流体力学与热工学 课件10 动力循环

第十章气体动力循环10–1分析动力循环的一般方法一

分析动力循环的目的

在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。二

分析动力循环的一般步骤1）实际循环（复杂不可逆）抽象、简化可逆理论循环分析可逆循环影响经济性的主要因素和可能改进途径实际循环指导改善2）分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失的部位、大小、原因及改进办法。10–1分析动力循环的一般方法三

分析动力循环的方法1）第一定律分析法以第一定律为基础，以能

量的数量守恒为立足点。2）第二定律分析法综合第一定律和第二定律

从能量的数量和质量分析。熵分析法

分析法熵产作功能力损失

损

效率3)内部热效率

i

——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。其中与实际循环相当的卡诺循环热效率与实际循环相当的内可逆循环的热效率10–1分析动力循环的一般方法相对热效率，反映该内部可逆循环因与高、低温热源存在温差（外部不可逆）而造成的损失相对内部效率，反映内部摩擦引起的损失四空气标准假设1）气体动力循环中工作流体理想气体空气定比热2）燃烧和排气过程吸热和放热过程3）燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计10–1分析动力循环的一般方法10–2活塞式内燃机实际循环的简化一

活塞式内燃机分类按燃料煤气机汽油机柴油机按点火方式点燃式压燃式二冲程四冲程

按冲程数以典型的四冲程柴油机为例空气①④②③10–2活塞式内燃机实际循环的简化四冲程柴油机的实际循环与简化模型。四冲程柴油机实际循环的简化：（1）将一个工质组分改变的内燃的开式循环变换了一个工质组分不变的外加热的闭式循环123451；（2）绝热压缩过程b→c理想化为定熵压缩过程1→2；（3）定容燃烧过程c→d理想化为定容加热过程2→3；（4）定压燃烧过程d→e理想化为定压加热过程3→4；（5）绝热膨胀过程e→f理想化为定熵膨胀过程4→5；（6）定容排气（降压）过程f→g理想化为定容冷却（降压）过程5→1。10–2活塞式内燃机实际循环的简化10–3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热循环（萨巴特循环）理想化：1

热力过程的理想化①进气过程→0-1定压线②压缩过程→1-2定熵压缩③燃烧过程→2-3定容加热＋3-4定压加热（外热源加热）④膨胀过程→4-5定熵膨胀⑤排气过程→5-1定容放热＋1-0定压线工质以理想气体对待3

开口系统简化为闭口系统特性参数：压缩比:表示燃烧前气体在气缸中被压缩的程度，即气体比体积缩小的倍率。定容增压比：表示定容燃烧时气体压力升高的倍率。1-2为绝热过程2-3为定容过程10–3活塞式内燃机的理想循环定压预胀比：表示定压燃烧时气体比体积增大的倍数。3-4为定压过程4-5为绝热过程10–3活塞式内燃机的理想循环混合加热循环的热效率为：10–3活塞式内燃机的理想循环讨论：总结：

（1）吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重要措施。（2）利用T-s图分析循环较方便。（3）同时考虑q1和q2或Tm1和Tm2平均。受气缸材料限制一般柴油机10–3活塞式内燃机的理想循环二定压加热循环（狄塞尔循环）3434讨论：三定容加热理想循环（奥托循环）可见：活塞式内燃机各种理想循环的比较

一压缩比相同、吸热量相同

活塞式内燃机各种理想循环的比较二最高压力相同、最高温度相同动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净功。按工质气体动力循环：内燃机蒸汽动力循环：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10-4朗肯循环1水蒸气的卡诺循环水蒸气卡诺循环有可能实现，但：

1）温限小

2）膨胀末端x太小

3）压缩两相物质的困难，绝热压缩过程难实现实际并不实行卡诺循环10-4朗肯循环简单蒸汽动力装置流程图锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器2.水蒸气朗肯循环（理想化循环）1234四个主要装置及过程：1-2汽轮机s膨胀2-3凝汽器p放热3-4给水泵s

压缩4-1锅炉p

吸热

vp016543210-4朗肯循环p-v和T-s图vp0165432TS314

5

6

2

010-4朗肯循环hs1324朗肯循环功、热及热效率的计算

汽轮机作功：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：10-4朗肯循环hs1324一般很小，占0.8~1%，忽略泵功

10-4朗肯循环s6543213.蒸汽参数对热效率的影响影响热效率的参数主要是：p1,t1,p2T10-4朗肯循环T654321t1,p2不变，p1优点：减小汽轮机出口尺寸缺点：（1）对强度要求高（2）不利于汽轮机安全。一般要求出口干度大于0.85~0.88.'4'5'6'1'2（1）初压p1sp1,p2不变，t1优点：有利于汽轮机安全缺点：（1）对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在550℃左右。（2）汽轮机出口尺寸大。（2）初温t1sT654321'1'2优点：缺点：（1）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。（2）冬天热效率高。（3）背压p2t1,p1不变，p2sT654321'2'3'4在不同初、终参数下朗肯循环的热效率

p2=0.05bar,t1=435ºC时

p1152535507590ηt33.735.937.038.539.940.6

p1=35bar,p2=0.05bar时

t1300350400435450500ηt35.436.036.637.037.438.2

p1=35bar,t1=435ºC时p2

0.040.050.10.20.51ηt37.537.035.133.129.626.9结论：要想提高蒸汽动力装置的热效率（1）改变蒸汽参数：尽可能提高蒸汽的初压和初温，并降低乏汽压力（2）改进朗肯循环：如：再热循环，回热循环，热电联供循环等。4.有摩阻的实际循环忽略水泵功：10-4朗肯循环Ts65431b（1）再热循环本身不一定提高循环热效率（2）与再热压力有关（3）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％。5再热循环

再热循环的目的：在初温不允许继续提高的情况下，为了提高初压，以提高循环热效率，且不使汽轮机排汽干度过低，在朗肯循环基础上引入蒸汽中间再过热方法。T41235671’2‘0s

T–s图

（1）

一次再热循环装置的系统图及T-s图

一次再热循环

（2）

朗肯循环和一次再热循环T–s

图比较T41235671’2‘0s

再热循环T–s图T4123560s朗肯循环T–s图

（3）

再热对热效率的影响及中间压力（a）再热对热效率的影响一次再热吸收的总热量：对外放热：热效率：净功（忽略泵功）：a）中间最佳压力应能够同时提高排汽干度和循环热效率。b）根据已有的设计和运行经验，pm一般为初压p1的20%—30%。通常一次再热可使热效率提高2%—3.5%。（b）中间再热压力目的：分析再热压力过高或过低对循环的影响。

目前，高参数大功率汽轮发电机组的再热级数一般小于2级。

a）初压低于10Mpa时，一般不采用再热循环；

b)初压在13Mpa—临界压力以下时，采用一级再热；

c)超临界参数时，采用两级再热。（1）由吸热平均温度知，如果蒸汽的压力和温度一定，提高进入锅炉的给水温度，同样可提高吸热平均温度，从而提高锅炉exergy效率。（2）回热循环：就是从汽轮机的中部抽出一部分作过功、但仍具有某一中间压力pk的蒸汽，供至回热器（给水加热器）中，用来加热来自冷凝器的冷凝水，然后再经泵加压后一起供至锅炉。蒸汽的焓增来自锅炉，经回热器后部分热（焓）又返回到锅炉，所以称之“回热循环”。

6回热循环回热器两种方式混合式抽汽冷凝水给水混合式回热器间壁式抽汽去凝汽器冷凝水表面式回热器蒸汽抽汽回热循环(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

回热循环T-s图如下。抽气口的状态点a为压力pk、温度Ta的过热蒸汽，抽气份额α。在回热器中定压放热，冷凝成状态点5的水，将锅炉的给水从状态4加热至状态5，使锅炉的吸热过程从水泵压缩后的状态点6开始至状态点1。吸热量为q1=h1-h6，吸热平均温度为：显然，回热循环可以提高热平均温度，从而提高锅炉的exergy效率和循环的效率。65as432T1CT0P2PkP1TmT5T0T*m5抽汽回热循环的抽汽量计算a

kg4(1-

)kg51kg以混合式回热器为例热一律忽略泵功(1-

)kg

kg65as43（2'）211kgTa'抽汽回热循环热效率的计算吸热量：放热量：净功：热效率：(1-

)kg

kg65as43（2'）211kgTa'为什么抽汽回热热效率提高？抽汽回热循环：简单朗肯循环：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（>

缺点）（1）提高热效率（