸汽供给热用户，其余蒸汽继续膨胀做功。(如下图所示)在这种热电循环中，热电供应几乎没有相互影响，不同的压力可以用来提取蒸汽以满足各种加热要求。在热电联产循环的经济评价中，只使用热效率和能量利用系数显然不全面，但没有考虑热电的不同等级。热电联产和集中供热是发展方向，既经济又环保。动力循环、制冷(热泵)循环和制冷制冷循环输入功(或其他费用)，从低温热源取热，从动力循环输入热，通过循环输出功。热泵循环输入功(或其他成本)以向高温热用户供热，正循环，逆循环，逆循环，6.2制冷循环。在工业生产和生活中，经常需要保持低于环境温度的适当低温。为了获得并保

12、持这个合适的温度，有必要将热量从低温环境传递到高温环境。这叫做制冷。热力学第二定律表明，为了实现从低温到高温的非自发传热过程，必须通过消耗外部能量来逆转工质。这种获得和保持低温的装置称为制冷装置。该装置中工作介质的逆向循环称为制冷循环。工作介质被称为制冷剂。制冷循环和制冷系数、T0环境、T2制冷机、反向卡诺循环、q1、q2、W、T2制冷机、Q1、Q2、W、制冷循环类型、蒸汽压缩、当空气温度降至待冷却物体的温度以下时，空气可用于冷却。因为空气在恒温下很难吸热和放热，所以不能按照逆卡诺循环进行。因此，以空气为工质的制冷循环用两个恒压过程代替了逆卡诺循环中的两个恒温过程。6.2.1压缩空气制冷循环，

13、压缩空气制冷循环装置，理想处理：理想气体；恒定比热；压缩空气制冷循环的可逆、p-v图和T-s图，即单位质量空气的制冷量、循环吸收低温热源(蓄冷)的热量、压缩机消耗的功、给高温热源(冷却水)的热量、膨胀机回收的功、消耗的净功、制冷系数，因此，制冷系数称为压缩比。如果在相同的温度范围内进行逆向卡诺循环，温度范围应在蓄冷温度T1(即， 制冷剂在热交换蒸发器处的出口温度)和环境温度T3(即制冷剂在冷却器出口处达到的最低温度)，在相同的温度极限下，逆向卡诺循环的制冷系数较大。 从T-s图还可以看出，反向卡诺循环(面积11 33 1)的耗电量小于压缩空气制冷循环(面积)的耗电量。反向卡诺循环(面积31ba

14、3)的制冷量大于压缩空气循环(面积41ba4)。由于空气的定压比热容(1.004kJ/kgK)很小，温差不能太大(越大，压力比越高，制冷系数越低)，活塞式压缩机和膨胀机循环工质的质量流量不能太大(否则，设备巨大)，所以压缩空气制冷循环的制冷量很小。压缩空气制冷循环的制冷量为0，难以实现恒温吸热和放热，制冷系数小。考虑到蓄冷器和冷却器之间的传热温差以及压缩和膨胀的不可逆性，实际制冷系数远小于理想制冷系数。由于上述缺点，这种压缩空气制冷循环很快就被淘汰了。近年来，由于大量叶轮机械的发展，克服了活塞机械对大流量的限制，同时采用了蓄热式加热，因此压缩空气制冷在工业上再次得到应用。例3:在压缩空气制冷设

15、备中，压缩机的压力比为5，进入膨胀机的空气温度为30，离开冷藏室的温度为-10。尝试计算循环冷却系数、循环比吸热q2和循环比功耗w0。空气压缩制冷的基本缺陷：2 .q2=cp(T1-T4)很小，制冷能力q2很小。汽化潜热大，制冷能力可能大。6.2.2蒸汽压缩制冷循环以蒸汽为工质，进行蒸汽压缩制冷循环：蒸汽的液化过程和液体的气化过程都是在恒压和恒温的条件下进行的，因此在恒温下很容易吸热和放热，理论上可以实现逆向卡诺循环。工作介质不是通过温度变化，而是通过吸收气化潜热来吸收蓄冷热量。汽化潜热相对较大，因此蒸汽压缩制冷循环的制冷量远大于空气压缩制冷循环。在相同温度范围内最经济的制冷循环是蒸汽逆向卡诺

16、循环，如下图所示：12制冷剂在压缩机中被绝热压缩，制冷剂从湿蒸汽变为饱和蒸汽，消耗功；23制冷剂在冷凝器中以恒定的压力和温度冷凝并释放热量，功和质量从饱和蒸汽变为饱和液体，释放热量；34膨胀机中绝热膨胀过程， 其中制冷剂从饱和液体变为湿蒸汽，并在外部进行膨胀工作：41在蒸发器中恒压和恒温的蒸发和吸热过程中，工作介质仍然是湿蒸汽，但干燥度逐渐增加，因此制冷系数为：如果制冷机按照蒸汽压缩的逆卡诺循环运行，绝热压缩过程和绝热膨胀过程都在湿蒸汽区，因此由于液体的不可压缩性，液滴将冲击制冷剂的流动在实际的蒸汽压缩制冷循环中，工质在冷库中被恒温恒压的湿蒸汽气化成干燥的饱和蒸汽，然后进入压缩机绝热压缩成过热蒸汽，在冷凝器中冷凝成恒压放热的饱和液体，再进入节流阀降温成湿蒸汽。1-2:绝热压缩过程