第6章 热力循环

1、发电厂发电厂锅炉蒸汽动力循环系统的简化蒸汽动力循环系统的简化四个主要设备：四个主要设备： 锅炉锅炉 汽轮机汽轮机 凝汽器凝汽器 给水泵给水泵锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器12346.1 蒸汽卡诺循环蒸汽卡诺循环1、理论上可以实现、理论上可以实现2、实际中无法采用、实际中无法采用原因：原因：（1）受临界温度限制，）受临界温度限制， T1不高，故不高，故并不高并不高sT4231T1T2Tc（2）3-4：压缩汽水混合：压缩汽水混合物困难。物困难。（3）2点：湿度太大，侵点：湿度太大，侵蚀汽轮机叶片。蚀汽轮机叶片。6.2 朗肯循环朗肯循环将卡诺循环的将卡诺循环的2 2个定温个

2、定温过程改为定压过程：过程改为定压过程：4321Ts56一、工作原理一、工作原理锅炉锅炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器1234过热器过热器65朗肯循环朗肯循环二、朗肯循环热效率二、朗肯循环热效率汽轮机作功：汽轮机作功：2121 ,hhws凝汽器定压放热量：凝汽器定压放热量：322hhq水泵绝热压缩耗功：水泵绝热压缩耗功：3443 ,hhws锅炉中吸热量：锅炉中吸热量：411hhq,1 2,3 4nett11sswwwqq一般占一般占0.81%，先忽略泵功先忽略泵功 1213thhhh4321Ts56q1q2w3-4w1-2用平均吸、放热温度表示的朗肯循环热效率用平均吸、放热温

3、度表示的朗肯循环热效率3(4)21Ts56q1q2w1211qqqqwt121qq121TT121TT1T2T 1 1、蒸汽初压的影响、蒸汽初压的影响t1 , p2不变不变，p1不利之处不利之处： 对强度要求高对强度要求高x2 : 不不利于汽轮机利于汽轮机安全。一般要求出口安全。一般要求出口干度大于干度大于0.85 0.88 1 6 5 4 2sT64321T1好处：好处： ，汽机出口尺寸汽机出口尺寸1Tt2v121TTt2 2、蒸汽初温的影响、蒸汽初温的影响 1 2p1 , p2不变不变，t1sT654312好处：好处： ：有利于汽机安全有利于汽机安全1Tt2x121TTt不利之处：不利之处

4、： 对耐热及强度要求高，对耐热及强度要求高，目前最高初温：目前最高初温：550v2 ：汽机出口尺寸：汽机出口尺寸3 3、乏汽压力（背压）、乏汽压力（背压）的影响的影响影响影响： 2Tt限制：限制：环境温度环境温度现在大型机组的现在大型机组的p2为为0.0035 0.005MPa，相相应的应的ts 为为27 33 ，已达，已达最低限度。最低限度。p1 , t1不变不变，p2sT654312 2 4 3四、实际循环四、实际循环1、实际循环：、实际循环：实际蒸汽动力循环中，各过实际蒸汽动力循环中，各过程都是不可逆的，以汽轮机为例：程都是不可逆的，以汽轮机为例：sT6543212actsh2p12ac

5、t1p2 h0 h2act2、实际循环的热效率、实际循环的热效率sh2p12act1p2 h0 hact(1) 汽轮机相对内效率：汽轮机相对内效率：0hhactT理论功实际功(2) 循环热效率：循环热效率：tTTactiqhqh101(3) 装置热效率：装置热效率：factqh3、其它性能参数、其它性能参数轴承摩擦损失，用机械效率轴承摩擦损失，用机械效率 m表示，则汽轮机输表示，则汽轮机输出的有效功（轴功）出的有效功（轴功）：0hhwmTactme有效功率有效功率： ，D为蒸汽耗量，为蒸汽耗量，t/h6 . 30hDPmTe理想输出轴功率理想输出轴功率：6 . 300hDP理想汽耗率理想汽耗率

6、：0001hPDd有效功汽耗率有效功汽耗率：mTeedPDd0例例1例例1 我国我国300MW汽轮发电机组：新蒸汽汽轮发电机组：新蒸汽p1=17MPa，t1=550，汽轮机背压汽轮机背压p2=5kPa。求：汽轮机求：汽轮机wT、给水泵给水泵 wP、循环热效率循环热效率t、和和理论耗汽率理论耗汽率d0（1）按朗肯循环，）按朗肯循环，（2）实际循环，汽轮机相对内效率为）实际循环，汽轮机相对内效率为0.9。解解 思路：思路：（1）在在h-s图上，画出汽轮机过程线；图上，画出汽轮机过程线；（2）确定各设备进出口状态，利用图表查）确定各设备进出口状态，利用图表查出所需参数，本题：出所需参数，本题：hsh

7、2p12act1p2 h0 h2act4321Ts进口进口p1, t1，查出查出h1; 出口：从出口：从1点做垂线交点做垂线交p2于于2点，查出点，查出h2，x2实际出口：沿实际出口：沿p2线往上量取线往上量取 h =(1-0.9) h0 找到找到2act点，查出点，查出h2act汽轮机：汽轮机：水泵：水泵：进口进口3：饱和水，：饱和水， p2饱和水和饱和水和h3和和s3 出口出口4：过冷水，：过冷水，p4=p1和和s3查出查出h4（1）按朗肯循环）按朗肯循环sh2p12act1p2 h0 h2act汽轮机：汽轮机：wT =h1-h2=1448 kJ/kg给水泵：给水泵：wP =h4-h3=1

8、7.1 kJ/kg水在锅炉中吸热：水在锅炉中吸热：q1= h1-h4 =3271.2 kJ/kg循环热效率：循环热效率：t =wnet /q1=(h1-h2- wP) /q1=0.442理论耗汽率：理论耗汽率：d0 =1/(h1-h2)=6.8410-7 kg/J（2）按实际循环）按实际循环汽轮机相对内效率为汽轮机相对内效率为0.9:计算同上，计算同上，只要只要把把 h2换成换成h2act即可。即可。讨论：讨论：若忽略水泵功：若忽略水泵功：t =wnet /q1=(h1-h2) /q1=0.445，误差很小。误差很小。sh2p12act1p2 h0 h2act1 1、提高、提高p p1 1可以

9、提高热效率，但可以提高热效率，但x2下降对汽下降对汽轮机不利，限制了轮机不利，限制了p p1 1的提高；的提高；2 2、定压吸、放热的传热温差大，导致朗肯、定压吸、放热的传热温差大，导致朗肯循环的热效率不高。循环的热效率不高。Ts65431ba21234再热ba1、蒸汽再热循环、蒸汽再热循环(reheat)吸热量：吸热量： 114abqhhhh放热量：放热量：223qhh净功（忽略泵功）：净功（忽略泵功）： net12bawhhhh热效率：热效率：net12t,RH114()()()()baabwhhhhqhhhh结果：（结果：（1）再热使）再热使 t 提高；提高；（2）x2Ts653(4)1

10、b2a说明：说明： 选择合适的再热压力，一次中间再热可使热效率提选择合适的再热压力，一次中间再热可使热效率提高高25 排汽干度排汽干度x2提高，为提高初压创造了条件提高，为提高初压创造了条件 再热压力再热压力 pb=pa 0.20.3p1 我国我国100300MW机组：机组： p113.5MPa，采用一次采用一次再热。再热。超临界机组，超临界机组， t1600，p125MPa，采用采用二次二次再热再热 p1缺点缺点回热级数回热级数小型火力发电厂：小型火力发电厂：13级级中大型火力电厂：中大型火力电厂：48级级6.4 6.4 热电联供循环热电联供循环HLQQ 冷凝器中冷凝器中Q QL L得以利用

11、；得以利用； 排气压力受供热温度影排气压力受供热温度影响，较郎肯循环排气压力高响，较郎肯循环排气压力高, ,大于大气压；大于大气压； 热电循环效率热电循环效率 = = 循环热循环热效率效率+ +提供热用户的热量提供热用户的热量/ /输输入的总热量：入的总热量：（1 1）背压式汽轮机热电联供循环）背压式汽轮机热电联供循环QLQH锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器1234热用户热用户载热剂载热剂WS(能量利用系数能量利用系数)（2 2）抽气式汽轮机热电联供循环）抽气式汽轮机热电联供循环shHHHHHwHHQHHQ32212671)1 (n特点：特点：n工质部分供热，部分作功工

12、质部分供热，部分作功n供热量与乏汽无关供热量与乏汽无关1冷凝器冷凝器汽轮机汽轮机热用户热用户锅炉锅炉水泵水泵水泵水泵加热器加热器345672(1-)kgQHWsQhHhsQQw z能量利用系数能量利用系数: :(热电循环效率热电循环效率)制冷循环制冷循环n制冷循环：制冷循环：利用机械功使利用机械功使热量热量从从低温低温高高温温的过程。的过程。n利用制冷循环达到两种目的：利用制冷循环达到两种目的：1）制冷）制冷n使指定的空间保持使指定的空间保持低于环境低于环境的温度，热量从低温空间的温度，热量从低温空间转移到高温环境。夏天的房间、冰箱。转移到高温环境。夏天的房间、冰箱。n制冷机制冷机2）加热）加

13、热n使指定的空间保持使指定的空间保持高于环境高于环境的温度，热量从低温环境的温度，热量从低温环境转移到高温空间。冬天的房间。转移到高温空间。冬天的房间。n热泵热泵夏天夏天低温房间低温房间高温环境高温环境热量热量制冷机制冷机冬天冬天高温房间高温房间低温环境低温环境热量热量热泵热泵一、引言一、引言1、逆向卡诺循环逆向卡诺循环（1）制冷（要）制冷（要q2）222C1202qqTwqqTT制冷系数：制冷系数：（2）热泵（要）热泵（要q1）供热系数：供热系数：111C1210qqTwqqTTT0环境环境T2冷库冷库q1q2wTsT0T1T1室内室内T0环境环境q1q2wTsT2T02、COP与与EERT

14、0环境环境T2冷库冷库q1q2wCOP (Coefficient of performance)EER (energy efficiency ratio )W/WEER2有效输入功率q注：有效输入功率包括：压缩机、风扇、泵、控制和安全装注：有效输入功率包括：压缩机、风扇、泵、控制和安全装置等的输入功率总和。置等的输入功率总和。能效比 ： 性能系数 ：/1COPW WqNGB/T 7725-2004房间空气调节器：3.9 能效比 (EER)：空调器进行制冷运行时，制冷量与有效输入功率之比，其值用 W W 表示。3.10 性能系数 (COP)：空调器进行热泵制热运行时，制热量与有效输入功率之比，其

15、值用 W W 表示。 3 3、制冷能力、冷吨、匹、制冷能力、冷吨、匹制冷量：制冷量：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量制冷设备单位时间内从冷库取走的热量 。表表示设备制冷能力的大小。示设备制冷能力的大小。单位：单位：W（kW, kJ/s）冷吨（冷吨（RT）：）：1吨吨 0 饱和水在饱和水在24小时内被小时内被冷冻成冷冻成0的冰所需冷量。的冰所需冷量。商业上，大型机组商业上，大型机组水的凝结（熔化）热水的凝结（熔化）热: r =334 kJ/kg1 RT = 3.86 kJ/s1 US RT=3.517 kJ/s （1 美吨美吨=2000 磅磅=0.9072 吨吨）匹（匹（HP）匹匹: 空调商家

16、惯用、非法定单位空调商家惯用、非法定单位“匹匹”指的是电器消耗功率：指的是电器消耗功率：1匹匹=1马力马力=735W，并不指制冷量，并不指制冷量空调输入空调输入1匹电功率产生的制冷量为：匹电功率产生的制冷量为： 735WEER日本规定最小日本规定最小EER为为3.4， 1匹匹=735 3.4=2499W举例：举例：KFR-23GW ：制冷量制冷量2300W， 小小1匹匹KFR-25GW ：制冷量制冷量2500W， 1匹匹KFR-35GW ：制冷量制冷量3500W， 1.5匹匹制冷量在制冷量在4800-5100W之间，均约为之间，均约为2匹匹制冷量在制冷量在5800-6200W之间，均约为之间，

17、均约为2.5匹匹制冷量在制冷量在6800-7200W之间，均约为之间，均约为3匹匹4、制冷循环种类、制冷循环种类 空气压缩制冷空气压缩制冷 压缩制冷压缩制冷 蒸汽压缩制冷蒸汽压缩制冷 吸收式制冷吸收式制冷制冷循环制冷循环 吸附式制冷吸附式制冷 蒸汽喷射制冷蒸汽喷射制冷 半导体制冷半导体制冷 热声制冷热声制冷二、二、空气压缩制冷循环空气压缩制冷循环冷却水冷却水膨胀机膨胀机压缩机压缩机冷藏室冷藏室冷却器冷却器3214工质：工质：空气空气12：绝热压缩：绝热压缩：p，T理想化处理：理想化处理：理气；理气； 定比热定比热; 可逆可逆23：等压冷却等压冷却 向环境放热，向环境放热，T34：绝热膨胀绝热膨

18、胀 T T1 （冷库）冷库）41：等压吸热等压吸热 T T1P-v图和图和T-s图图1 2 绝热压缩绝热压缩2 3 等压冷却等压冷却3 4 绝热膨胀绝热膨胀4 1 等压吸热等压吸热 pv3214TsT2T012342212p14p23p142314COP()()()11qqwqqc TTc TTc TTTTTT制冷系数制冷系数Ts1234113322114432223214141111kkkkpTTpTppTTTTTTTTTTTTT1122111111kkkkTpTp-1-1空气压缩制冷循环特点空气压缩制冷循环特点 优点：优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。工质无毒，无味，不怕泄漏。 容获得，无成

19、本容获得，无成本 缺点：缺点：1. 无法实现定无法实现定T ， C2. q2=cp(T1-T4)，空气空气cp很小，很小， (T1-T4)不能太大，不能太大， q2 很小。很小。 若若(T1-T4)3. 活塞式流量活塞式流量m小，制冷量小，制冷量Q2=m q2小小 应用：应用：飞机空调、环境试验飞机空调、环境试验三、蒸汽压缩制冷循环三、蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环是由蒸汽压缩制冷循环是由压缩机、压缩机、冷凝器、冷凝器、节流阀节流阀、蒸发器、蒸发器组成。组成。 制冷循环的工质采用制冷循环的工质采用低沸点低沸点物质作为制冷剂。如：氟里昂物质作为制冷剂。如：氟里昂R22（CHClF2）的）的Tb

20、=-40.80 ，N2 的的Tb=-195.75 利用制冷剂在利用制冷剂在冷凝器中的冷凝器中的液化液化和在和在蒸发器中的蒸发器中的汽化，实现在汽化，实现在高温下排热，低温下吸热过程。高温下排热，低温下吸热过程。q0q2冰箱冷冻冰箱冷冻室提供室提供q0通过冰箱散热片向周通过冰箱散热片向周围环境围环境排排出出q2压缩机压缩机蒸发器蒸发器1432冷凝器冷凝器节节流流阀阀n理想制冷循环理想制冷循环(可逆可逆制冷制冷)即为逆卡诺循即为逆卡诺循环。环。n四个可逆过程构成四个可逆过程构成：1-2：绝热可逆压缩绝热可逆压缩, 从从T1升温至升温至T2，等熵过程，消耗外功等熵过程，消耗外功WS2-3： 等温可逆

21、放热等温可逆放热(q2）；）；3-4： 绝热可逆膨胀，从绝热可逆膨胀，从T2降温至降温至T1，等熵过程，对外作功，等熵过程，对外作功4-1：等温可逆吸热：等温可逆吸热(q0） ST3214 T1T21、逆向卡诺循环、逆向卡诺循环压压缩缩机机蒸发器蒸发器节节流流阀阀冷凝器冷凝器q0q2逆向逆向 Carnot 循环循环1234TS逆逆 向向QQ高温高温 低温低温 T1234S Carnot 循环循环QQ逆卡诺循环的缺点：逆卡诺循环的缺点：（1）12的过程会形成液滴，的过程会形成液滴，在压缩机的气缸中产生在压缩机的气缸中产生“液液击击”现象，容易损坏机器；现象，容易损坏机器；（2）实际过程难以接近四

22、个可）实际过程难以接近四个可逆过程；逆过程；问题：如何改进？问题：如何改进？1、逆向卡诺循环、逆向卡诺循环ST3214 T1T22、蒸汽压缩制冷循环、蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环由蒸汽压缩制冷循环由四步四步构成：构成：12 低压蒸汽的压缩低压蒸汽的压缩24 高压蒸汽的冷却冷凝高压蒸汽的冷却冷凝45 高压液体的节流膨胀，高压液体的节流膨胀，P ，T51低压液体的蒸发低压液体的蒸发蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环对对逆卡诺循环逆卡诺循环的改进：的改进：1）把绝热可逆压缩过程）把绝热可逆压缩过程12安排在安排在过热蒸汽过热蒸汽区，使区，使湿蒸汽变为干气。湿蒸汽变为干气。即即“干法操作干法操作”。

23、2）把原）把原等熵膨胀等熵膨胀过程改为过程改为45的的等焓节流膨胀等焓节流膨胀过程，过程，节流阀的设备简单、操作易行。节流阀的设备简单、操作易行。T1=T5=蒸发温度蒸发温度T3=T4=冷凝温度冷凝温度节流膨胀节流膨胀（等（等H）等等S膨胀膨胀蒸汽压缩制冷循环的工质蒸汽压缩制冷循环的工质一般用低沸点工质，如氟利昂、氨等。一般用低沸点工质，如氟利昂、氨等。工质工质 沸点沸点(1atm)水水100R22- 40.8 R134a氨氨(R17)- 26.1 - 33.5 制冷剂制冷剂蒸汽压缩制冷循环的计算蒸汽压缩制冷循环的计算Ts12345蒸发器中吸热量：蒸发器中吸热量： 21514qhhhh冷凝器中

24、放热量：冷凝器中放热量： 124qhh制冷系数制冷系数：21414212241421()()qhhhhqqqhhhhhhw两个定压，热与功均与焓有关两个定压，热与功均与焓有关 lgp -h图图lgp-h图及计算图及计算Ts12345lnph123452q1qw21514qhhhh124qhh21421qhhwhh高压液过冷措施高压液过冷措施Ts12345lgph1234521421qhhwhh5421whh不变不变45124qhh1、过冷、过冷1， q2：氨机：氨机0.4%；氟机；氟机0.8%2、过冷、过冷造价造价：t=35 215qhh压缩机吸气过热措施压缩机吸气过热措施lgph12345541 目的：防液击、防气蚀目的：防液击、防气蚀过热度一般取：过热度一般取：t=35 四、热泵四、热泵2qw制冷制冷系数系数制热制热系数系数11qw12qqwwwq2q1wT2