(精品)工程热力学课件：动力循环
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循环热效率比朗肯循环热效率有所降低 利用了乏汽的热量，热能利用率比高，经
济性好。 不需要凝汽器，简化了系统设备 供热与供电相互牵制，难以同时满足供热
与供电的需求 供热参数单一
调节抽汽式热电循环
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。
热电循环的经济性评价
对比5678 • wnet卡诺< wnet 朗肯
4 3 8 12
11 7 2
对比9-10-11-12
• 11点x太小,不利于汽 机强度； • 12-9两相区 难压缩； s • wnet卡诺小
如何提高朗肯循环的热效率
T
5 4
3
1 6
2 s
t
h1 h1
h2 h3
影响热效率的 参数？
p1 t1 p2
热电循环
背压式机组(背压>0.1MPa)
过热器
1 汽轮机
锅炉
4
给水泵
3
2' 热用户
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。
热能利用率
• 热能利用率 K
已被利用的能量 K 工质从热源得到的能量 q供热＋wnet 1
q1
实际K值约为0.65～0.7
背压式热电循环的特点
多级压缩，中间冷却
间冷器 5
2 3
6
燃烧室 2’
1 压气机
燃气轮机 4
多种方式组合——回热＋中间冷却
回热器 间冷器
5
6
4R 2R燃烧室 3
2’
1 压气机
4 燃气轮机
多种方式组合——再热＋回热
回热器 燃烧室1
2
2R 4R
3
燃烧室2
3’ 5
1 压气机
燃气轮机 4’
多种方式组合——再热＋间冷＋回热
1
1
k 1
p2 p1
k
2
4
1
s
定义压比： p2
p1
t 1
1
k 1
k
提高Brayton循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式
t 1
1
k 1
k
再热 回热 多级压缩，中间冷却
回热
2A
回热器 2
3
4R 燃烧室
压气机
燃气轮机
4 1
再热
燃烧室1
3
3’
2
燃烧室2
5
1 压气机
燃气轮机 4’
工程热力学
Engineering Thermodynamics
动力循环
蒸汽动力基本循环 回热循环和再热循环 热电循环 内燃机循环 燃气轮机循环
动力循环研究目的和分类
热机（热力原动机）：将热能转化为机械能的设备 动力循环：热机的工作循环 工质连续不断地将从பைடு நூலகம்温热源取得的热量的一部分转换成 对外的净功
s
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3
1a
6 b
2
吸热量：
q1 h1 h4 ha hb
放热量：
q2 h2 h3 净功（忽略泵功）：
wnet h1 hb ha h2
s
热效率：
t,RH
wnet q1
(h1 hb ) (ha (h1 h4 ) (ha
h2 ) hb )
•
只采用热效率
t
wnet显然不够全面 q1
• 能量利用系数 K ，但未考虑热和电的品位不同
K
已被利用的能量 工质从热源得到的能量
q供热＋wnet q1
• Ex经济学评价
内燃机循环
燃气动力循环
燃气轮机循环 内燃机循环
点燃式（汽油机） 压燃式（柴油机）
定定混 容压合 加加加 热热热 循循循 环环环
定容加热循环（Otto循环）
蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T
5'
5
4'
4 3
1' 1 6'
6
2' 2
s
优点：
• T1 t
v •
，汽轮机出口尺寸
小 2'
缺点： • 对强度要求高
x •全。一2' 般不要利求于出汽口轮干机度安大
于0.86~ 0.88
蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
p1 , p2不变，t1
优点：
Otto循环效率
吸热量 q1 cv T3 T2
放热量 q2 cv T4 T1
热效率
t
w q1
q1 q2 q1
1
q2 q1
1
T4
T1
1
T1
T4 T1
1
因1－2，3－T3 4为T2定熵过T2 程 TT32，有1
T2 T1
v1 v2
k 1
T3 T4
T
3
2
4
1
s
t
1 T1 T2
给水泵
水蒸气动力循环系统的简化
简化（理想化）：
汽轮机
12 汽轮机 s 膨胀
锅 炉
23 凝汽器 p 放热
发电机
34 给水泵 s 压缩
凝汽器 41 锅炉 p 吸热
给水泵
朗肯循环
朗肯循环图
p
4
1
3
2
v
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
朗肯循环图
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。
蒸汽再热循环
T 5
4 3
1a
6 b
2
s
1
再 热
4
b 2
a
3
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3
1a
6 b
2
• 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 ％～4％。
间冷器 回热器 燃烧室1 3
2 4R 2R
燃烧室2
压气机 1
燃气轮机 4
简单燃气轮机定压加热循环——Brayton循环
Brayton循环热效率 T
3
t
1 T4 T1 T3 T2
1
T1
T4 T1
T2
T3 T2
1
1
因为：1－2，3－4为定熵过程
k 1
k 1
所以：T3 T4
p3 p4
k
p2 p1
k
T2 T1
t
1 T1 T2
1 1 T2 T1
a kg (1- )kg
4
抽汽量的计算
T
1
1kg
6
kg
a
5
4
(1- )kg
3
2
1kg 5
a kg (1- )kg
4
以混合式回热器为例 热一律
ha 1 h4 1 h5
h5 h4
ha h4
忽略泵功 s
h5 h3
ha h3
抽汽回热循环热效率
T
1
1kg 6 kg
a
4 5 (1- )kg
12 汽轮机 s 膨胀 34 给水泵 s 压缩 T
1
23 凝汽器 p 放热 41 锅炉 p 吸热
h 1
4
4
2
3
2
3
s
s
朗肯循环能量分析
汽轮机作功：
ws,12 h1 h2 h
凝汽器中的定压放热量：
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功：
4
ws,34 h4 h3
3
锅炉中的定压吸热量：
q1 h1 h4
v2
混合加热循环
吸热量 q1 cv T2' T2 cp T3 T2'
放热量 q2 cv T4 T1
热效率
t
w q1
q1 q2 q1
1 q2 q1
t
1
1
k 1
(
k 1 1) k(
1)
其中定义 压缩比 v1
定压预胀比 v3
v2
v2
定容升压比
p2'
p2
燃气轮机循环
h1 h2'
h2 h2'
1
h1 ha
a
简单朗肯循环：t
1
h2 h1
h2' h2'
2
1
h1
ha
0
s
t,RG t
蒸汽抽汽回热循环的特点
•优点 >缺点 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
研究目的：合理安排循环，提高热效率
按工质
燃气动力循环：内燃机，如汽油机、柴油机等
理想气体
空气为主的燃气
蒸汽动力循环：外燃机，如蒸汽机、汽轮机
实际气体
水蒸气、氨、氟利昂等
动力循环的分类
按结构
活塞式 piston engine 汽车，摩托，小型轮船
叶轮式
Gas turbine cycle
航空，大型轮船，移动电站 联合循环的顶循环
研究内容和研究方法
研究内容：两类动力循环的构成、特点以及提高动力 循环热力性能的途径。
实际动力循环非常复杂
不可逆，多变指数变化，燃烧等
工程热力学研究方法，先对实际动力循环进行抽 象和理想化，形成各种理想循环进行分析，最后 进行修正。
朗肯循环
水蒸气动力循环系统
汽轮机 锅 炉
发电机
凝汽器
四个主要装置： 锅炉 汽轮机 凝汽器 给水泵
T
1'
1
• T1 t
x • 2' ，有利于汽机安全。
5
6
缺点：
4
• 对耐热及强度要求高， 目前初温一般在550℃
3
2 2'
左右
v• 2' 汽机出口尺寸大
s
乏汽压力对朗肯循环热效率的影响
p1 , t1不变，p2
T 1
5
6
4 2
4' 3
3'
2'
优点：
• T2 t
缺点： •受环境温度限制，现在大 型机组p2为3~4kPa，相应的 饱和温度约为24~ 29℃ ，已 接近事实上可能达到的最低 限度。——冬天热效率高
1 2
s
朗肯循环热效率
t
wnet q1
ws,12 ws,34 q1
h
一般很小，占
0.8~1%，忽
略泵功
4
t
h1 h2 h1 h3
3
1 2
s
朗肯循环与卡诺循环的比较
T 4'
9
5
1 10
6
对比同温限1234’ • q2相同； • q1卡诺> q1朗肯
• 卡诺> 朗肯； •等温吸
热4’1难实现
吸热量：
q1,RG h1 h5 h1 ha'
放热量：
q2,RG 1 h2 h2'
3
2
净功：wRG h1 ha
s
1 ha h2
热效率：
t,RG
h1
ha
1 ha
h1 ha'
h2
为什么抽汽回热热效率提高
T
1kg
6
kg
5
4
(1- )kg
3
1
t,RG 1
1 6
2 s
抽汽式回热循环
1 1kg
a2
αkg
6
3
5
4
(1-α)kg
抽汽 冷凝水
去凝汽器 表面式回热器
给水
抽汽 冷凝水
抽汽式回热
混合式回热器
抽汽回热循环
T
1
1kg
6
kg
a
5
4
(1- )kg
3
2
1 1kg
a2
αkg
6
3
5
4
(1-α)kg
s
由于T-s图上各点质量不同，
面积不再直接代表热和功
1kg
5
s
提高循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式
联合循环
提高初温度
提高初压力
降低乏汽压力
再热循环 Reheat
回热循环 Regenerative
热电联产 Cogeneration
燃气-蒸汽联合循环
新型动力循环
IGCC PFBC-CC
…...
极限回热循环
1 1kg
4
T
5
2
4
3
3
极限回热循环与同温度范围内的卡诺循环热效率相等 实际上无法实现： 1.蒸汽速度很高，零温差传热无法实现 2.膨胀做功后蒸汽干度过低，影响汽轮机正常工作。
1
1
v1 v2
k 1
1
1
k 1
定压加热循环（Diesel循环）
Diesel循环效率
T
3
吸热量 放热量
q1 cp T3 T2
q2 cv T4 T1
2
4
热效率
t
w q1
q1 q2 q1
1
q2 q1
1
s
t
1
k 1 k1k ( 1)
其中定义 v1
v2
为压缩比， v3 为定压预胀比
济性好。 不需要凝汽器，简化了系统设备 供热与供电相互牵制，难以同时满足供热
与供电的需求 供热参数单一
调节抽汽式热电循环
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。
热电循环的经济性评价
对比5678 • wnet卡诺< wnet 朗肯
4 3 8 12
11 7 2
对比9-10-11-12
• 11点x太小,不利于汽 机强度； • 12-9两相区 难压缩； s • wnet卡诺小
如何提高朗肯循环的热效率
T
5 4
3
1 6
2 s
t
h1 h1
h2 h3
影响热效率的 参数？
p1 t1 p2
热电循环
背压式机组(背压>0.1MPa)
过热器
1 汽轮机
锅炉
4
给水泵
3
2' 热用户
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。
热能利用率
• 热能利用率 K
已被利用的能量 K 工质从热源得到的能量 q供热＋wnet 1
q1
实际K值约为0.65～0.7
背压式热电循环的特点
多级压缩，中间冷却
间冷器 5
2 3
6
燃烧室 2’
1 压气机
燃气轮机 4
多种方式组合——回热＋中间冷却
回热器 间冷器
5
6
4R 2R燃烧室 3
2’
1 压气机
4 燃气轮机
多种方式组合——再热＋回热
回热器 燃烧室1
2
2R 4R
3
燃烧室2
3’ 5
1 压气机
燃气轮机 4’
多种方式组合——再热＋间冷＋回热
1
1
k 1
p2 p1
k
2
4
1
s
定义压比： p2
p1
t 1
1
k 1
k
提高Brayton循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式
t 1
1
k 1
k
再热 回热 多级压缩，中间冷却
回热
2A
回热器 2
3
4R 燃烧室
压气机
燃气轮机
4 1
再热
燃烧室1
3
3’
2
燃烧室2
5
1 压气机
燃气轮机 4’
工程热力学
Engineering Thermodynamics
动力循环
蒸汽动力基本循环 回热循环和再热循环 热电循环 内燃机循环 燃气轮机循环
动力循环研究目的和分类
热机（热力原动机）：将热能转化为机械能的设备 动力循环：热机的工作循环 工质连续不断地将从பைடு நூலகம்温热源取得的热量的一部分转换成 对外的净功
s
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3
1a
6 b
2
吸热量：
q1 h1 h4 ha hb
放热量：
q2 h2 h3 净功（忽略泵功）：
wnet h1 hb ha h2
s
热效率：
t,RH
wnet q1
(h1 hb ) (ha (h1 h4 ) (ha
h2 ) hb )
•
只采用热效率
t
wnet显然不够全面 q1
• 能量利用系数 K ，但未考虑热和电的品位不同
K
已被利用的能量 工质从热源得到的能量
q供热＋wnet q1
• Ex经济学评价
内燃机循环
燃气动力循环
燃气轮机循环 内燃机循环
点燃式（汽油机） 压燃式（柴油机）
定定混 容压合 加加加 热热热 循循循 环环环
定容加热循环（Otto循环）
蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T
5'
5
4'
4 3
1' 1 6'
6
2' 2
s
优点：
• T1 t
v •
，汽轮机出口尺寸
小 2'
缺点： • 对强度要求高
x •全。一2' 般不要利求于出汽口轮干机度安大
于0.86~ 0.88
蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
p1 , p2不变，t1
优点：
Otto循环效率
吸热量 q1 cv T3 T2
放热量 q2 cv T4 T1
热效率
t
w q1
q1 q2 q1
1
q2 q1
1
T4
T1
1
T1
T4 T1
1
因1－2，3－T3 4为T2定熵过T2 程 TT32，有1
T2 T1
v1 v2
k 1
T3 T4
T
3
2
4
1
s
t
1 T1 T2
给水泵
水蒸气动力循环系统的简化
简化（理想化）：
汽轮机
12 汽轮机 s 膨胀
锅 炉
23 凝汽器 p 放热
发电机
34 给水泵 s 压缩
凝汽器 41 锅炉 p 吸热
给水泵
朗肯循环
朗肯循环图
p
4
1
3
2
v
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
朗肯循环图
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。
蒸汽再热循环
T 5
4 3
1a
6 b
2
s
1
再 热
4
b 2
a
3
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3
1a
6 b
2
• 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 ％～4％。
间冷器 回热器 燃烧室1 3
2 4R 2R
燃烧室2
压气机 1
燃气轮机 4
简单燃气轮机定压加热循环——Brayton循环
Brayton循环热效率 T
3
t
1 T4 T1 T3 T2
1
T1
T4 T1
T2
T3 T2
1
1
因为：1－2，3－4为定熵过程
k 1
k 1
所以：T3 T4
p3 p4
k
p2 p1
k
T2 T1
t
1 T1 T2
1 1 T2 T1
a kg (1- )kg
4
抽汽量的计算
T
1
1kg
6
kg
a
5
4
(1- )kg
3
2
1kg 5
a kg (1- )kg
4
以混合式回热器为例 热一律
ha 1 h4 1 h5
h5 h4
ha h4
忽略泵功 s
h5 h3
ha h3
抽汽回热循环热效率
T
1
1kg 6 kg
a
4 5 (1- )kg
12 汽轮机 s 膨胀 34 给水泵 s 压缩 T
1
23 凝汽器 p 放热 41 锅炉 p 吸热
h 1
4
4
2
3
2
3
s
s
朗肯循环能量分析
汽轮机作功：
ws,12 h1 h2 h
凝汽器中的定压放热量：
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功：
4
ws,34 h4 h3
3
锅炉中的定压吸热量：
q1 h1 h4
v2
混合加热循环
吸热量 q1 cv T2' T2 cp T3 T2'
放热量 q2 cv T4 T1
热效率
t
w q1
q1 q2 q1
1 q2 q1
t
1
1
k 1
(
k 1 1) k(
1)
其中定义 压缩比 v1
定压预胀比 v3
v2
v2
定容升压比
p2'
p2
燃气轮机循环
h1 h2'
h2 h2'
1
h1 ha
a
简单朗肯循环：t
1
h2 h1
h2' h2'
2
1
h1
ha
0
s
t,RG t
蒸汽抽汽回热循环的特点
•优点 >缺点 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
研究目的：合理安排循环，提高热效率
按工质
燃气动力循环：内燃机，如汽油机、柴油机等
理想气体
空气为主的燃气
蒸汽动力循环：外燃机，如蒸汽机、汽轮机
实际气体
水蒸气、氨、氟利昂等
动力循环的分类
按结构
活塞式 piston engine 汽车，摩托，小型轮船
叶轮式
Gas turbine cycle
航空，大型轮船，移动电站 联合循环的顶循环
研究内容和研究方法
研究内容：两类动力循环的构成、特点以及提高动力 循环热力性能的途径。
实际动力循环非常复杂
不可逆，多变指数变化，燃烧等
工程热力学研究方法，先对实际动力循环进行抽 象和理想化，形成各种理想循环进行分析，最后 进行修正。
朗肯循环
水蒸气动力循环系统
汽轮机 锅 炉
发电机
凝汽器
四个主要装置： 锅炉 汽轮机 凝汽器 给水泵
T
1'
1
• T1 t
x • 2' ，有利于汽机安全。
5
6
缺点：
4
• 对耐热及强度要求高， 目前初温一般在550℃
3
2 2'
左右
v• 2' 汽机出口尺寸大
s
乏汽压力对朗肯循环热效率的影响
p1 , t1不变，p2
T 1
5
6
4 2
4' 3
3'
2'
优点：
• T2 t
缺点： •受环境温度限制，现在大 型机组p2为3~4kPa，相应的 饱和温度约为24~ 29℃ ，已 接近事实上可能达到的最低 限度。——冬天热效率高
1 2
s
朗肯循环热效率
t
wnet q1
ws,12 ws,34 q1
h
一般很小，占
0.8~1%，忽
略泵功
4
t
h1 h2 h1 h3
3
1 2
s
朗肯循环与卡诺循环的比较
T 4'
9
5
1 10
6
对比同温限1234’ • q2相同； • q1卡诺> q1朗肯
• 卡诺> 朗肯； •等温吸
热4’1难实现
吸热量：
q1,RG h1 h5 h1 ha'
放热量：
q2,RG 1 h2 h2'
3
2
净功：wRG h1 ha
s
1 ha h2
热效率：
t,RG
h1
ha
1 ha
h1 ha'
h2
为什么抽汽回热热效率提高
T
1kg
6
kg
5
4
(1- )kg
3
1
t,RG 1
1 6
2 s
抽汽式回热循环
1 1kg
a2
αkg
6
3
5
4
(1-α)kg
抽汽 冷凝水
去凝汽器 表面式回热器
给水
抽汽 冷凝水
抽汽式回热
混合式回热器
抽汽回热循环
T
1
1kg
6
kg
a
5
4
(1- )kg
3
2
1 1kg
a2
αkg
6
3
5
4
(1-α)kg
s
由于T-s图上各点质量不同，
面积不再直接代表热和功
1kg
5
s
提高循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式
联合循环
提高初温度
提高初压力
降低乏汽压力
再热循环 Reheat
回热循环 Regenerative
热电联产 Cogeneration
燃气-蒸汽联合循环
新型动力循环
IGCC PFBC-CC
…...
极限回热循环
1 1kg
4
T
5
2
4
3
3
极限回热循环与同温度范围内的卡诺循环热效率相等 实际上无法实现： 1.蒸汽速度很高，零温差传热无法实现 2.膨胀做功后蒸汽干度过低，影响汽轮机正常工作。
1
1
v1 v2
k 1
1
1
k 1
定压加热循环（Diesel循环）
Diesel循环效率
T
3
吸热量 放热量
q1 cp T3 T2
q2 cv T4 T1
2
4
热效率
t
w q1
q1 q2 q1
1
q2 q1
1
s
t
1
k 1 k1k ( 1)
其中定义 v1
v2
为压缩比， v3 为定压预胀比