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22-23第八章动力循环


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(22) 第八章 动力循环
本章基本要求 掌握蒸气动力基本循环-朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环的组成、 热效率计算及提高热效率的方法和途径。 热机: 将热能转换为机械能的设备叫做热力原动机。 热机的工作循环称为动力循环。 热机: 动力循环可分:蒸汽动力循环和燃气动力循环两大类。

8.1 蒸汽动力基本

循环一朗肯循环
朗肯循环是最简单的蒸汽动力理想循环, 热力发电厂的各种较复杂的蒸汽动力 循环都是在朗肯循环的基础上予以改进而得到的。 8.1.1 装置与流程 蒸汽动力装置:锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵等四部分主要设备。 工作原理:p-v、T-s 和 h-s。 朗肯循环可理想化为:两个定压过程和两个定熵过程,即 水在蒸汽锅炉中定压加热变为过热水蒸气 过热水蒸气在汽轮机定熵膨胀 湿蒸气在凝汽器内定压(也定温)冷却凝结放热 凝结水在水泵中的定熵压缩 8.1.2 8.1.2 朗肯循环的能量分析及热效率 取汽轮机为控制体,建立能量方程:

η=

h1 ? h2 h1 ? h3

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8.2 提高朗肯循环热效率的基本途径
依据:卡诺循环热效率

8.2.1 提高平均吸热温度
直接方法式提高蒸汽压力和温度。

8.2.2 降低排气压力

.. 例 1:某朗肯循环的蒸汽参数取为 t1 =550 C , p1 =30bar, p 2 =0.05bar。试计算 1) 水泵所消耗的功量,2) 汽轮机作功量, 功, 5) 循环热效率。 解:根据蒸汽表或图查得 1、2、3、4 各状态点的焓、熵值: 3) 汽轮机出口蒸汽干度, 4) 循环净
0

h1 =3568.6KJ/kg

s1 =7.3752kJ/kgK

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h2 =2236kJ/kg
h3 =137.8kJ /kg

s 2 =7.3752kJ/kgK
s3 =0.4762kJ/kgK

h4 =140.9kJ/kg
则 1) 水泵所消耗的功量为

w p = h4 ? h3 =140.9-137.78=3.1kJ/kg
2) 汽轮机作功量

wt = h1 ? h2 =3568.6-2236=1332.6kJ/kg
3) 汽轮机出口蒸汽干度
' p 2 =0.05bar 时的 s 2 =0.4762kJ/kgK ' s2 ? s2 = 0.87 " ' s2 ? s2 " s 2 =8.3952kJ/kgK.



x=

或查 h-s 图可得 4) 循环净功

x =0.87.

w0 = wT ? w p =1332.6-3.1=1329.5kJ/kg
5) 循环热效率

q1 = h1 ? h4 =3568.6-140.9=3427.7KJ/kg


ηT =

w0 =0.39=39% q1
水泵的功 w p = v ( p 2 a ? p1 ) ÷ 0.8

(i)p3a=6.867bar,t3a=490℃

=0.001(686.7-9.81)÷0.8=0.846kJ/kg

wnet=923.57-0.846=922.72kJ/kg
(ii) p3b=58.86 bar,t3b=490℃ 水泵的功 w p = v ( p 2 b ? p1 ) ÷ 0.8

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=0.001(5886-9.81)÷0.8=7.34 kJ/kg

wnet=1057.5-7.34=1050.16 kJ/kg

8.2.3 回热循环与再热循环
目的:提高等效卡诺循环的平均吸热温度 1)回热循环 抽气回热循环:用分级抽汽来加热给水的实际回热循环。 设有 1kg 过热蒸汽进入汽轮机膨胀作功。当压力降低至 p 6 时,由汽轮机内抽 取α1kg 蒸汽送入一号回热器,其余的(1-α1) kg 蒸汽在汽轮机内继续膨胀,到压 力降至 p 8 时再抽出α2kg 蒸汽送入二号回热器,汽轮机内剩余的(1-α1-α2) kg 蒸汽则继续膨胀,直到压力降至 p 2 时进入凝汽器。凝结水离开凝汽器后,依次通 过二号、一号回热器,在回热器内先后与两次抽汽混合加热,每次加热终了水温可 达到相应抽汽压力下的饱和温度。 注意: 注意:电厂都采用表面式回热器(即蒸汽不与凝结水相混合),其抽汽回热的作 用相同。

η=

w0 (h1 ? h5 ) + (1 ? α 1 )(h6 ? h8 ) + (1 ? α 1 ? α 2 )(h8 ? h2 ) = q h1 ? h7

2)再热循环 再热的目的:克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大造成的危害。

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再热循环:将汽轮机高压段中膨胀到一定压力的蒸汽重新引到锅炉的中间加热器 (称为再热器)加热升温, 然后再送入汽轮机使之继续膨胀作功。

η=

w0 (h1 ? h6 ) + (h1' ? h2' ) = q (h1 ? h3 ) + (h1' ? h6 )

例 2:某蒸汽动力循环。汽轮机进口蒸汽参数为 p1=13.5bar,t1=370℃,汽轮机出口 蒸汽参数为 p2=0.08bar 的干饱和蒸汽,设环境温度 t0=20℃,试求: (1)汽轮机的 实际功量、理想功量、相对内效率; (2)汽轮机的最大有用功量、熵效率; (3)汽 轮机的相对内效率和熵效率的比较。 解:先将所研究的循环表示在 h-s 图(图 10.3)上,然后根据已知参数在水 蒸气图表上查出有关参数:

h1=3194.7kJ/kg s1=7.2244kJ/(kg·K)

′ ′ h2 = h2′ = h2′′ = 2577.1 kJ/kg

x 2′′ =

′ s 2′ ? s 2′ 7.2244 ? 0.5926 = = 0.8684 ′ ′ s 2′′ ? s 2′ 8.2295 ? 0.5926

′ ′ ′ s 2 = s 2′ = s 2′′ = 8.2295 kJ/(kg · K) h2′ = 173.9 kJ/kg
kJ/(kg·K)

s ′′ = 0.5926 2

′ ′ ′ h2′ = h2′ + x 2′ (h2′′ ? h2′ ) = 173.9 + 0.8684(25771 ? 173.9) = 2259.9 kJ / kg
(1)汽轮机的实际功量:w12=h1-h2=3194.7-2577.1=617.6 kJ/kg

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汽轮机的理想功量: w12′ = h1 ? h2′ = 3194.7 ? 2259.9 = 934.8 kJ/kg 汽轮机的相对内效率

η ri =

w12 617.6 = = 0.661 w12′ 934.8

(2)汽轮机的最大有用功和熵效率 汽轮机的最大有用功

wn?max = e x1 ? e x 3 = (h1 ? T0 s1 ) ? (h2 ? T0 s 2 ) = (3194.7 ? 293 × 7.2244) ? (2577.1 ? 293 × 2.2295) = 912.1kJ / kg
汽轮机的熵效率: η 3 x =

w12 617.6 = = 0.677 wn?max 912.1

(3)汽轮机的相对内效率和熵效率的比较 计算结果表明,汽轮机的对内效率 η ri 小于熵效率 η exo 。因为这两个效率没有直接 联系,它们表明汽轮机完善性的依据是不同的。 汽轮机的相对内效率 η ri 是衡量汽轮机在给定环境中,工质从状态可逆绝热地 过渡到状态 2 所完成的最大有用功量(即两状态熵的差值)利用的程度,即实际作 功量与最大有用功量的比值。 注意: 注意:汽轮机内工质实现的不可逆过程 1-2,可由定熵过程 1-2’和可逆的定 压定温加热过程 2’-2 两个过程来实现。定熵过程 1-2’的作功量为

w12′ = h1 ? h2′ = 934.8 kJ/kg
在可逆的定压定温加热过程 2′-2 中,使 x2′=0.8684 的湿蒸汽经加热变为相同压 力下的干饱和蒸汽,其所需热量为 q2=h2-h2′。因为加热过程是可逆的,故可以想象 用一可逆热泵从环境(T0=293K)向干饱和蒸汽(T2=314.7K)放热。热泵消耗的功 量为 w2′2=q2-T0

q2 = (h2 ? h2′ ) ? T0 ( s 2 ? s 2′ ) = 22.7 kJ/kg。 T2
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故 1-2 过程的最大有用功为

wn? max = w12′ ? w2′2 = 934.8 ? 22.7 = 912.1 kJ/kg
与前面计算结果相同。显见, η ri 与 η ex 的差别为 η ri =

w12 w12′



η ex =

w12 w12 = wn?max w12′ + w2′2

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(23) 23) 8.2.4 热电循环
1)背压式热电循环 优点:热能利用率高 缺点:热负荷和电负荷不能调节 2) 调节抽气式热电循环

实质:利用气轮机中间抽气来供热。

8.3 燃气动力循环
据工作原理不同可分为内燃机循环和燃气轮机循环。 燃机循环 8.3.1 内燃机循环 活塞式内燃机的燃料燃烧、工质膨胀、压缩等过程都是在同一带有活塞的气缸 内进行的,因此结构比较紧凑。 活塞式内燃机按所使用的燃料分为煤气机、汽油机和柴油机;按点火方式分为 点燃式和压燃式两大类; 按完成一个循环所需要的冲程又分为四冲程和二冲程的内 燃机。点燃式内燃机吸入燃料和空气的混合物,经压缩后,由电火花点燃;而压燃 式内燃机吸入的仅仅是空气,经压缩后使空气的温度上升到燃料自燃的温度,再喷 入燃料燃烧。煤气机、汽油机一般是点燃式内燃机,而柴油机则是压燃式内燃机。

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柴油机主要用于装备重型机械,如推土机、重型卡车、船舶主机,等等。汽油 机主要应用于轻型设备,如轿车、摩托车、园艺机械、螺旋桨直升机等。

8.3.2 活塞式内燃机工作过程
下面以四冲程柴油机为例,讨论如何从实际循环抽象、概括得出理论循环。通 过一种叫示功器的设备记录四冲程柴油机实际循环中压力和容积变化的关系如图 6-1 所示。0-1 是活塞右行的吸气过程,由于进气阀的节流作用,进入气缸的气体 的压力略低于大气压力。活塞右行到下止点 1,进气阀关闭。然后活塞左行,进行 压缩过程 1-2,由于缸壁夹层中有水冷却,所以压缩过程是个多变过程,平均多变 指数在 1.34-1.37。在活塞左行到上止点之前的 2'点,柴油被高压油泵喷入气缸, 此时被压缩的空气的压力可达 3-5MPa,温度也可达到 600-800℃,超过了柴油的自 燃温度(约 335℃左右) 。但被喷入的柴油需有一个滞燃期才会燃烧,加上现代柴 油机的转速较高,因此要到活塞运行到接近上止点 2 才燃烧起来。由于燃烧过程十 分迅猛,压力迅速上升到 5-9Mpa,而活塞移动并不显著,这样气体的加热过程就 接近于定容过程,如图中的过程 2-3。活塞到达点 3 后,又开始右行,此时燃烧在 继续进行, 气缸内气体的压力变化很少, 所以 3-4 这一段过程接近于定压加热过程。 到点 4 时缸内气体的温度可高达 1700-1800℃。活塞继续右行,气缸内高温高压气 体实现膨胀作功过程 4-5,同时向冷却水放热,所以也是一个多变过程。到点 5 时 气体的压力一般降为 0.3-0.5MPa,温度约为 500℃。这时排气阀打开,部分废气排 入大气,气缸中压力突然下降,接近于定容降压过程,如图中过程 5-1",随着活 塞左行,废气在压力稍高于大气压下被排出气缸,实现排气过程 1"-0,完成一个 循环。 这个循环是开式的不可逆循环, 循环不同部位工质的成分、 质量也稍有改变。 柴油机的实际循环被理想化为混合加热理想可逆循环 又称萨巴德循环 如图 混合加热理想可逆循环, 萨巴德循环, 混合加热理想可逆循环 萨巴德循环 6-2 所示。 现行的柴油机都是在这种循环的基础上设计制造的。 循环构成如下: 1-2: 定熵压缩过程;2-3:定容加热过程;3-4:定压加热过程;4-5:热定熵膨胀过程;

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5-1:定容放热过程。 定压加热的理想循环又称狄塞尔循环 早期的低速柴油就是以这种循环为基础 狄塞尔循环, 定压加热的理想循环 狄塞尔循环 设计的。近年来,有些高增压柴油机及船用高速柴油机,它们的燃烧过程主要在活 塞离开上止点后的一段行程中进行,这时燃料燃烧和燃气膨胀同时进行,气缸内压 力基本保持不变。这种柴油机的实际循环,经理想化后即是定压加热理想循环,如 图 6-3 所示。其中:1-2 是定熵压缩过程,2-3 是定压加热过程,3-4 是定熵膨胀 过程,4-1 定容放热过程。 定容加热理想循环又称奥托循环 基于这种循环而制造的煤气机和汽油机是最 奥托循环, 定容加热理想循环 奥托循环 早的活塞式内燃机。由于煤气机、汽油机和柴油机燃料性质不同,机器的构造也不 同,其燃烧过程接近于定容过程,不再有边燃烧边膨胀接近于定压的过程,故而在 热力学分析中,奥托循环可以看作不存在定压加热过程的混合加热理想循环。图 6-5 是定容加热理想循环的 图和 图。1-2 是定熵压缩过程,2-3 是定容

加热过程,3-4 是定熵膨胀过程,4-1 是定容放热过程。 例题 例 6-1】有一定压加热理想循环的压缩比 =20,作功冲程的 4%为定压加热过程。 压缩冲程的初始状态为 =100kPa, =20℃.求:(1)循环中每个过程的初始压力 =1.4)

和温度;(2)循环热效率。 (工质取空气,其比热容取定值, 解: 循环的 和 图如图 6-3 所示。由已知条件

已知定压加热过程是作功冲程的 4%,即有

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所以

由于

,所以据上式

=1.76。因 2-3 是定压过程,故有

=971.63K×1.76=1710 K

3-4 是定熵过程,有

依据式(6-3)可得循环热效率为:

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