1、第九讲山东大学机械工程学院过程装备与控制工程研究所过程装备与控制工程专业本讲内容4-2 典型过程装备中的热力过程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理论耗功、余隙容积对压气机理论耗功的影响、多级压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工作原理。掌握压气机的余隙容积、分级压缩和中间冷却的必要性。熟悉节流膨胀和定熵膨胀的关系。了解锅炉和汽轮机的结构和工作原理。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
2、过程压气机是生产压缩气体的设备，它不是动力机，而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工作机。压缩气体的用途：动力机、风动工具、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：1.按工作原理和构造：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、特殊引射式压缩器。2.按压缩气体压力范围：通风机（110 kPa)、鼓风机（110400 kPa)、压气机（400 kPa)。（绝压）航空航天用WP7压气机转子转子-工作叶片、轮盘、轴工作叶片、轮盘、轴静子静子-静子叶片、内外环、机匣静子叶片、内外环、机匣往复式
3、压气机n当压缩空气时，往往伴随水蒸气凝结。V型空气压缩机注意注意：压气机生产量通常用单位压气机生产量通常用单位时间里生产气体的标准立方米表时间里生产气体的标准立方米表示，不同于进气或排气状态示，不同于进气或排气状态。4.6.1单级活塞式压缩机的结构 结构简图结构简图 主要部件：1、活塞 2、气缸 3、滤清器 4、吸、排气阀 5、散热肋片空气进口空气进口排入空气瓶中排入空气瓶中单级活塞式压缩机的工作原理工作原理：f-1：吸气，传输推动功 p1v11-2：压缩，耗外功21 21dwp v2-g：排气，传输推动功 p2v2图中图中2-32-3和和4-14-1不是状态变不是状态变化，而是表示气缸内气体
4、化，而是表示气缸内气体质量的变化。质量的变化。压气机理论耗功：压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机耗功应等于压缩过程耗功与进、排气过程推动功的代数和。压气功的耗量可认为等于技术功。wC取决于初、终态及过程特征。单级活塞式压缩机的理论耗功2C1 1221dWpVp Vp V21dtV pW 可能的压气过程1.特别快，来不及换热。绝热过程2.特别慢，热全散走。定温过程3.实际压气过程是 多变过程2p1p1T2n2s2pvT2n21Ts1ps22p单级活塞式压缩机的理论耗功 三种压气过程的理论耗功：1.绝热压缩绝热压缩2.等温压缩等温压缩C,g 1lnTwR T3.多变压缩多变压
5、缩1C,1 111nnnnwpvnC,21sswhh1g 111R T12pp增压比增压比单级活塞式压缩机的理论耗功讨论：1.对压缩机而言，示功图 p-V 图所包围的面积表示压缩机的耗功，从 p-V图可以看出定温压缩耗功最少，而绝热压缩所消耗的机械功最大。因此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而且保证润滑条件。2.通常为多变压缩,1nk。p2pp10V2”V21V22”62v43255 5”V1定温多变绝热C,C,C,snTwwwTnsTTT222余隙容积 余隙容积：空气压缩机在排气时，活塞位于上死点位置，它和气缸壁保留一部分空间，这些空间叫作余隙容积 原因：防止排气时，活塞与气缸壁碰撞，引起
6、事故。压气机余隙容积的存在，则余隙容积残留气体在工作中产生气垫作用，增强压气机在运行中的平稳性。影响：生产量、理论耗功有余隙容积的压气机工作过程工作过程：基本概念：4-1 气体吸入气缸（质量m1）1-2 气体压缩：p1p22-3 气体排向储气罐3-4 气体膨胀：p1p2活塞排量 Vh=V1V3 余隙容积 Vc=V3有效吸气容积 Ve=V1V4 余隙容积比 =Vc/Vh容积效率 v=Ve/Vh1411VVmmV生产量余隙容积使得容积效率降低，气体生产量减小。1mm生产量生产量(每周期)容积效率容积效率:11111112nnhchevppVVVV讨论：;)确定，当hcVVa生产量mv;)一定当b生
7、产量mVVvcsc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 依靠单级压缩往往难以 达到工程所要求的高压 对于压力较高的情况，一般采用双级压缩和 中间冷却。VsVcVpV吸p2pb3421243P23”(2”)P2”n11max余隙容积对理论耗功的影响C1 23 4ttWWW1111144111nnnnVpnnVpnn111411nnVVpnn11111nnpvnnm生产量1CC1111nnWnwv pmn生产量1C,1 111nnnnwpvn有余隙容积和无余隙有余隙容积和无余隙容积时，压缩容积时，压缩1kg 气体气体所消耗的功是相同的所消耗的功是相同的余隙容
8、积的影响小结1.1.余隙容积的存在，是避免活塞与进排气阀碰撞必须的。余隙容积的存在，是避免活塞与进排气阀碰撞必须的。2.2.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，使容积效率降低，每周期吸气量变小。3.3.余隙容积的存在，对压缩定量气体的理论耗功没有影响。余隙容积的存在，对压缩定量气体的理论耗功没有影响。4.4.余隙容积的存在，使得单级增压具有最大值。余隙容积的存在，使得单级增压具有最大值。多级压缩和级间冷却 多级压缩和级间冷却是指气体依次在几个气缸中连续压缩，同时为了避免过高的温度和减少气体的比容以降低下一级所消耗的功，在前一级压缩后，将气体引入中间冷却器进行定压冷
9、却至初始温度，然后进行下一级继续压缩，直到所需要的压力为止。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压缩机 p-V 图p30p2p1134252多变过程定温线33双级压缩省功省功而且压缩终压缩终温较低温较低，有利于润滑。单级压缩：面积012340p1p3：双级压缩：面积0122340pV1n低压缸2p中冷器2n高压缸3润滑油要求t0 Cp0V0 Cp0恒大于零恒大于零.积分等熵温度效应等熵膨胀时，压力变化等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度为有限值所引起的温度变化。变化。计算积分等熵温度效应计算积分等熵温度效应的方法有的方法有4 4种：种：1.1.利用积分利用积分2
10、.2.对于理想气体，绝热可对于理想气体，绝热可逆过程逆过程3.3.T-ST-S图法图法4.4.用等焓节流效应计算用等焓节流效应计算dpTTTppss2112dpCVdpTpppppJs2121不可逆对外做功的绝热膨胀 对活塞式膨胀机 当当t t 30 s=0.7t30 s=0.70.470.47 对透平机 s=0.80.85 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理想功实际功SRSWWs等熵膨胀与节流膨胀的比较 等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。制冷量：QOSQOH 设备与操作1.节流膨胀：简单，针形阀2.等熵膨胀：复杂
11、，需要低温润滑油。操作条件与运行情况：一般大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀HTsT 1220TSP1P2这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。4.8 锅炉中的热力过程锅炉从开始应用至今已有200余年的历史。18世纪末叶出现了圆筒形锅炉，其后，锅炉的形式和结构基本上是循着烟管锅炉和水管锅炉两个方向发展的。锅炉是利用燃料燃烧释放的热能（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递给水（或蒸汽）的设备。蒸汽的用途：1.用于发电和动力方面的锅炉。该类蒸汽的温度和压力一般都很高。2.用于为
12、工农业生产和建筑采暖。该类蒸汽的出口工质压力一般2.5MPa，蒸发量一般为0.165t/h。B&W生产的1300MW超临界锅炉简图 世界上单机容量最大B&W生产的循环流化床锅炉简图哈锅及上锅生产的型布置电站锅炉 哈尔滨锅炉厂及上海锅炉厂设计制造的哈尔滨锅炉厂及上海锅炉厂设计制造的220t/h220t/h、410t/h410t/h、1025t/h1025t/h及及2008t/h2008t/h 型布置电站锅炉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；燃烧方式：层燃炉、室燃炉、沸腾炉；锅炉本体结构
13、：烟管锅炉、水管锅炉；锅筒放置方式：立式、卧式锅炉；出厂形式：整装（快装）、组装、散装锅炉；锅炉的主要参数 锅炉的容量锅炉的容量: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，连续运行时所必须保证的蒸发量(kg/s或t/h)锅炉出口蒸汽蒸汽温度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2.45 MPa以下;中压2.49 4.9 Mpa 高压9 9.8 Mpa;超高压11.8 14.7 MPa 亚临界压力
14、15.7 19.6 MPa 超临界压力22.0 MPa以上锅炉的规格与型号 JB/T 1626-2002 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。/本体形式代号 燃烧设备代号 额定蒸发量（t/h）或额定热功率（MW）额定蒸汽压力或允许工作压力（MPa）过热蒸汽温度或出水温度/进水温度（）燃料种类代号 举例：CLSG 0.359570W12表示常压锅炉立式水管固定炉排，额定热功率为035 MW，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燃烧方式代号锅炉总体型式代号单锅筒立式DL单锅筒纵
15、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H类劣质煤L贫煤P类劣质煤L型煤X类无烟煤W木柴M类无烟煤W稻糠D类无烟煤W甘蔗渣G类烟煤A油Y类烟煤A气Q类烟煤A燃料种类代号锅炉的燃料 锅炉用燃料锅炉用燃料:固体、气体以及液体燃料 煤是我国锅炉的主要燃料；动力燃料常常采用劣质煤、高炉煤气和焦炉煤气。电站锅炉消耗煤炭约1/2，工
16、业锅炉消耗煤炭约1/3。煤的组成煤的组成: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 单位质量的煤完全燃烧后所放出的热量称为煤的发热量。通常用氧弹测热器测定。氧弹测热器直接测量出氧弹发热值，从中扣除硫和氮燃烧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燃烧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。为了便于煤耗指标的可比性，工程中常引入“标准煤”
17、的概念，规定标准煤的低位发热量为29.3MJ/kg（7000kCal/kg）。各类能源折算标准煤的参考系数 能源名称 平均低位发热量 折标准煤系数 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
18、.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 锅炉的燃烧方式 层燃燃烧层燃燃烧:原煤中只有特别大的煤块进行破碎后，就从煤斗进入炉膛，煤层铺在炉排上进行燃烧。悬浮燃烧悬浮燃烧:原煤首先被磨成象面粉那样的煤粉，然后通过燃烧器随风吹入炉膛进行悬浮燃烧。这种燃烧方式也同样用来燃烧气体和液体燃料。流化床
19、燃烧流化床燃烧:原煤经过专门设备破碎为08mm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，燃烧过程如烧米粥一样，煤粒犹如米粒，在炉膛中上下翻滚地燃烧。锅炉的组成 锅炉本体：“锅”、“炉”1.“锅”吸热。容纳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闭的汽水系统。2.“炉”放热。锅炉中使燃料进行燃烧产生高温烟气的场所，是由煤斗、炉排、炉膛、除渣板、送风装置等组成的燃烧设备。锅炉辅助设备1.燃料供应与除灰渣系统2.通风系统3.水汽系统4.仪表控制系统锅炉的基本结构 锅炉及其辅助设备系统简图煤斗；给煤机；磨煤机
20、；空气预热器；排粉风机；燃烧器；炉膛;水冷壁；屏式过热器；高温过热器；低温过热器；省煤器；除尘器；吸风机；烟囱；送风机；锅筒；下降管；顶棚过热器；排渣室 2153662071817819109111641312121415SHL锅炉构造锅炉的工作原理水水汽汽煤煤灰灰风风蒸发受热面循环回路示意图 自然循环锅炉自然循环锅炉HHsA热负荷给水汽包Hq汽水分离器蒸汽出口下降管上升管下集箱锅筒（汽包）是锅炉中最重要的受压元件，其作用为：连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，同时向蒸汽过热器输送饱和蒸汽。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，不会立即发生锅炉事故。另外起
21、缓冲气压的作用。锅筒内部装置可净化蒸汽，获得品质良好的蒸汽。锅炉热力过程分析1.定压预热2.定压汽化3.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可燃气体不完全燃烧热损失（化学不完全燃烧热损失）；Q4固体不完全燃烧热损失（机械不完全燃烧热损失）；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）。QrQ5Q1Q6Q4HZQ2Q3Q4fh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654321QQQQQQQr%100654321qqqqqq锅炉的热效率 锅炉的热效率锅炉的热效率:是锅炉的总有效利用
22、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：锅炉热效率可以通过热平衡试验的方法测定，测定方法有正平衡、反平衡两种。)(%100%1006543211qqqqqQQqr锅炉的毛效率和净效率j 锅炉设备运行时要消耗自用蒸汽和自用电能。不扣除自用蒸汽和不考虑自耗动力折算的热量，所计算出的锅炉热效率称为毛效率。扣除自用蒸汽和考虑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n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。n主要用作发电原动机，也用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。汽轮机剖面汽轮机
23、的分类1、按工作原理分冲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0.121.5MPa中压汽轮机24MPa高压汽轮机610MPa超高压汽轮机1214MPa亚临界压力汽轮机1618MPa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 XX-XX-XX变型设计次序蒸汽参数额定功率型式例：N300-16.7/538/538 300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为538C,再热蒸汽温度538C。代号型式代号型式N凝汽式CB抽汽背压式B背压式CY
24、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 理论功：技术功 =进出口蒸汽的焓差汽轮机的工作原理级是汽轮机中最基本的工作单位级由静叶栅（喷嘴栅）和动叶栅组成 蒸汽在级内流动的基本假设（1）稳定流动（2）一元流动（3）绝热流动汽轮机基本热力过程整个汽轮机最基本、最重要的热力过程：1.蒸汽在喷嘴中流动的分析2.蒸汽在动叶中流动的分析基本方程（1）状态方程 pv=RT（2）等熵过程方程pvk=常数（3）连续性方程 Gv=Ac（4）能量守恒方程22211200chch喷嘴中的热力过程 P0,P1分别是喷嘴进出口压力。理想热力过程从01。实际热力过程是
25、02。0*点是0的滞止参数点。hsh1p112h1thnhc00p0P0*0*h0h0*蒸汽滞止和喷嘴出口参数计算kkppppkkhhccpkkTRkkTch1010010202111211kkpppkkhhc1*01*0*01*021112喷嘴出口汽流速度的计算 喷嘴出口的理想速度c1t为：喷嘴实际出口速度为：动能损失为：kknnttpppkkhchchhc1*01*0*0*2020101112222tcc11喷嘴速度系数*2212212112122nttnhccch喷嘴截面设计依据cdcMAdAcAGacMcdcdpdkpdpconstpk12蒸汽在动叶中的流动 蒸汽在喷嘴中从压力p0膨胀
26、到出口压力 p1，以速度c1流向动叶栅。当蒸汽通过动叶时，一般还要继续膨胀，压力由p1降到p2。如图所示级的热力过程，则此时级的滞止理想比焓降ht*为：sh0*021P0*P0P1P2hn*ht*hbhbbnthhh*近似认为与hb相等叶栅损失 喷嘴能量损失和动叶能量损失之和称为叶栅损失。叶栅损失又可分（1）叶型边界层的磨擦损失（2）边界层脱离引起的涡流损失（3）尾迹损失（4）流道中有超音速时可能存在激波损失汽轮机能量平衡图汽轮机装置的评价指标 汽轮机的相对内效率 机械效率 发电机效率 汽轮发电机组的相对和绝对电效率为：蒸汽的热能内功率Pi电功率Pel轴功率PaxrimgmactirihDP0
27、6.3rimactaxiaxmhDPPP06.3mrimactelaxelghDPPP06.3elrtfwgmrimactelagmrielrhhh,0.,汽轮机装置的评价指标 汽耗率机组每生产1KWh电能所消耗的蒸汽量 热耗率机组每生产1 KWh电能所需的热量elrmactelhPDd.03600crrrrfwhhDDhhdq,00多级汽轮机多级汽轮机的优点1、多级汽轮机每级的焓降较小，有可能使速度比设计在最佳速度比附近，使得效率增大；2、各级余速动能可以部分的被利用；3、多级汽轮机可以实现回热循环和中间再热循环；4、由于重热现象，多级汽轮机前面级的损失部分的被后面各级利用。练习与讨论 例5：压气机若已实现等温压缩，是否还有必要进行分级压缩，中间冷却，为什么？答：需要，虽然实现等温压缩后耗功最小，但若压比过大，V仍很小，分级后有助于提高 V，如图。若以p1=0.1MPa，p2=2.5MPa，=0.04计算单级压缩111111 0.042510.04nV 二级压缩512pphl211,1 0.04510.706VV lV h
