熱力設(shè)備認識(1)

1、熱力設(shè)備認識一、實驗目的1. 了解熱力設(shè)備的基本原理、主要結(jié)構(gòu)及各部件的用途；2. 認識熱力設(shè)備在工程熱力學中的重要地位、熱功轉(zhuǎn)換的一般規(guī)律以及熱力設(shè)備與典型熱力循環(huán)的聯(lián)系。二、熱力設(shè)備在工程熱力學課程中的重要地位工程熱力學主要是研究熱能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律和工質(zhì)的熱力性質(zhì)的一門科學，這就必然要涉及一些基本的熱力設(shè)備(或稱熱動力裝置)，如內(nèi)燃機、制冷機、藩汽動力裝置、燃氣輪機等。了解這些熱力設(shè)備的基本原理、主要結(jié)構(gòu)、和各部件的功能，對正確理解工程熱力學基本概念、基本定律十分必要。工程熱力學中涉及的各循環(huán)都是通過熱力設(shè)備來實現(xiàn)的，如活塞式內(nèi)燃機有三種理想循環(huán)：定容加熱循環(huán)、定壓加熱循環(huán)和混

2、合加熱循環(huán)；蒸汽動力裝置有朗肯循環(huán)；燃氣輪機有定壓加熱循環(huán)和回熱循環(huán)；制冷設(shè)備有蒸汽壓縮制冷循環(huán)、蒸汽噴射制冷循環(huán)等?？ㄖZ循環(huán)則是由兩個定溫和兩個絕熱過程所組成的可逆循，具有最高的熱效率，它指出了各種熱力設(shè)備提高循環(huán)熱效率的方向。因此，對這些熱力設(shè)備的工作原理和基本特性有一個初步了解，對一些抽象概念有一個感性認識，能夠加深對熱力學基本定律的理解，掌握一些重要問題(如可逆和不可逆)的實質(zhì)，有助于學好工程熱力學這門課程。三、各種熱力設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)與原理1.內(nèi)燃機內(nèi)燃機包括柴油機和汽油機等，是-種重量輕、體積小、使用方便的動力機械。以二沖程柴油機為例，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)圖內(nèi)燃機的

3、工質(zhì)為燃料燃燒所生成的高溫燃氣。根據(jù)燃料開始燃燒的方式不同可分為點燃式和壓燃式，點燃式是在氣缸內(nèi)的可燃氣體壓縮到一定壓力后由電火花點燃燃燒；壓燃式是氣缸內(nèi)的空氣經(jīng)壓縮其溫度升高到燃料自燃溫度后，噴入適量燃料，燃料便會自發(fā)地燃燒。壓燃式內(nèi)燃機的工作過程分為吸氣、壓縮、燃燒、膨脹及排氣幾個階段。吸氣開始時進氣門打開，活塞向下運動把空氣吸入氣缸?；钊竭_下死點時進氣門關(guān)閉而吸氣過程結(jié)束。進氣門和排氣門同時關(guān)閉，活塞向上運動壓縮氣缸內(nèi)空氣，空氣溫度與壓力不斷升高，直到活塞到達上死點時，壓縮過程結(jié)束。這時氣缸內(nèi)空氣溫度已超過燃料自燃溫度，向氣缸內(nèi)噴入適量燃料，燃料便發(fā)生燃燒。燃燒過程進行的很快，接著是高

4、溫燃氣發(fā)生膨脹，推動活塞向下運動帶動曲軸作出機械功?；钊竭_下死點時，排氣門打開，氣缸內(nèi)的高溫高壓燃氣通過排氣門排至大氣，活塞又向上運動將氣缸內(nèi)的剩余氣體推出氣缸，活塞到達上死點時排氣過程結(jié)束，完成一個循環(huán)。當活塞再一次由上死點向下運動時重新開始一個循環(huán)。這樣通過氣缸實現(xiàn)了燃料的化學能變?yōu)闊崮埽瑹崮苡肿優(yōu)闄C械能的過程。汽油機的工作過程基本上與柴油機差不多，不同之處在于汽油機的汽油預先在化油器內(nèi)蒸發(fā)汽化并和空氣混合后一起吸入氣缸，壓縮過程結(jié)束后由電火花點燃燃燒。其它過程與柴油機完全相同。內(nèi)燃機是主要用在工程機械、船舶和航空等領(lǐng)域，以及海上采油平臺用內(nèi)燃機發(fā)電。汽油機的總體構(gòu)造分為基本機構(gòu)和輔助系

5、統(tǒng)，如圖2所示?；緳C構(gòu)包括:曲柄連桿機構(gòu):氣缸蓋、氣缸體、曲軸箱、活塞、連桿和曲軸，其功用是將燃料的熱能通過活塞的往復運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動，向外輸出機械功。配氣機構(gòu):配氣凸輪軸，進、排氣門等，它的功能是定時開啟和關(guān)閉進、排氣門，以便吸入新氣和排出廢氣。輔助系統(tǒng)包括：供給系統(tǒng)：定時、定量、定質(zhì)地向缸內(nèi)供應空氣和噴入燃料。冷卻系統(tǒng)：對內(nèi)燃機各零部件進行冷卻。潤滑系統(tǒng)：不斷地給摩擦表面供給潤滑油，冷卻摩擦表面，延長機件壽命。點火系統(tǒng)：用電火花點燃氣缸內(nèi)高溫高壓的汽油和空氣混合物。啟動系統(tǒng)：采用手搖啟動和電機啟動內(nèi)燃機。圖2 汽油機總體構(gòu)造系統(tǒng)2.蒸汽動力裝置圖3為簡單蒸汽動力裝置示意圖。它由鍋

6、爐、汽輪機、冷凝器及給水泵四部分組成。圖3蒸汽動力裝置示意圖水蒸汽是蒸汽動力裝置的工作物質(zhì)，稱為工質(zhì)。鍋爐是水蒸汽的發(fā)生器。從鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓的過熱蒸汽被送往蒸汽輪機作功。圖4所示，在蒸汽輪機中，蒸汽先在噴管中降壓膨脹增加流速，然后以高速沖擊渦輪葉片，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，使蒸汽輪機輸出機械功，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。從汽輪機排出的乏氣進入冷凝器。在冷凝器中，蒸汽被冷卻水吸走熱量而凝結(jié)成水，其容積驟然降為原容積的數(shù)千分之一，因而在冷凝器中及汽輪機出口處造成很高的真空。當蒸汽在汽輪機中膨脹到這么低的壓力時，蒸汽能推動渦輪作出更多的機械功。從冷凝器出來的冷凝水被給水泵加壓后，重新送回鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽。在鍋爐中，

7、供燃料燃燒用的空氣從大氣吸入后，先在鍋爐的空氣預熱器中加熱提高溫度，然后送入爐膛和燃料混合并進行燃燒，把燃料的化學能轉(zhuǎn)變成熱能，產(chǎn)生高溫煙氣。由于高溫煙氣的加熱，進入鍋爐的水先在省煤器中受熱升高溫度，然后進入汽鍋中受熱蒸發(fā)而生成水蒸汽，再進入過熱器受熱升高溫度成為過熱水蒸汽。于是過熱蒸汽又可送往汽輪機膨脹作功，重復上述循環(huán)工程。在蒸汽動力裝置中，汽輪機是實現(xiàn)熱轉(zhuǎn)化為功的設(shè)備。3.燃氣輪機裝置燃氣輪機裝置是近三十年來發(fā)展起來的新型動力裝置，具有功率大、重量輕、體積小的優(yōu)點，廣泛應用于航空發(fā)動機和艦艇發(fā)動機，近年來逐漸被應用于發(fā)電及其它部門。如圖4所示。圖4 燃氣輪機裝置示意圖燃氣輪機裝置由壓氣機

8、、燃燒室及渦輪機（透平）三部分組成。它的工質(zhì)亦是燃料燃燒生成的燃氣。工作時，從大氣中吸入的空氣，然后在壓氣機中對空氣壓縮提高其溫度和壓力。壓縮后的空氣送入燃燒室，一部分空氣和噴入的燃料一起燃燒，另一部分用來和高溫燃氣混合以降低其溫度，使工質(zhì)溫度和燃氣輪機葉片允許的最高工作溫度相適合。然后工質(zhì)流入渦輪機在其中膨脹而推動轉(zhuǎn)子作出機械功，其工作原理與汽輪機相同，作功后的廢氣則直接排到大氣中。還有一種燃氣輪機裝置，它以氦或氫作工質(zhì)，在壓縮升壓后采用外部加熱工質(zhì)，使之膨脹作功，然后工質(zhì)在冷卻器中放熱從而完成工作循環(huán)。這類裝置稱為閉式循環(huán)燃氣輪機裝置，相應地前一種可稱為開式循環(huán)燃氣輪機裝置。由于在定壓加熱

9、燃氣輪機裝置中，排氣灄度往往高于燃燒室進口處高壓空氣的溫度，因此可以采用回熱器，用燃氣輪機排出的高溫廢氣預熱供入燃燒室的高壓空氣，以減少燃料消耗，提高熱效率。這種循環(huán)稱為燃氣輪機回熱循環(huán)。如圖5所示。圖5 燃氣輪機回熱循環(huán)示意圖另外，為了提高燃氣輪機的熱效率，增加輸出凈功。可采用多級壓縮中間冷卻的回熱循環(huán)和具有多級膨脹及中間再熱的回熱循環(huán)。但這種循環(huán)的裝置結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大，故適用意義不大，這里不在贅述。4.制冷裝置在熱力工程領(lǐng)域內(nèi)，除了各種熱能動力裝置外，還有一類重要的熱力裝置，它用于實現(xiàn)由溫度較低的物體吸出熱量而放給溫度較高的自然環(huán)境，從而使物體的溫度降低到環(huán)境溫度以下并維持其溫度為低溫，

10、稱為制冷裝置。這里所說的制冷是相對于環(huán)境溫度而言的。一桶開水置于空氣中，逐漸冷卻成常溫水，這一過程是自發(fā)地傳熱降溫，不是制冷。只有用一定的方式將水冷卻到環(huán)境溫度以下，才可稱為制冷。制冷裝置中使用的工作介質(zhì)稱為制冷劑，制冷劑在制冷機中循環(huán)流動，不斷地與外界發(fā)生能量交換，即不斷地從被冷卻對象中吸取熱量，向環(huán)境介質(zhì)排放熱量，制冷劑的狀態(tài)發(fā)生變化，這種綜合過程稱為制冷循環(huán)。為了實現(xiàn)制冷循環(huán)，必須消耗能量，該能量可以是機械能、電能、熱能、太陽能及其它形式的能量。制冷方法可分為輸入功實現(xiàn)制冷和輸入熱量實現(xiàn)制冷，電冰箱、空調(diào)器等都是輸入功實現(xiàn)制冷。制冷機從低溫熱源吸熱，向高溫熱源放熱，制冷機消耗功，如圖 6

11、所示，這是一個逆卡諾循環(huán)， 或稱逆向循環(huán)（卡諾循環(huán)是從高溫熱源吸熱，向低溫熱源放熱)。逆向循環(huán)不僅可以用來制冷，還可以把熱能釋放給某物體或空間，使之溫度升高。作為后一種逆向循環(huán)系統(tǒng)稱為熱泵。制冷機和熱泵在熱力學上并無區(qū)別，因為他們的工作循環(huán)都是逆向循環(huán)，區(qū)劇僅在于使用目的。逆向循環(huán)具有從低溫熱源吸熱、向高溫熱源放熱的特點。當使用目的是從低溫熱源吸收熱量時，系統(tǒng)稱為制冷機，如電冰箱；當使用目的是向高溫熱源釋放熱量時，系統(tǒng)稱為熱泵。在許多場合，同一臺機器在一些時候作制冷機用，在另一些時候作熱泵用，如空調(diào)器，夏季冷卻，冬季加熱。圖6 制冷劑示意圖制冷裝置根據(jù)所用工質(zhì)不同可分為空氣壓縮制冷裝置和蒸汽壓

12、縮制冷裝置。 蒸汽壓縮制冷裝置是最常用的一種制冷設(shè)備。其工質(zhì)是氟里昂或氨等。圖7為蒸汽壓縮制冷裝置簡圖。圖7 蒸汽壓縮制冷裝置工質(zhì)的低壓蒸汽先在壓縮機中被壓縮而提高壓力溫度，然后工質(zhì)被送往冷凝器，在冷凝器中，工質(zhì)向冷卻水放熱而凝結(jié)成高壓的液體。最后讓液態(tài)工質(zhì)通過節(jié)流閥節(jié)流降壓而使其溫度降到所需的低溫。當把低溫工質(zhì)送入蒸發(fā)器中吸熱汽化時，就可以在蒸發(fā)器周圍的冷藏庫中造成低溫，以利用來冷凍制冰或生產(chǎn)低溫介質(zhì)。吸熱后，工質(zhì)汽化而成為低壓蒸汽并從蒸發(fā)器流出。于是工質(zhì)的低壓蒸汽又被送住壓縮機壓縮升壓，重復上述循環(huán)過程。 電冰箱：壓縮機、冷凝器、毛細管、蒸發(fā)器。制冷劑（常用R12）經(jīng)壓縮機送到冷凝器內(nèi)，冷凝成液體后經(jīng)毛細管節(jié)流進入箱體內(nèi)的蒸發(fā)器中，吸收箱內(nèi)的熱量，蒸發(fā)成低壓氣體，然后再回到壓縮機內(nèi)，完成一個循環(huán)?？照{(diào)器：壓縮機、冷凝器、毛細管、蒸發(fā)器、風機、控制器?？照{(diào)器可分為窗式