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1、1 第六章第六章 动力装置循环动力装置循环 2 热能动力装置热能动力装置 ： 将热能转换为机械能的设备，将热能转换为机械能的设备， 也称为也称为热力发动机热力发动机，简称，简称热机。热机。 动力装置循环动力装置循环（简称（简称动力循环动力循环或或热机循环热机循环）：）： 蒸汽动力装置循环蒸汽动力装置循环: : 气体动力装置循环气体动力装置循环: : 以蒸汽为工质的热机以蒸汽为工质的热机工作工作循环（如蒸循环（如蒸 汽机、蒸汽轮机等）。汽机、蒸汽轮机等）。 以气体为工质的热机以气体为工质的热机工作工作循环（如循环（如 内燃机、燃气轮机等）。内燃机、燃气轮机等）。 3 研究热机循环的目的：研究热机
2、循环的目的： 分析其热能利用的经济性（即热效率）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、影响热效率的因素、寻找提高热效率的 途径。途径。 研究热机循环的方法：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，通过热力学分析杂的不可逆过程和循环，通过热力学分析 确定其基本规律。确定其基本规律。 4 6-16-1 蒸汽动力装置循环蒸汽动力装置循环 火力发电厂的蒸火力发电厂的蒸 汽动力装置以水蒸汽动力装置以水蒸 气为工质，主要由气
3、为工质，主要由 锅炉、汽轮机、冷锅炉、汽轮机、冷 凝器和水泵四个设凝器和水泵四个设 备组成。备组成。 锅 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 5 1. 1. 朗肯循环朗肯循环 朗肯循环是一个简化的朗肯循环是一个简化的 理想蒸汽动力循环，由理想蒸汽动力循环，由4 4个个 理想化的可逆过程组成：理想化的可逆过程组成： 4-5-6-14-5-6-1：水与水蒸气在锅炉水与水蒸气在锅炉 中的可逆定压加热过程；中的可逆定压加热过程； 1-21-2：水蒸气在汽轮机中的水蒸气在汽轮机中的 可逆绝热膨胀过程可逆绝热膨胀过程； 2-32-
4、3：乏汽在冷凝器中的定乏汽在冷凝器中的定 压放热过程。压放热过程。 3-43-4：水在给水泵中的可逆水在给水泵中的可逆 绝热压缩过程绝热压缩过程; ; 6 2. 2. 朗肯循环的净功及热效率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在朗肯循环中，每千克蒸汽对外所作出的净功 根据稳定流动能量方程式根据稳定流动能量方程式 每千克蒸汽在锅炉中的定压吸热量为每千克蒸汽在锅炉中的定压吸热量为 根据热效率定义，可得朗肯循环的热效率为根据热效率定义，可得朗肯循环的热效率为 7 由于水的压缩性很小，水泵消耗的功与汽轮机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
5、，作出的功相比甚小，可忽略不计， 汽耗率汽耗率 ：动力装置每输出：动力装置每输出1J1J功所消耗的蒸汽量功所消耗的蒸汽量 单位单位：kg/Jkg/J 工程单位工程单位：kg/kg/（kWkWh)h) 1 1 kWkWh = 3600 kJh = 3600 kJ 1 kg/J = 3600 kg/(kW1 kg/J = 3600 kg/(kW h)h) 8 3 3蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 朗肯循环的热效率朗肯循环的热效率 与新蒸汽的温度与新蒸汽的温度t t 1 1 ( (初温初温) )、 压力压力p p 1 1 ( (初压初压) )、以及乏汽的压力、以及乏汽的
6、压力p p 2 2 ( (终压终压) )有关。有关。 将朗肯循环折合成熵变相将朗肯循环折合成熵变相 等、吸（放）热量相同、热等、吸（放）热量相同、热 效率相同的卡诺循环。效率相同的卡诺循环。 提高吸热平均温度或降低放热平均温度都可以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。提高循环的热效率。 9 (1) (1) 蒸汽初温蒸汽初温t t 1 1 的影响的影响 保持保持p p 1 1 、p p 2 2 不变，将不变，将t t 1 1 提高，提高， 则吸热平均温度提高，循环热效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率将提高；乏汽干度增加有利于 汽轮机安全工作。汽
7、轮机安全工作。 提高提高t t 1 1 受材料受材料 耐热强度限制。耐热强度限制。 (2) (2) 蒸汽初压的影响蒸汽初压的影响 保持保持t t 1 1 、 p p 2 2 不变，提高不变，提高p p 1 1 ， 将提高吸热平均温度，提高将提高吸热平均温度，提高 循环的热效率。然而，乏汽循环的热效率。然而，乏汽 的干度减小，将影响汽轮机的干度减小，将影响汽轮机 后几级叶片安全。后几级叶片安全。x x 0.85 0.85 10 (2) (2) 乏汽压力的影响乏汽压力的影响 保持保持t t 1 1 、 p p 1 1 不变，降低不变，降低p p 2 2 ，则对，则对 应的饱和温度应的饱和温度T T
8、 2 2 （即放热温度）（即放热温度） 降低，循环热效率将有所提高。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但是，终压的降低受冷凝器冷却 介质温度介质温度( (环境温度环境温度) )的限制。的限制。 结论结论：为了提高蒸汽动力循环的热效率，应尽可能提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。高蒸汽的初压和初温，并降低乏汽压力。 11 4 4提高蒸汽动力循环热效率的其他途径提高蒸汽动力循环热效率的其他途径 （1 1）再热循环）再热循环 再热可以增加蒸汽的干度，以便在初温限再热可以增加蒸汽的干度，以便在初温限 制下采用更高的初压，从而提高循环热
9、效率。制下采用更高的初压，从而提高循环热效率。 通常一次再热可使热效率提高通常一次再热可使热效率提高 2 23.53.5。 再热循环的设备复杂，投资大，只有蒸汽压再热循环的设备复杂，投资大，只有蒸汽压 力在力在13MPa 13MPa 以上的大型火力发电厂才采用。以上的大型火力发电厂才采用。 12 （2 2）回热循环）回热循环 回热循环提高了吸热平均温度，提高了循环热效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，率。抽汽量的大小根据质量守恒和能量守恒确定， 应使应使 kgkg抽汽所放出的热量等于抽汽所放出的热量等于(1-(1- ) )kgkg凝结水加热
10、凝结水加热 到抽汽压力下的饱和温度。到抽汽压力下的饱和温度。 13 根据热力学第一定律，回热加热器中的能根据热力学第一定律，回热加热器中的能 量平衡式为量平衡式为 循环热效率为循环热效率为 抽汽压力取决于锅炉前给水温度抽汽压力取决于锅炉前给水温度( (t t10 10 t t 9 9 ) )。 回热级数：级数愈多，回热级数：级数愈多， t t 愈高，费用愈大。愈高，费用愈大。小小 型发电厂型发电厂1 13 3级，中大型发电厂级，中大型发电厂4 48 8级。级。 14 （3 3）热电联供循环热电联供循环 1 1）背压式汽轮机）背压式汽轮机热电联热电联 供循环供循环 2 2）抽汽式汽轮机）抽汽式汽
11、轮机热电联热电联 供循环供循环 热电联供热电联供：用发电厂乏：用发电厂乏 汽的余热来满足热用户的需汽的余热来满足热用户的需 要。（热电厂）要。（热电厂） 能量利用系数能量利用系数 两个热经济性指标：两个热经济性指标： t t 、K K 15 6-6-2 2 活塞式活塞式内燃机内燃机循环循环 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 16 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
12、环 17 1. 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= 35MPa ，t2=600800， 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 18 3）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
13、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 。 4）排气冲程5-0：活塞到下死点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。 19 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
14、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 20 12：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） 21 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作过程对循环热效率的 影响，引入下列内燃机的特性参数： 表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。 表示定容加热过程工质压力升高
15、的程度。 表示定压加热时工质体积膨胀的程度。 22 单位质量工质的吸热量： 单位质量工质的放热量： 循环热效率： （1） 混合加热循环 23 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 ： 24 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。 25 （2） 定容加热循环 （奥图（奥图OttoOtto循环循环) ) 汽油机和煤气机的理想循环 循环热效率： 定压预胀比： 26 （3）定压加热循环 （狄塞尔狄塞尔循环循环) ) 早期低速柴油机的理想循环，现已被淘汰。 循环热效率： 定容升压比： 27 3. 影响内燃机理想循环热效率的主要因素 （1） 压缩比 的影响 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，但汽油机小巧。 一般柴油机 一般汽油机： 28 （2）绝
