传统能源利用

传统能源利用热机及其热力循环传统能源的利用方法传统能源是指煤、石油和天然气。这些化石能源的利用方法主要有直接使用和能量形式的转化使用两种方式。在能量形式转化方式上，主要是采取气体动力循环和蒸汽动力循环两类热力过程。蒸汽轮机发电锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器1234柴油机

活塞式汽车发动机构造火花塞2-气缸盖3-出水口4-气缸5-活塞6-水套7-水泵8-活塞销9-进水口10-连杆11-飞轮12-曲轴13-机油管14-曲轴箱15-机油泵16-曲轴正时齿轮17-凸轮正时齿轮18-凸轮轴19-排气管20-进气管21-进气门22排气门23-化油器汽油机动力循环按工质空气为主的燃气按理想气体处理蒸汽动力循环：外燃机水蒸气等实际气体气体动力循环：内燃机，燃气轮机气体动力循环分类按结构活塞式叶轮式小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船移动电站汽油机点燃式，压燃式汽车，摩托，小型轮船按燃料航空，大型轮船，移动电站柴油机煤油机航空按点燃方式：按冲程数：二冲程，四冲程航空发动机（叶轮式燃气循环）活塞动力循环特点四冲程高速柴油机为例（混合加热循环）（压燃式）四冲程柴油机工作原理空气、油废气吸气压缩，喷油燃烧膨胀作功排气四冲程高速柴油机工作过程(P-V图)1230—1

吸空气pV一般n=1.34~1.37柴油自燃t=335℃p02’01—2’

多变压缩p2’=3~5MPat2’=600~800℃2’

喷柴油2

开始燃烧2—3

迅速燃烧，近似Vp↑5~9MPa453—4

边喷油，边膨胀123pVp01’2’0t4可达1700~1800℃4

停止喷柴油4—5

多变膨胀V近似膨胀pp5=0.3~0.5MPat5500℃5—1’

开阀排气，降压1’—0

活塞推排气,完成循环四冲程高速柴油机123451.

工质pVp01’2’0工质数量不变定比热理想气体(空气)P-V图p-v图2.

0-1和1’-0抵消开口闭口循环3.排气向外界放热(定容)4.燃烧外界加热5.

多变绝热6.

不可逆可逆混合加热理想循环1235pp01’2’012345pv1234512345pvTs分析循环吸热量，放热量，热效率和功混合加热理想循环的计算12345Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率柴油机与汽油机动力循环12345pv1234pv柴油机，压燃式汽油机，点燃式定容加热循环（OTTO循环)12341234pvTs定容加热循环的计算1234Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率定容加热循环的计算1234Ts热效率高速柴油机与低速柴油机循环图示12345pv1234pv柴油机，压燃式高增压低速柴油机压燃式定压加热循环（Diesel循环)1234pv1234Ts定压加热循环的计算1234Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率定义几个指标性参数12345pv压缩比定容增压比定压预胀比反映气缸容积反映供油规律理想混合加热循环的计算12345Ts热效率理想混合加热循环的计算12345Ts热效率各因素对混合加热循环的影响1、当

、不变受气缸材料限制一般柴油机潜艇用氦气，k=1.66各因素对混合加热循环的影响2、当不变12345pv定容加热循环的计算汽油易爆燃一般汽油机一般柴油机效率高于汽油机的效率但汽油机小巧活塞式内燃机循环比较比较的条件压缩比吸热量反映气缸结构尺寸、工艺材料反映作功量（马力）最高压力反映材料耐压、壁厚、成本最高温度反映材料耐温比较的对象：混合加热，定容加热，定压加热ε和q1相同Ts平均温度法3m4m123v4v3p4p

pmax和Tmax相同Ts相等12v342m2ppmax和q1相同3p4mTs2p3m12v4v3v4p2m？？和相同，图示大小燃气轮机装置循环

勃雷顿循环（BraytonCycle）用途：

航空发动机尖峰电站移动电站大型轮船航空发动机尖峰电站或移动电站理想化：燃气轮机装置简介1234压气机燃气轮机燃料1）工质：数量不变，定比热理想气体2）闭口循环3）可逆过程燃烧室燃气轮机装置定压加热理想循环

——布雷顿循环pvTs12341234布雷登循环的计算Ts1234吸热量：放热量：热效率：布雷顿循环热效率的计算Ts1234热效率：热效率表达式似乎与卡诺循环一样布雷顿循环热效率的计算Ts1234热效率：定义：循环增压比布雷顿循环净功的计算Ts1234定义：循环增温比对净功的影响Ts12343’4’当不变不变但T3受材料耐热限制对净功的影响Ts当不变太大太小存在最佳，使最大最佳增压比（w净）的求解Ts令最大循环净功燃气轮机的实际循环Ts1234压气机：不可逆绝热压缩燃气轮机：不可逆绝热膨胀2’4’定义：压气机绝热效率燃气轮机相对内效率燃气轮机的实际循环的净功Ts12342’4’净功吸热量燃气轮机的实际循环的热效率Ts12342’4’热效率影响燃气机实际循环热效率的因素··一定，·一定，有最佳

·右移和的关系>地面上，尺寸次要，省燃料，取空中，尺寸重要，取提高受材料耐热限制取最佳有无其它途径提高布雷顿循环热效率的其他途径2若使T4T4在500oC以上134Ts不可能如果T4>T2预热空气，回热一、回热布雷顿循环回热示意图1234压气机燃气轮机燃烧室回热器4R2A压气机间冷的图示1234燃气轮机燃烧室间冷器5压气机62’间冷＋回热示意图134燃气轮机燃烧室间冷器5压气机62’回热器4R2R间冷＋回热在Ts图上的表示2134Ts2’654R2R结论：再热示意图1234’压气机燃气轮机燃烧室1燃烧室23’5再热＋回热示意图1234’压气机燃气轮机燃烧室2回热器燃烧室14R2R53’再热＋回热在Ts图上的表示213Ts3’4’4结论：54R2R再热+间冷+回热示意图1234压气机燃气轮机燃烧室2回热器间冷器燃烧室12R4R结论：再热+间冷+回热的Ts图示3Ts2142R4R无穷多级的极限情况2134Ts两个等温过程两个等压过程+回热概括性卡诺循环级数越多，越复杂，造价越高，一般2~3级斯特林（Stirling)循环1816年提出，近20年才实施冷气室热气室加热器冷却器AB回热器1-2T

压缩2-3V

吸热3-4T

膨胀4-1V

放热斯特林循环图示12341234pvTs概括性卡诺循环核潜艇，制冷气体动力循环燃气轮机循环：理想循环和实际循环的计算和比较活塞式内燃机循环：(特点、计算、比较)提高热效率的手段：回热间冷+回热再热+回热动力循环问题讨论动力循环的一般规律:任何动力循环都是以消耗热能为代价以作功为目的升压是前提加热是手段作功是目的放热是必须顺序不可变步骤不可缺按工质气体动力循环：内燃机、燃气轮机蒸汽动力循环：外燃机空气为主的燃气按理想气体处理水蒸气等实际气体蒸汽动力循环水蒸气：火力发电、核电低沸点工质：氨、氟里昂太阳能、余热、地热发电

四个主要装置：

锅炉

汽轮机

凝汽器

给水泵朗肯循环水蒸汽动力循环系统

锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器水蒸气动力循环系统的简化锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器朗肯循环1234简化（理想化）：12汽轮机s

膨胀23凝汽器p

放热34给水泵s

压缩41

锅炉p

吸热1342pv朗肯循环pv图12汽轮机s

膨胀23凝汽器p

放热34给水泵s

压缩41

锅炉p

吸热4321Tshs1324朗肯循环T-s和h-s图12汽轮机s

膨胀23凝汽器p

放热34给水泵s

压缩41

锅炉p

吸热hs1324朗肯循环热效率的计算

一般很小，占0.8~1%，忽略泵功

汽耗率的概念工程上常用汽耗率：反映装置经济性，设备尺寸汽耗率：蒸汽动力装置每输出1kW.h功所消耗的蒸汽量kgsp1t1p2654321如何提高朗肯循环的热效率影响热效率的参数？TsT6543211.蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响t1,p2不变，p1优点：

，汽轮机出口尺寸小缺点：

对强度要求高

不利于汽轮机安全。一般要求出口干度大于0.85~0.88sT6543212.蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响优点：

，有利于汽机安全。缺点：

对耐热及强度要求高，目前初温一般在550℃左右汽机出口尺寸大p1,p2不变，t1sT6543213.乏汽压力对朗肯循环热效率的影响优点：

缺点：受环境温度限制，现在大型机组p2为0.0035~0.005MPa，相应的饱和温度约为27~33℃

，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高p1,t1不变，p2蒸汽动力循环冷却水系统蒸汽动力循环冷却水系统实体国产锅炉、汽轮机发电机组的初参数简表实际蒸汽动力循环分析sT5322’4’1’’1’14非理想因素：给水泵不可逆(34’)汽机不可逆(12’)汽机汽门节流(1’

1

)

蒸汽管道摩擦降压，散热(1’’1’)

有摩阻的实际循环sT5322’4’14忽略泵功可逆朗肯循环效率汽机相对内效率提高循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初压力降低乏汽压力改变循环形式回热循环再热循环联合循环热电联产燃气-蒸汽联合循环新型动力循环IGCCPFBC-CC…...Ts65431b蒸汽再热循环(reheat)Ts65431b蒸汽再热循环的热效率

再热循环本身不一定提高循环热效率

与再热压力有关

x2降低,给提高初压创造了条件，选取再热压力合适，一般采用一次再热可使热效率提高2％～3.5％。cd蒸汽再热循环的实践

再热压力

pb=pa0.2~0.3p1

p1<10MPa，一般不采用再热

我国常见机组，10、12.5、20、30万机组，p1>13.5MPa，一次再热

超临界机组，t1>600℃，p1>25MPa，二次再热Ts65431b蒸汽再热循环的定量计算吸热量：放热量：净功（忽略泵功）：热效率：蒸汽回热循环(regenerative)抽汽去凝汽器冷凝水表面式回热器抽汽冷凝水给水混合式回热器抽汽式回热蒸汽抽汽回热循环(1-)kg

kg65as43211kgTa

kg4(1-)kg51kg由于T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功抽汽回热热效率提高(1-)kg

kg65as43211kgT简单朗肯循环：物理意义：

kg工质100%利用

1-kg工质效率未变蒸汽抽汽回热循环的特点小型火力发电厂回热级数一般为1～3级中大型火力发电厂一般为4～8级。优点提高热效率减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面可兼作除氧器缺点循环比功减小，汽耗率增加增加设备复杂性回热器投资>缺点提高循环热效率的途径改变循环参数提高初温度提高初压力降低乏汽压力改变循环形式回热循环再热循环联合循环热电联产燃气-蒸汽联合循环新型动力循环IGCCPFBC-CC…...热电联产(供)循环用发电厂作了功的蒸汽的余热来满足热用户的需要，这种作法称为热电联(产)供。背压式机组(背压>0.1MPa)热用户为什么要用换热器而不直接用热力循环的水？背压式热电联产(供)循环背压式缺点：

热电互相影响

供热参数单一抽汽调节式热电联产(供)循环

抽汽式热电联供循环,可以自动调节热、电供应比例，以满足不同用户的需要。热电联产(供)循环的经济性评价

只采用热效率显然不够全面

能量利用系数，但未考虑热和电的品位不同

热电联产、集中供热是发展方向，经济环保现代新型动力循环蒸汽电站提高电厂供电效率的措施：提高初参数，向亚临界和超临界发展；采用大功率机组，降低厂用电率；采用热电联供。火电厂发展现状占总装机容量的80%左右，效率37~40%；

耗煤占总产量30%，油占10%左右；

提高供电效率和改善环境有重要意义。燃气-蒸汽联合循环燃气轮机的发展热力参数与单机容量逐步提高，达W>200MW，热效率35~41%；可靠性95~98.5%，可作为基本负荷电站；联合循环的现实可行性燃气轮机排气温度t4=400~600℃；大功率机组排气量300kg/s以上；利用排气能量加热蒸汽轮机给水(取代锅炉)，大大提高供电效率，极限效率(烧气)约58%。燃气

蒸汽联合循环燃气蒸汽联合循环Ts燃气轮机循环蒸汽轮机循环燃气蒸汽联合循环法国GECAlsthom公司的联合循环电站燃气轮机：227.2MW蒸汽轮机：128.3MW燃料：天然气热效率：54.5%制冷循环概述•制冷（热泵)循环输入功量（或其他代价），从低温热源取热•动力循环

输入热,通过循环输出功

•

热泵循环输入功量（或其他代价），向高温热用户供热—正循环—逆循环—逆循环制冷空调原理与装置冷柜冰箱机组汽车空调机组冷热两用空调机组(a)夏季制冷循环(b)冬季热泵循环

制冷与热泵两用装置示意图A四通换向阀，B毛细节流装置，C压缩机制冷制热制冷循环和制冷系数CoefficientofPerformanceT0环境T2冷库卡诺逆循环q1q2wTsT2T0T0不变,T2

εCT2不变,T0

εC热泵循环和供热系数CoefficientofPerformance卡诺逆循环wTsT2T0T1不变,T0

εCT0不变,T1

εCT1制冷能力和冷吨生产中常用制冷能力来衡量设备产冷量大小制冷能力：制冷设备单位时间内从冷库取走的热量(kJ/s)。商业上常用冷吨来表示。1冷吨：1吨0°C饱和水在24小时内被冷冻到0°C的冰所需冷量。水的凝结（熔化）热

r=334kJ/kg1冷吨=3.86

kJ/s1美国冷吨=3.517

kJ/s制冷循环种类制冷循环压缩制冷空气压缩制冷蒸气压缩制冷吸收式制冷吸附式制冷蒸汽喷射制冷半导体制冷热声制冷压缩空气制冷循环冷却水膨胀机压缩机冷藏室冷却器3214一、压缩空气制冷循环概述四个主要部件；工质：空气1

2

绝热压缩p

T2

3

等压冷却向环境放热，T3

4

绝热膨胀T<T1（冷库）4

1

等压吸热T

T1理想化处理：①理气；

②定化热;

③

可逆；pv图和Ts图1

2

绝热压缩2

3

等压冷却3

4

绝热膨胀4

1

等压吸热

pv3214TsT2T01234逆勃雷登循环sspp空气压缩制冷循环特点

优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。

缺点：

1.无法实现T

，

<

C2.q2=cp(T1-T4)，空气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，

使用叶轮式，再回热则可用。回热式空气制冷循环回热式空气压缩制冷装置T2T01RTs2R53R41R2R134253R1空气回热制冷与非回热的比较吸热量（收益）：q2=cp(T1-T4)放热量：q1=cp(T2-T3)

=cp(T2R-T5)非回热回热不变相同回热＝

非回热适用于小压比大流量的叶轮式压气机空气制冷系统T2T0Ts1R2R53R1342空气压缩制冷的根本缺陷1.无法实现T

，

低，经济性差2.q2=cp(T1-T4)小，制冷能力q2

很小。

汽化潜热大，制冷能力可能大

蒸气在两相区易实现T压缩蒸汽制冷循环

水能用否？0°C以下凝固不能流动。一般用低沸点工质，如氟利昂、氨沸点：水100°CR22-40.8°CR134aTHR01-26.1°C-30.18°C空气压缩制冷循环装置冷却水膨胀机压缩机冷藏室冷却器3214压缩蒸汽制冷空调装置1-2：绝热压缩过程2-4：定压放热过程4-5：绝热节流过程5-1：定压吸热过程45Ts1234567比较逆卡诺循环346773湿蒸气压缩“液击”现象

12既安全，又增加了单位质量工质的制冷量71逆卡诺实际节流阀代替了膨胀机节流阀代替膨胀机分析Ts12345682.

少从冷库取走热量优点：1.

损失功量ab面积a84ba面积a86ba面积8468缺点：1.

省掉膨胀机，设备简化；2.

膨胀阀开度，易调节蒸发温度；84越陡越好利>弊过冷措施Ts12345lnph123455’4’不变4’5’工程上常用制冷剂的性质

蒸气压缩制冷，要尽可能利用工质两相区，因此与工质性质密切相关。对热物性要求：1.

沸点低，tb<10ºC2.

压力适中，蒸发器中稍大于大气压，冷凝器中不太高；3.

汽化潜热大，大冷冻能力；4.T-S图上下界线陡峭：上界陡峭，冷冻更接近定温，下界线陡，节流损失小；5.

凝固点低，价廉，无毒，不腐蚀，不爆，性质稳定、油溶性、材料相容性、环境性能、安全性能好。发达国家HCFCs禁用时间表美国2003.1.1:作发泡剂用的HCFC-141b

将被禁用

2010.1.1:停止HCFC-22和142b的生产

2015.1.1:停止HCFC-123和124的生产

2020.1.1:HCFC-22和141b将被禁用

2030.1.1:HCFC-123和124将被禁用瑞士，意大利2000.1.1:HCFCs将被禁用德国2000.1.1:HCFC-22将被禁用瑞典，加拿大2010.1.1:HCFCs将被禁用发展中国家CFC&HCFC削减及禁用时间表1999.7.1CFC-11，12，113，114，115控制在