热工基础第六章.ppt

1、1,第六章 动力装置循环,2,热能动力装置 ：,将热能转换为机械能的设备，也称为热力发动机，简称热机。,动力装置循环（简称动力循环或热机循环）：,蒸汽动力装置循环:,气体动力装置循环:,以蒸汽为工质的热机工作循环（如蒸汽机、蒸汽轮机等）。,以气体为工质的热机工作循环（如内燃机、燃气轮机等）。,3,研究热机循环的目的：,分析其热能利用的经济性（即热效率）、影响热效率的因素、寻找提高热效率的途径。,研究热机循环的方法：,建立实际循环的简化热力学模型，用简单、典型的可逆过程和循环来近似实际复杂的不可逆过程和循环，通过热力学分析确定其基本规律。,4,6-1 蒸汽动力装置循环,火力发电厂的蒸汽动力装置以

2、水蒸气为工质，主要由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵四个设备组成。,5,1. 朗肯循环,朗肯循环是一个简化的理想蒸汽动力循环，由4个理想化的可逆过程组成：,4-5-6-1：水与水蒸气在锅炉中的可逆定压加热过程；,1-2：水蒸气在汽轮机中的可逆绝热膨胀过程；,2-3：乏汽在冷凝器中的定压放热过程。,3-4：水在给水泵中的可逆绝热压缩过程;,6,2. 朗肯循环的净功及热效率,在朗肯循环中，每千克蒸汽对外所作出的净功,根据稳定流动能量方程式,每千克蒸汽在锅炉中的定压吸热量为,根据热效率定义，可得朗肯循环的热效率为,7,由于水的压缩性很小，水泵消耗的功与汽轮机作出的功相比甚小，可忽略不计，,汽耗率,：动力装

3、置每输出1J功所消耗的蒸汽量,单位：kg/J,工程单位：kg/（kWh),1 kWh = 3600 kJ,1 kg/J = 3600 kg/(kWh),8,3蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响,朗肯循环的热效率 与新蒸汽的温度t1(初温)、压力p1(初压)、以及乏汽的压力p2(终压)有关。,将朗肯循环折合成熵变相等、吸（放）热量相同、热效率相同的卡诺循环。,提高吸热平均温度或降低放热平均温度都可以提高循环的热效率。,9,(1) 蒸汽初温t1的影响,保持p1、p2不变，将t1提高，则吸热平均温度提高，循环热效率将提高；乏汽干度增加有利于汽轮机安全工作。 提高t1受材料耐热强度限制。,(2) 蒸汽初压

4、的影响,保持t1、 p2不变，提高p1，将提高吸热平均温度，提高循环的热效率。然而，乏汽的干度减小，将影响汽轮机后几级叶片安全。x 0.85,10,(2) 乏汽压力的影响,保持t1、 p1不变，降低p2，则对应的饱和温度T2（即放热温度）降低，循环热效率将有所提高。但是，终压的降低受冷凝器冷却介质温度(环境温度)的限制。,结论：为了提高蒸汽动力循环的热效率，应尽可能提高蒸汽的初压和初温，并降低乏汽压力。,11,4提高蒸汽动力循环热效率的其他途径,（1）再热循环,再热可以增加蒸汽的干度，以便在初温限制下采用更高的初压，从而提高循环热效率。通常一次再热可使热效率提高 23.5。,再热循环的设备复杂

5、，投资大，只有蒸汽压力在13MPa 以上的大型火力发电厂才采用。,12,（2）回热循环,回热循环提高了吸热平均温度，提高了循环热效率。抽汽量的大小根据质量守恒和能量守恒确定，应使kg抽汽所放出的热量等于(1-)kg凝结水加热到抽汽压力下的饱和温度。,13,根据热力学第一定律，回热加热器中的能量平衡式为,循环热效率为,抽汽压力取决于锅炉前给水温度(t10 t9 )。,回热级数：级数愈多，t愈高，费用愈大。小型发电厂13级，中大型发电厂48级。,14,（3）热电联供循环,1）背压式汽轮机热电联 供循环,2）抽汽式汽轮机热电联供循环,热电联供：用发电厂乏汽的余热来满足热用户的需要。（热电厂）,能量利

6、用系数,两个热经济性指标：t、K,15,6-2 活塞式内燃机循环,气体动力循环分类：,按结构,活塞式：,汽车，摩托，小型轮船,航空，大型轮船，移动电站,叶轮式：,按燃料,小型汽车，摩托,中、大型汽车，火车，轮船，移动电站,汽油机：,柴油机：,煤油机：,航空,点燃式、压燃式,按点燃方式：,按冲程数：,二冲程、四冲程,16,单缸汽油机构造示意图,以四冲程柴油机为例分析其实际工作循环,17,1. 活塞式内燃机实际循环与理想循环,1）进气冲程0-1：活塞从汽缸上死点下行，进气阀开启，吸入空气。由于进气阀的节流作用，气缸内气体的压力约低于大气压力。,2）压缩冲程1-2：活塞到达下死点1时，进气阀关闭；活

7、塞上行，压缩空气。,12 为多变压缩，p2= 35MPa ，t2=600800， 2 点开始喷进柴油，柴油自燃温度约为205。,柴油机工作的4个冲程：,(1) 活塞式内燃机实际循环,18,3）动力冲程2-3-4-5 ：,23 柴油迅速燃烧，活塞在上死点移动甚微，近似定容燃烧，压力迅速升至59 MPa 。,34 活塞下行，继续喷油、燃烧、近似定压膨胀， 4点喷油停止，温度达17001800 。,45 燃气膨胀作功，压力、温度下降，活塞到5点时，压力约 0.30.5 MPa，温度约500 。,4）排气冲程5-0：活塞到下死点5时，排气阀打开，部分废气排出，而活塞移动极微，接近定容降压过程。活塞开始

8、上行，将气缸中剩余气体排出，完成一个实际循环。,19,对实际循环加以合理的抽象、概括和简化：,1) 忽略实际过程中进、排气阀的节流损失；进气过程与排气过程互相抵消；认为废气与吸入的新鲜空气状态相同；忽略喷入的油量，假设一定量的工质在气缸中进行封闭循环。,2) 假定工质是化学成分不变、比热容为常数的理想气体空气。,3)忽略工质、活塞、气缸壁之间的热交换及摩擦阻力，认为工质的膨胀和压缩过程是可逆绝热的。,4) 将燃烧过程看成是工质从高温热源可逆吸热过程，将排气过程看成是工质向低温热源可逆放热过程。,5) 忽略工质的动、位能变化。,(2)活塞式内燃机理想循环,20,12：可逆绝热压缩过程；23：可逆

9、定容加热过程；34：可逆定压加热过程；45：可逆绝热膨胀； 51：可逆定容放热过程。,活塞式内燃机理想混合加热循环（萨巴德循环）,21,压缩比：,升压比：,预胀比：,2. 活塞式内燃机理想循环分析,为了说明内燃机的工作过程对循环热效率的影响，引入下列内燃机的特性参数：,表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。,表示定容加热过程工质压力升高的程度。,表示定压加热时工质体积膨胀的程度。,22,单位质量工质的吸热量：,单位质量工质的放热量：,循环热效率：,（1） 混合加热循环,23,各点温度可由以下过程求得 ：,由可逆定容过程23得 ：,由可逆定压过程34得 ：,由可逆绝热过程45得 ：,由可逆绝热过程

10、12得 ：,24,将各点温度代入循环热效率表达式：,由上式可见，混合加热循环的热效率与多种因素有关，当压缩比 增加、升压比 增加以及预胀比 减少时，都会使混合加热循环的热效率提高。,25,（2） 定容加热循环 （奥图Otto循环),汽油机和煤气机的理想循环,循环热效率：,定压预胀比：,26,（3）定压加热循环 （狄塞尔循环),早期低速柴油机的理想循环，现已被淘汰。,循环热效率：,定容升压比：,27,3. 影响内燃机理想循环热效率的主要因素,（1） 压缩比 的影响,汽油燃点低，易爆燃，压缩比受限制。,提高压缩比是提高内燃机循环热效率的主要途径之一 。,柴油机热效率一般高于汽油机，但汽油机小巧。,一般柴油机,一般汽油机：,28,（2）绝热指数 的影响, 值大小取决于工质的种类和温度 。,潜艇用氦气：,29,（3）升压比 和预胀比 的影响,当压缩比 和绝热指数 一定时，,30,4. 三种活塞式内燃机理想循环的比较,（1）进气状态、最高压力、最高温度彼此相同,三种理想循环的放热量相同,三种理想循环的吸热量,三种理想循环的热效率,用下角标V、m、p分别代表定容加热循环、混合加热循环、定压加热循环。,31,（2）进气状态、最高