第六章 熱 力 循 環(huán)

第六章熱力循環(huán)

本章基本要求熟練掌握水蒸氣朗肯循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)、再熱循環(huán)以及熱電循環(huán)的組成、熱效率計算及提高熱效率的方法和途徑;掌握蒸氣壓縮制冷循環(huán)及其熱力分析；熟悉空氣壓縮制冷循環(huán)及其熱力分析；了解制冷劑的性質(zhì)、其他相關(guān)制冷循環(huán)的原理及特點。本章重點1、熟悉朗肯循環(huán)圖示與計算2、朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)3、蒸汽參數(shù)對朗肯循環(huán)熱效率的影響4、再熱、回?zé)嵩砑坝嬎銊恿ρh(huán)——熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的循環(huán)，正向循環(huán)；廣義熱泵循環(huán)——消耗機(jī)械能把熱量由低溫物體傳向高溫物體的循環(huán)，逆向循環(huán)。A、制冷循環(huán)——維持低溫?zé)嵩吹牡蜏?；B、熱泵循環(huán)（供暖循環(huán)）——維持高溫?zé)嵩吹母邷亍崃ρh(huán)按工質(zhì)種類分類：氣體循環(huán)：工質(zhì)只發(fā)生狀態(tài)變化而不發(fā)生相變。蒸氣循環(huán)：工質(zhì)發(fā)生狀態(tài)變化和相變。動力循環(huán)按燃料的燃燒方式分：內(nèi)燃式循環(huán)：燃料在系統(tǒng)內(nèi)部燃燒，燃?xì)獗旧砭褪枪べ|(zhì)。外燃式循環(huán)：燃料在系統(tǒng)外部燃燒，熱量間壁傳給工質(zhì)。6.1蒸氣卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)是相同條件下效率最高的循環(huán)。以氣體做工質(zhì)，定溫吸熱和定溫放熱兩個過程難以實現(xiàn)；且每循環(huán)完成的功小。蒸氣為工質(zhì)可以克服上述兩個缺點，在濕蒸氣區(qū)，工質(zhì)的定壓過程就是定溫過程，可以實現(xiàn)卡諾循環(huán)，且每循環(huán)獲得的功較多。實際生產(chǎn)中不采用蒸氣卡諾循環(huán)的原因：（1）絕熱壓縮過程難以實現(xiàn)；缺少壓縮水氣混合物的合適設(shè)備；（2）定熵膨脹末期，蒸汽濕度較大，對汽輪機(jī)工作不利；（3）蒸氣比體積比水大千倍，壓縮時設(shè)備龐大，耗功也大；（4）僅限于濕蒸氣區(qū)，上限溫度受制于臨界溫度，熱效率不高，每循環(huán)完成的功也不大。6.2朗肯（Rankine）循環(huán)

四個主要裝置：

鍋爐

汽輪機(jī)

凝汽器

給水泵水蒸氣動力循環(huán)系統(tǒng)

鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器一、工作原理水蒸氣動力循環(huán)系統(tǒng)的簡化鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)給水泵凝汽器郎肯循環(huán)1234簡化（理想化）：12汽輪機(jī)s膨脹23凝汽器p放熱34給水泵s壓縮41

鍋爐p吸熱1342pv朗肯循環(huán)pv圖12汽輪機(jī)s膨脹23凝汽器p放熱34給水泵s壓縮41

鍋爐p吸熱4321Tshs1324朗肯循環(huán)Ts和hs圖12汽輪機(jī)s膨脹23凝汽器p放熱34給水泵s壓縮41

鍋爐p吸熱朗肯循環(huán)與水蒸氣卡諾循環(huán)的區(qū)別（1）乏汽的凝結(jié)是完全的；（2）冷凝水由泵泵入鍋爐，簡化了設(shè)備，但增加了水的定壓加熱過程，降低了平均吸熱溫度，從而使熱效率降低；（3）增加了過熱器，蒸氣在過熱器中的吸熱過程也是定壓過程，提高了平均吸熱溫度，從而提高了乏氣的干度，提高了循環(huán)效率，也改善了汽輪機(jī)的工作條件。hs1324二、朗肯循環(huán)熱效率

汽輪機(jī)作功(定熵膨脹技術(shù)功)：凝汽器中的定壓放熱量：水泵絕熱壓縮耗功：鍋爐中的定壓吸熱量：定壓吸熱過程吸入的熱量hs1324朗肯循環(huán)熱效率的計算

水的壓縮過程可視為定容壓縮過程水泵功與汽輪機(jī)功相比很小，可以忽略整個循環(huán)中工質(zhì)完成的凈功循環(huán)熱效率任何循環(huán)的熱效率可表示為：蒸氣動力裝置輸出1KW.h(3600KJ)功量所消耗的蒸汽量稱為汽耗率，用符號d表示：在功率一定的條件下，汽耗率反應(yīng)了循環(huán)中各設(shè)備尺寸的大小，所以汽耗率是動力裝置的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。sp1,t1,p2654321三、蒸氣參數(shù)對循環(huán)熱效率的影響影響熱效率的參數(shù)？TsT6543211、蒸汽初壓p1對熱效率的影響t1,p2不變，p1優(yōu)點：

，汽輪機(jī)出口尺寸小缺點：

對強(qiáng)度要求高

不利于汽輪機(jī)安全。一般要求出口干度大于0.85~0.88'4'5'6'1'22'x1Tth2'vsT6543212、蒸汽初溫對熱效率的影響優(yōu)點：

，有利于汽機(jī)安全。缺點：

對耐熱及強(qiáng)度要求高，目前最高初溫一般在550℃左右汽機(jī)出口尺寸大p1,p2不變，t1'1'22'xth1T2'vsT6543213、乏汽壓力對熱效率的影響優(yōu)點：

缺點：受環(huán)境溫度限制，現(xiàn)在大型機(jī)組p2為0.0035~0.005MPa，相應(yīng)的飽和溫度約為24~33℃

，已接近事實上可能達(dá)到的最低限度。冬天熱效率高P2降低，乏氣干度下降，對汽輪機(jī)工作不利p1,t1不變，p22Tth'2'3'4四、實際循環(huán)以汽輪機(jī)內(nèi)有摩擦損耗為例來進(jìn)行分析蒸氣經(jīng)汽輪機(jī)絕熱膨脹完成的實際功為：汽輪機(jī)內(nèi)氣體實際完成的功與理論功之比稱為汽輪機(jī)內(nèi)部相對效率，簡稱汽輪機(jī)效率其他過程的效率也可類似處理在設(shè)計計算時，若蒸氣的消耗量為DKg/h，則理想循環(huán)的效率為實際循環(huán)的效率為若考慮摩擦損失，則汽輪機(jī)輸出的有效功率為Ne：機(jī)械效率相對有效效率鍋爐效率動力裝置效率例題6－16.3朗肯循環(huán)的改進(jìn)為了克服朗肯循環(huán)的缺點，工程實際做了許多改進(jìn)，如回?zé)嵫h(huán)、再熱循環(huán)等。一、回?zé)嵫h(huán)利用汽輪機(jī)中的蒸汽預(yù)熱鍋爐給水，稱為回?zé)嵫h(huán)1－7－d－3－4－5－6－1稱為回?zé)嵫h(huán)(實際難以實現(xiàn))。循環(huán)3－4－5－7－d－3稱為概括性卡諾循環(huán)。循環(huán)5－7－2－e－5為卡諾循環(huán)?；?zé)嵫h(huán)的熱效率高于朗肯循環(huán)的熱效率。抽汽去凝汽器冷凝水表面式回?zé)崞鞒槠淠o水混合式回?zé)崞鞒槠交責(zé)嵴羝槠責(zé)嵫h(huán)(1-)kgkg657s43211kgTakg4(1-)kg51kg由于T-s圖上各點質(zhì)量不同，面積不再直接代表熱和功抽汽回?zé)嵫h(huán)的抽汽量計算(1-)kgkg657s43211kgT7kg4(1-)kg51kg以混合式回?zé)崞鳛槔裏嵋宦珊雎员霉Τ槠責(zé)嵫h(huán)熱效率的計算(1-)kgkg657s43211kgT吸熱量：放熱量：循環(huán)功：循環(huán)熱效率：為什么抽汽回?zé)釤嵝侍岣撸?1-)kgkg657s43211kgT推導(dǎo)得出簡單朗肯循環(huán)：物理意義：kg工質(zhì)100%利用1-kg工質(zhì)效率未變蒸汽抽汽回?zé)嵫h(huán)的特點小型火力發(fā)電廠回?zé)峒墧?shù)一般為1～3級，中大型火力發(fā)電廠一般為4～8級。優(yōu)點提高熱效率減小汽輪機(jī)低壓缸尺寸，末級葉片變短減小凝汽器尺寸，減小鍋爐受熱面可兼作除氧器缺點循環(huán)比功減小，汽耗率增加增加設(shè)備復(fù)雜性回?zé)崞魍顿Y>缺點提高循環(huán)熱效率的途徑改變循環(huán)參數(shù)提高初溫度提高初壓力降低乏汽壓力改變循環(huán)形式回?zé)嵫h(huán)再熱循環(huán)改變循環(huán)形式熱電聯(lián)產(chǎn)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)新型動力循環(huán)IGCCPFBC-CC…...二、

蒸汽再熱循環(huán)(reheat)Ts65431bcTs65431b蒸汽再熱循環(huán)的熱效率

再熱循環(huán)本身不一定提高循環(huán)熱效率與再熱壓力有關(guān)x2降低,給提高初壓創(chuàng)造了條件，選取再熱壓力合適，一般采用一次再熱可使熱效率提高

2％～3.5％。c蒸汽再熱循環(huán)的實踐再熱壓力

pb=pa0.2~0.3p1

p1<10MPa，一般不采用再熱我國常見機(jī)組，10、12.5、20、30萬機(jī)組，p1>13.5MPa，一次再熱超臨界機(jī)組，t1>600℃，p1>25MPa，二次再熱Ts65431b蒸汽再熱循環(huán)的定量計算吸熱量：放熱量：凈功（忽略泵功）：熱效率：c蒸汽再熱循環(huán)實體照片6.4

熱電聯(lián)產(chǎn)(供)循環(huán)用發(fā)電廠作了功的蒸汽的余熱來滿足熱用戶的需要，這種作法稱為熱電聯(lián)(產(chǎn))供。背壓式機(jī)組(背壓>0.1MPa)熱用戶為什么要用換熱器而不直接用熱力循環(huán)的水？背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)(供)循環(huán)背壓式缺點：

熱電互相影響

供熱參數(shù)單一清華北門外2臺背壓式，5000kW電負(fù)荷抽汽調(diào)節(jié)式熱電聯(lián)產(chǎn)(供)循環(huán)

抽汽式熱電聯(lián)供循環(huán),可以自動調(diào)節(jié)熱、電供應(yīng)比例，以滿足不同用戶的需要。熱電聯(lián)產(chǎn)(供)循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性評價只采用熱效率顯然不夠全面能量利用系數(shù)，但未考慮熱和電的品位不同Ex經(jīng)濟(jì)學(xué)評價熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱是發(fā)展方向，經(jīng)濟(jì)環(huán)保6.5壓縮空氣制冷循環(huán)?制冷（熱泵)循環(huán)輸入功量（或其他代價），從低溫?zé)嵩慈?動力循環(huán)

輸入熱,通過循環(huán)輸出功

?熱泵循環(huán)輸入功量（或其他代價），向高溫?zé)嵊脩艄帷h(huán)—逆循環(huán)—逆循環(huán)制冷循環(huán)和制冷系數(shù)CoefficientofPerformanceT0環(huán)境T2冷庫卡諾逆循環(huán)q1q2wTsT2T1T1不變,T2

εCT2不變,T1

εC熱泵循環(huán)和供熱系數(shù)CoefficientofPerformanceT1房間T0環(huán)境卡諾逆循環(huán)q1q2wTsT2T0T1不變,T2

εh,cT2不變,T1

εh,cT1制冷能力和冷噸生產(chǎn)中常用制冷能力來衡量設(shè)備產(chǎn)冷量大小制冷能力：制冷設(shè)備單位時間內(nèi)從冷庫取走的熱量(kJ/s)。商業(yè)上常用冷噸來表示。1冷噸：1噸0°C飽和水在24小時內(nèi)被冷到0°C的冰所需冷量。水的凝結(jié)（熔化）熱

r=334kJ/kg1冷噸=3.86

kJ/s1美國冷噸=3.517

kJ/s制冷循環(huán)種類

空氣壓縮制冷壓縮制冷蒸汽壓縮制冷吸收式制冷制冷循環(huán)吸附式制冷蒸汽噴射制冷半導(dǎo)體制冷熱聲制冷√√√壓縮空氣制冷循環(huán)冷卻水膨脹機(jī)壓縮機(jī)冷藏室冷卻器3214空氣壓縮制冷循環(huán)過程四個主要部件；工質(zhì)：空氣12絕熱壓縮p

T23等壓冷卻向環(huán)境放熱，T34絕熱膨脹T<T1

（冷庫）41等壓吸熱T

T1理想化處理：①理氣；

②定化熱;

③

可逆；pv圖和Ts圖12絕熱壓縮23等壓冷卻34絕熱膨脹41等壓吸熱

pv3214TsT1T31234逆勃雷登循環(huán)ssppTs1234制冷系數(shù)空氣壓縮制冷循環(huán)特點優(yōu)點：工質(zhì)無毒，無味，不怕泄漏。缺點：1.無法實現(xiàn)T

，<C2.q2=cp(T1-T4)，空氣cp很小，(T1-T4)不能太大，q2

很小。若(T1-T4)3.活塞式流量m小，制冷量Q2=m

q2小，使用葉輪式，再回?zé)釀t可用。pv圖和Ts圖

pv3214TsT2T012346.6蒸氣壓縮制冷循環(huán)

水能用否？0°C以下凝固不能流動。一般用低沸點工質(zhì)，如氟利昂、氨沸點：水100°CR22-40.8°CR134aTHR01-26.1°C-30.18°C蒸氣逆向卡諾循環(huán)制冷系數(shù)工程實際難以實現(xiàn)逆向卡諾循環(huán)，原因有3，實際中進(jìn)行了調(diào)整蒸汽壓縮制冷循環(huán)

工質(zhì)在冷庫中定溫定壓吸熱氣化為干飽和蒸氣，然后進(jìn)入壓縮機(jī)被絕熱壓縮成過熱蒸氣，再經(jīng)冷凝器在定壓下放熱冷凝為飽和液體，最后經(jīng)節(jié)流閥絕熱節(jié)流降壓降溫成為濕蒸氣。蒸氣壓縮制冷循環(huán)的計算Ts12345蒸發(fā)器中吸熱量

冷凝器中放熱量

制冷系數(shù)

兩個等壓，熱與功均與焓有關(guān)

lnp-h圖壓縮機(jī)耗功lnp-h圖及計算Ts12345lnph123451qw2q過冷措施Ts12345lnph123455’4’不變4’5’工程上常用回?zé)嶂评溲h(huán)的優(yōu)點：制冷量增加；制冷系數(shù)提高；可防止液擊現(xiàn)象?；?zé)嵫h(huán)應(yīng)滿足的條件：lnp-h圖及計算所需制冷劑質(zhì)量流量壓縮機(jī)吸入狀態(tài)下的質(zhì)量流量壓縮機(jī)的定熵功率絕熱壓縮效率壓縮機(jī)功耗循環(huán)制冷系數(shù)制冷機(jī)的制冷能力隨工作條件不同而變化。6.7制冷劑(一）對制冷劑的要求1.熱力學(xué)性質(zhì)⑴制冷劑的臨界溫度要高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度；⑵凝固溫度要低，低于環(huán)境溫度；⑶制冷劑單位容積制冷能力要大，氣化潛熱要大；⑷蒸發(fā)壓力和冷凝壓力適中；⑸絕熱指數(shù)要低。2.物理化學(xué)的性質(zhì)⑴制冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)和放熱系數(shù)要高；⑵制冷劑密度、粘度要小；⑶制冷劑對金屬材料和其他材料應(yīng)無腐蝕和侵蝕；⑷制冷劑在高溫下不分解、且不燃燒、不爆炸。3.其他⑴制冷劑對人的生命和健康應(yīng)無害，不具有毒性、窒息性和刺激性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；⑵制冷劑價格便宜、易于購買。(二）常用制冷劑1.氨（NH3，R717）優(yōu)點：單位容積制冷能力大，蒸發(fā)壓力和冷凝壓力適中，價格低。缺點：有刺激性、爆炸。2.氟里昂（R12，R22，R13，R11）優(yōu)點：無毒、無臭、不燃、對金屬無腐蝕缺點：放熱系數(shù)低、價格高、吸水性差、對環(huán)境污染。吸收式制冷循環(huán)—absorptionrefrigeration6.8吸收式制冷循環(huán)直接利用熱能作為補(bǔ)償條件1、工作原理2、能量交換：工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸入熱量Q2，在吸收器中放出熱量Q3，在蒸氣發(fā)生器中吸收熱量Q4，在冷凝器中放出熱量Q1，經(jīng)過泵時得到功Wp。3、熱量利用系數(shù)：利用溶液性質(zhì)壓縮制冷循環(huán)以消耗機(jī)械功為代價吸收式制冷以消耗熱量為代價溶液

=溶劑+溶質(zhì)溶液T溶液T溶劑吸收溶質(zhì)的能力溶劑吸收溶質(zhì)的能力溶液濃度溶液濃度氨（溶質(zhì)）

+水（溶劑）溶液溴化鋰（溶劑）

+水（溶質(zhì)）溶液

吸收式制冷循環(huán)特點用于大型空調(diào)、中央空調(diào)。優(yōu)點：直接利用熱能可用低品質(zhì)熱缺點：設(shè)備體積大，啟動時間長，熱能利用系數(shù)低環(huán)境性能好，無復(fù)雜轉(zhuǎn)動