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(jì)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(diǎn)。本章重點(diǎn)1、熟悉朗肯循環(huán)圖示與計(jì)算2、朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)3、蒸汽參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)熱效率的影響4、再熱、回?zé)嵩砑坝?jì)算動(dòng)力循環(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(dòng)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(gè)過(guò)程難以實(shí)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(gè)缺點(diǎn)，在濕蒸氣區(qū)，工質(zhì)的定壓過(guò)程就是定溫過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)卡諾循環(huán)，且每循環(huán)獲得的功較多。實(shí)際生產(chǎn)中不采用蒸氣卡諾循環(huán)的原因：（1）絕熱壓縮過(guò)程難以實(shí)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(duì)汽輪機(jī)工作不利；（3）蒸氣比體積比水大千倍，壓縮時(shí)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(gè)主要裝置：

鍋爐

汽輪機(jī)

凝汽器

給水泵水蒸氣動(dòng)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(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)化了設(shè)備，但增加了水的定壓加熱過(guò)程，降低了平均吸熱溫度，從而使熱效率降低；（3）增加了過(guò)熱器，蒸氣在過(guò)熱器中的吸熱過(guò)程也是定壓過(guò)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(guò)程吸入的熱量hs1324朗肯循環(huán)熱效率的計(jì)算

水的壓縮過(guò)程可視為定容壓縮過(guò)程水泵功與汽輪機(jī)功相比很小，可以忽略整個(gè)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(dòng)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(hào)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(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。sp1,t1,p2654321三、蒸氣參數(shù)對(duì)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(duì)熱效率的影響t1,p2不變，p1優(yōu)點(diǎn)：

，汽輪機(jī)出口尺寸小缺點(diǎn)：

對(duì)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(duì)熱效率的影響優(yōu)點(diǎn)：

，有利于汽機(jī)安全。缺點(diǎn)：

對(duì)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(duì)熱效率的影響優(yōu)點(diǎn)：

缺點(diǎn)：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(shí)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(duì)汽輪機(jī)工作不利p1,t1不變，p22Tth'2'3'4四、實(shí)際循環(huán)以汽輪機(jī)內(nèi)有摩擦損耗為例來(lái)進(jìn)行分析蒸氣經(jīng)汽輪機(jī)絕熱膨脹完成的實(shí)際功為：汽輪機(jī)內(nèi)氣體實(shí)際完成的功與理論功之比稱為汽輪機(jī)內(nèi)部相對(duì)效率，簡(jiǎn)稱汽輪機(jī)效率其他過(guò)程的效率也可類似處理在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，若蒸氣的消耗量為DKg/h，則理想循環(huán)的效率為實(shí)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(duì)有效效率鍋爐效率動(dòng)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(diǎn)，工程實(shí)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(shí)際難以實(shí)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(diǎn)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(jì)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(jì)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(jiǎn)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(diǎn)小型火力發(fā)電廠回?zé)峒?jí)數(shù)一般為1～3級(jí)，中大型火力發(fā)電廠一般為4～8級(jí)。優(yōu)點(diǎn)提高熱效率減小汽輪機(jī)低壓缸尺寸，末級(jí)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)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(shí)踐再熱壓力

pb=pa0.2~0.3p1

p1<10MPa，一般不采用再熱我國(guó)常見(jiàn)機(jī)組，10、12.5、20、30萬(wàn)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(jì)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(shí)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(lái)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(diǎn)：

熱電互相影響

供熱參數(shù)單一清華北門外2臺(tái)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(dòng)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(jià)），從低溫?zé)嵩慈?動(dòng)力循環(huán)

輸入熱,通過(guò)循環(huán)輸出功

?熱泵循環(huán)輸入功量（或其他代價(jià)），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(kù)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(lái)衡量設(shè)備產(chǎn)冷量大小制冷能力：制冷設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)從冷庫(kù)取走的熱量(kJ/s)。商業(yè)上常用冷噸來(lái)表示。1冷噸：1噸0°C飽和水在24小時(shí)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(guó)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(guò)程四個(gè)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(kù)）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(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：工質(zhì)無(wú)毒，無(wú)味，不怕泄漏。缺點(diǎn)：1.無(wú)法實(shí)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(dòng)。一般用低沸點(diǎn)工質(zhì)，如氟利昂、氨沸點(diǎn)：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(shí)際難以實(shí)現(xiàn)逆向卡諾循環(huán)，原因有3，實(shí)際中進(jìn)行了調(diào)整蒸汽壓縮制冷循環(huán)

工質(zhì)在冷庫(kù)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(guò)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(jì)算Ts12345蒸發(fā)器中吸熱量

冷凝器中放熱量

制冷系數(shù)

兩個(gè)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(jì)算Ts12345lnph123451qw2q過(guò)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(diǎn)：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(jì)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(duì)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??；⑶制冷劑對(duì)金屬材料和其他材料應(yīng)無(wú)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(duì)人的生命和健康應(yīng)無(wú)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(jià)格便宜、易于購(gòu)買。(二）常用制冷劑1.氨（NH3，R717）優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝蝗莘e制冷能力大，蒸發(fā)壓力和冷凝壓力適中，價(jià)格低。缺點(diǎn)：有刺激性、爆炸。2.氟里昂（R12，R22，R13，R11）優(yōu)點(diǎn)：無(wú)毒、無(wú)臭、不燃、對(duì)金屬無(wú)腐蝕缺點(diǎn)：放熱系數(shù)低、價(jià)格高、吸水性差、對(duì)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(guò)泵時(shí)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(jià)吸收式制冷以消耗熱量為代價(jià)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(diǎn)用于大型空調(diào)、中央空調(diào)。優(yōu)點(diǎn)：直接利用熱能可用低品質(zhì)熱缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，熱能利用系數(shù)低環(huán)境性能好，無(wú)復(fù)雜轉(zhuǎn)動(dòng)