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。6-1 蒸汽动力装置循环 4火力发电厂的蒸汽动力装置以水蒸气为工质，主要由锅炉、汽轮机
2、、冷凝器和水泵四个设备组成。锅锅炉炉汽轮机汽轮机冷凝器冷凝器水泵水泵冷却水冷却水过热蒸汽过热蒸汽乏汽乏汽循环水循环水发电机发电机51.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(忽略给水泵、汽轮机中的摩擦和散热以及工质在锅炉、冷凝器中的压力变化)：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；SPSP思考：为什么不采用卡诺循环？思考：为什么不采用卡诺循环？72.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 net,1
3、 2,3 4sswww根据稳定流动能量方程式,1 212swhh,3 443swhhnet1243()()whhhh每千克蒸汽在锅炉中的定压吸热量为114qhh根据热效率定义，可得朗肯循环的热效率为nett1wq,1 2,3 41sswwq124314()()hhhhhh8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，430hh1243t14()()hhhhhh12121413hhhhhhhh汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kWh（即3600kJ）功量所消耗的蒸汽量。net3600dw单位：kg/(kWh)工程单位：kg/（kWh)1 kWh=3600 kJ1 kg/kJ=
4、3600 kg/(kWh)93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。1212t1413hhhhhhhh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。11abqTss211tTT 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。10(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
5、的干度减小，将影响汽轮机后几级叶片安全。x 0.85 11(3)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。124提高蒸汽动力循环热效率的其他途径（1）再热循环(reheat)：新蒸汽在高压汽轮机中膨胀作功到某一中间压力以后，全部抽出导入锅炉中的再热器，吸收烟气放出的热量，然后再导入低压汽轮机继续膨胀作功到终压力p2.再热可以增加蒸汽干度，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
6、次再热可使热效率提高23.5。13再热循环的设备复杂，投资大，只有蒸汽压力在13MPa以上的大型火力发电厂才采用。再热压力 ，一般不采用再热 我国常见机组，10、12.5、20、30万机组，一次再热 超临界机组，二次再热 7110.20.3PPP110PMPa113.5PMPa1160025tPMPa，14（2）回热循环（regenerative）:从汽轮机中间抽出部分已做过功但压力尚不太低的少量蒸汽来加热进入锅炉之前的低温给水。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。注：此
7、时各点质量不同，面积不再直接代表热和功。749310根据热力学第一定律，回热加热器中的能量平衡式为：74911hhh 9474hhhh忽略泵功9373hhhh232119(1)()11thhqqhh 16（3）热电联供循环 1）背压式汽轮机热电联供循环（背压：汽轮机设计排气压力；背压0.1MPa）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）能量利用系数 K已已被被利利用用的的能能量量工工质质从从热热源源得得到到的的能能量量两个热经济性指标：t、K 6-2 活塞式内燃机循环17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
8、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18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 191.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；活塞上行，压缩空气。12 为多变压缩，p2=3-5MPa，t2=600-800，2 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下死点下死点上
9、死点上死点203）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。下死点下死点上死点上死点4）排气冲程5-0：活塞到点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。活塞开始上行，将气缸中剩余气体排出，完成一个实际循环。21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
10、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2212：可逆绝热压缩过程；23：可逆定容加热过程；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）23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
11、作过程对循环热效率的影响，引入下列内燃机的特性参数：12v v表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。32pp表示定容加热过程工质压力升高的程度。43vv表示定压加热时工质体积膨胀的程度。24单位质量工质的吸热量：1v32p43qcTTcTT单位质量工质的放热量：2v51qcTT循环热效率：net122t1111wqqqqqq 5132431TTTTTT（1）混合加热循环 251112112vTTTv133212pTTTp 144313vTTTv 145415vTTTv 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12得：2651t32
12、431TTTTTT 11111 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。1t111 27（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：1t128（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：11111t 定容升压比：一定t一定t293.影响内燃机理想循环热效率的主要因素（1）压缩比 的影响 t 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
13、，但汽油机小巧。一般柴油机：1422510 一般汽油机：30（2）绝热指数 的影响 t 值大小取决于工质的种类和温度。潜艇用氦气：1.66空气：1.431（3）升压比 和预胀比 的影响 当压缩比 和绝热指数 一定时，tt324.三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 222Vmpqqq三种理想循环的吸热量 111Vmpqqq三种理想循环的热效率 t Vtmt p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。33（2）进气状态、最高压力、吸热量彼此相同三种理想循环的放热量 222pmVqqq三种理想循环的吸热量相同111pmVqqq三种理想循环的热效率 t pt mt V
