第六章 热 力 循 环

第六章热力循环

本章基本要求熟练掌握水蒸气朗肯循环、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;掌握蒸气压缩制冷循环及其热力分析；熟悉空气压缩制冷循环及其热力分析；了解制冷剂的性质、其他相关制冷循环的原理及特点。本章重点1、熟悉朗肯循环图示与计算2、朗肯循环与卡诺循环3、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响4、再热、回热原理及计算动力循环——热能转换为机械能的循环，正向循环；广义热泵循环——消耗机械能把热量由低温物体传向高温物体的循环，逆向循环。A、制冷循环——维持低温热源的低温；B、热泵循环（供暖循环）——维持高温热源的高温。热力循环按工质种类分类：气体循环：工质只发生状态变化而不发生相变。蒸气循环：工质发生状态变化和相变。动力循环按燃料的燃烧方式分：内燃式循环：燃料在系统内部燃烧，燃气本身就是工质。外燃式循环：燃料在系统外部燃烧，热量间壁传给工质。6.1蒸气卡诺循环卡诺循环是相同条件下效率最高的循环。以气体做工质，定温吸热和定温放热两个过程难以实现；且每循环完成的功小。蒸气为工质可以克服上述两个缺点，在湿蒸气区，工质的定压过程就是定温过程，可以实现卡诺循环，且每循环获得的功较多。实际生产中不采用蒸气卡诺循环的原因：（1）绝热压缩过程难以实现；缺少压缩水气混合物的合适设备；（2）定熵膨胀末期，蒸汽湿度较大，对汽轮机工作不利；（3）蒸气比体积比水大千倍，压缩时设备庞大，耗功也大；（4）仅限于湿蒸气区，上限温度受制于临界温度，热效率不高，每循环完成的功也不大。6.2朗肯（Rankine）循环

四个主要装置：

锅炉

汽轮机

凝汽器

给水泵水蒸气动力循环系统

锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器一、工作原理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郎肯循环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Ts和hs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吸热朗肯循环与水蒸气卡诺循环的区别（1）乏汽的凝结是完全的；（2）冷凝水由泵泵入锅炉，简化了设备，但增加了水的定压加热过程，降低了平均吸热温度，从而使热效率降低；（3）增加了过热器，蒸气在过热器中的吸热过程也是定压过程，提高了平均吸热温度，从而提高了乏气的干度，提高了循环效率，也改善了汽轮机的工作条件。hs1324二、朗肯循环热效率

汽轮机作功(定熵膨胀技术功)：凝汽器中的定压放热量：水泵绝热压缩耗功：锅炉中的定压吸热量：定压吸热过程吸入的热量hs1324朗肯循环热效率的计算

水的压缩过程可视为定容压缩过程水泵功与汽轮机功相比很小，可以忽略整个循环中工质完成的净功循环热效率任何循环的热效率可表示为：蒸气动力装置输出1KW.h(3600KJ)功量所消耗的蒸汽量称为汽耗率，用符号d表示：在功率一定的条件下，汽耗率反应了循环中各设备尺寸的大小，所以汽耗率是动力装置的经济指标之一。sp1,t1,p2654321三、蒸气参数对循环热效率的影响影响热效率的参数？TsT6543211、蒸汽初压p1对热效率的影响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0.85~0.88'4'5'6'1'22'x1Tth2'vsT6543212、蒸汽初温对热效率的影响优点：

，有利于汽机安全。缺点：

对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在550℃左右汽机出口尺寸大p1,p2不变，t1'1'22'xth1T2'vsT6543213、乏汽压力对热效率的影响优点：

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24~33℃

，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高P2降低，乏气干度下降，对汽轮机工作不利p1,t1不变，p22Tth'2'3'4四、实际循环以汽轮机内有摩擦损耗为例来进行分析蒸气经汽轮机绝热膨胀完成的实际功为：汽轮机内气体实际完成的功与理论功之比称为汽轮机内部相对效率，简称汽轮机效率其他过程的效率也可类似处理在设计计算时，若蒸气的消耗量为DKg/h，则理想循环的效率为实际循环的效率为若考虑摩擦损失，则汽轮机输出的有效功率为Ne：机械效率相对有效效率锅炉效率动力装置效率例题6－16.3朗肯循环的改进为了克服朗肯循环的缺点，工程实际做了许多改进，如回热循环、再热循环等。一、回热循环利用汽轮机中的蒸汽预热锅炉给水，称为回热循环1－7－d－3－4－5－6－1称为回热循环(实际难以实现)。循环3－4－5－7－d－3称为概括性卡诺循环。循环5－7－2－e－5为卡诺循环。回热循环的热效率高于朗肯循环的热效率。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-)kgkg657s43211kgTakg4(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循环的抽汽量计算(1-)kgkg657s43211kgT7kg4(1-)kg51kg以混合式回热器为例热一律忽略泵功抽汽回热循环热效率的计算(1-)kgkg657s43211kgT吸热量：放热量：循环功：循环热效率：为什么抽汽回热热效率提高？(1-)kgkg657s43211kgT推导得出简单朗肯循环：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改变循环形式热电联产燃气-蒸汽联合循环新型动力循环IGCCPFBC-CC…...二、

蒸汽再热循环(reheat)Ts65431bcTs65431b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％。c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：c蒸汽再热循环实体照片6.4

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

供热参数单一清华北门外2台背压式，5000kW电负荷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Ex经济学评价热电联产、集中供热是发展方向，经济环保6.5压缩空气制冷循环•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—逆循环制冷循环和制冷系数CoefficientofPerformanceT0环境T2冷库卡诺逆循环q1q2wTsT2T1T1不变,T2

εCT2不变,T1

εC热泵循环和供热系数CoefficientofPerformanceT1房间T0环境卡诺逆循环q1q2wTsT2T0T1不变,T2

εh,cT2不变,T1

εh,cT1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

空气压缩制冷压缩制冷蒸汽压缩制冷吸收式制冷制冷循环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空气压缩制冷循环过程四个主要部件；工质：空气12绝热压缩p

T23等压冷却向环境放热，T34绝热膨胀T<T1

（冷库）41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12绝热压缩23等压冷却34绝热膨胀41等压吸热

pv3214TsT1T31234逆勃雷登循环ssppTs1234制冷系数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。pv图和Ts图

pv3214TsT2T012346.6蒸气压缩制冷循环

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蒸气逆向卡诺循环制冷系数工程实际难以实现逆向卡诺循环，原因有3，实际中进行了调整蒸汽压缩制冷循环

工质在冷库中定温定压吸热气化为干饱和蒸气，然后进入压缩机被绝热压缩成过热蒸气，再经冷凝器在定压下放热冷凝为饱和液体，最后经节流阀绝热节流降压降温成为湿蒸气。蒸气压缩制冷循环的计算Ts12345蒸发器中吸热量

冷凝器中放热量

制冷系数

两个等压，热与功均与焓有关

lnp-h图压缩机耗功lnp-h图及计算Ts12345lnph123451qw2q过冷措施Ts12345lnph123455’4’不变4’5’工程上常用回热制冷循环的优点：制冷量增加；制冷系数提高；可防止液击现象。回热循环应满足的条件：lnp-h图及计算所需制冷剂质量流量压缩机吸入状态下的质量流量压缩机的定熵功率绝热压缩效率压缩机功耗循环制冷系数制冷机的制冷能力随工作条件不同而变化。6.7制冷剂(一）对制冷剂的要求1.热力学性质⑴制冷剂的临界温度要高，远远高于环境温度；⑵凝固温度要低，低于环境温度；⑶制冷剂单位容积制冷能力要大，气化潜热要大；⑷蒸发压力和冷凝压力适中；⑸绝热指数要低。2.物理化学的性质⑴制冷剂的导热系数和放热系数要高；⑵制冷剂密度、粘度要小；⑶制冷剂对金属材料和其他材料应无腐蚀和侵蚀；⑷制冷剂在高温下不分解、且不燃烧、不爆炸。3.其他⑴制冷剂对人的生命和健康应无害，不具有毒性、窒息性和刺激性，化学性质稳定；⑵制冷剂价格便宜、易于购买。(二）常用制冷剂1.氨（NH3，R717）优点：单位容积制冷能力大，蒸发压力和冷凝压力适中，价格低。缺点：有刺激性、爆炸。2.氟里昂（R12，R22，R13，R11）优点：无毒、无臭、不燃、对金属无腐蚀缺点：放热系数低、价格高、吸水性差、对环境污染。吸收式制冷循环—absorptionrefrigeration6.8吸收式制冷循环直接利用热能作为补偿条件1、工作原理2、能量交换：工质在蒸发器内吸入热量Q2，在吸收器中放出热量Q3，在蒸气发生器中吸收热量Q4，在冷凝器中放出热量Q1，经过泵时得到功Wp。3、热量利用系数：利用溶液性质压缩制冷循环以消耗机械功为代价吸收式制冷以消耗热量为代价溶液

=溶剂+溶质溶液T溶液T溶剂吸收溶质的能力溶剂吸收溶质的能力溶液浓度溶液浓度氨（溶质）

+水（溶剂）溶液溴化锂（溶剂）

+水（溶质）溶液

吸收式制冷循环特点用于大型空调、中央空调。优点：直接利用热能可用低品质热缺点：设备体积大，启动时间长，热能利用系数低环境性能好，无复杂转动