工程热力学第9讲-第6章热力循环20101117
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' 2
' h2 h2
t,RG t
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
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 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。
热电联产(供)循环
最简单的热电联产(供)循环是采用背压式汽轮机。
1 过热器 锅炉 4 给水泵 汽轮机
背压式缺点： 热电互相影响 供热参数单一 背压式机组 (背压>0.1MPa)
2' 热用户 3
热用户为什么要用换热器 而不直接用热力循环的水？
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。
2
s
蒸汽再热循环的实践
再热压力 pb=pa(0.2~0.3)p1 p1<10MPa，一般不采用再热。 常见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。
蒸汽再热循环的定量计算
T 6 5 4 3 b 1
过程装备与控制工程专业
工程热力学
第九讲
山东大学机械工程学院 过程装备与控制工程研究所
本讲内容
6 热力循环
1 动力循环 2 制冷循环 3 热泵供热循环 4 气体液化循环
学习要求
1 2 3 4 5 6 7 8 9 熟练掌握朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环 的组成。 会利用蒸汽图表对循环进行热力分析和计算。 掌握提高蒸汽动力循环热效率的方法和途径。 熟悉热电联供循环。 掌握空气和蒸汽压缩制冷循环的组成。 掌握制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。 了解制冷剂的热力学要求和环保要求。 了解吸收制冷、蒸汽喷射制冷、热泵、空调原理。 掌握气体液化循环的原理和特点。
t,RG
h1 ha 1 ha h2
h1 ha'
为什么抽汽回热热效率提高？
简单朗肯循环： 回热朗肯循环：
' h2 h2 t 1 ' h1 h2
t,RG 1
h1 ha 0 1
h1 h 1 h1 ha
h1'' h3 B qf
整个电厂热效率
热效率
wnet ＝ t B oi tu qf
机械
wM wnet
机械效率
电机效率 整个电厂热效率
电机
wg wM
电厂
wg 电机 wM 机械 wnet 收益 电功 电机 ＝ ＝ qf qf 代价 燃料热量 qf
蒸汽再热循环
1 再 热 b a 2
T
1
a
6
5 4 3 b
4
2
s
3
蒸汽再热循环实体照片
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，热效率与再 热压力有关。 x2降低，给提高初压创造 了条件，可选取合适的再 热压力。
T
1
a
6
5 4 3 b
采用一次再热可使热效率 提高2％～5％。
热电联产(供)循环
用发电厂汽轮机后的乏汽的余热来满足低热用户的 需要。 原因：
1. 乏汽的能量数量多，但由于压力和温度低，可用能很少， 无法得到充分的利用。 2. 生活和生产中需要耗费大量燃料以产生大量温度不太高 的热能。 3. 热电联供将二者结合起来，一方面产生动力，另一方面 提供低品位的热能。由此节约的能量比因动力循环效率 下降而损失的能量多，综合节能效果非常显著。
每次完成的功较小。
蒸汽动力循环
1. 2. 3. 蒸汽动力循环：以蒸汽为工质，在湿蒸汽区，可以克服 气体卡诺循环的两个缺点。 实际生产中不采用蒸汽卡诺循环。 原因： 湿蒸汽的绝热压缩难以实现，缺少压缩汽水混合物的合 适设备； 定熵膨胀的末期，蒸汽湿度较大，对汽轮机工作不利； 蒸汽比容比水大上千倍，压缩时设备庞大，耗功也大；
2
2'
s
乏汽压力对朗肯循环热效率的影响
t1 , p1不变，p2 ↓
T
1 优点： •T2 ↓ ηt ↑ 4 缺点： 3 •p2↓ 受环境限制 •现在大型机组p2为3.5~5kPa， 相应的饱和 温度约为27~ 33℃ ，已接近可能达到的最低 限度。 •冬天热效率高 2
5
6
4'
3'
2'
s
提高循环热效率的途径
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
IGCC技术把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤 气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好环保性能， 是一种有发展前景的洁净煤发电技术。
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
优wk.baidu.com：
效率高：在目前技术水平下，IGCC发电的净效率可达43%～45％，今 后可望达到更高。 污染低：污染物排放量仅为常规燃煤电站的1/10，二氧化硫排放在 25mg／Nm3左右（目前国家二氧化硫为1200mg／Nm3），脱硫效率可 达99%。氮氧化物排放只有常规电站的15%--20%，耗水只有常规电站 的1/2-1/3，利于环境保护。
T
4'
9 5 10 6
1
q1卡诺> q1朗肯 卡诺> 朗肯； 等温吸热4’1难实现 对比5678 卡诺> 朗肯； wnet卡诺< wnet 朗肯 对比9-10-11-12 11点x太小,不利于汽机强度；
4 3 8 12 11 7 2
12-9两相区难压缩； wnet卡诺小
t B oi tu 机械 电机
如何提高朗肯循环的热效率？
影响热效率的参数？
T 1
h1 h2 t h1 h3
p1, t1, p2
5 4 3
6
2
s
蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1↑
T
优点： •T1↑ ηt ↑ •v2’↓ ，汽轮机出口尺寸小
过热器 汽轮机
发电机
锅炉
调节阀 冷却水 冷凝器
水泵 2 加热器 水泵 1
热电联产(供)循环
wnet t q1
热电联产(供)循环的经济性评价只采用热效率
能量利用系数
显然不够全面
q供热＋wnet 已被利用的能量 K 工质从热源得到的能量 q1
但未考虑热和电的品位不同 应采用 Ex经济学评价 热电联产、集中供热是发展方向，经济环保
1-2定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1) 2-3绝热膨胀过程，对外作功 3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1) 4-1绝热压缩过程，对内作功
气体卡诺循环
工质：气体 效率：最高效率 缺点：
1. 定温吸热和定温放热两个过程在实际上难以实现； 2. 在p-v图上，气体定温线与绝热线的斜率相差不大，所以
§6-1 动力循环
动力循环
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。 研究目的：合理安排循环，提高热效率。 动力循环的分类：
气体动力循环：内燃机 空气为主的燃气 按工质 按理想气体处理 蒸汽动力循环：外燃机 水蒸气等 实际气体
正向卡诺循环— 理想可逆热机循环 循 环 示 意 图
提高初温度 改变循环参数
提高初压力
降低乏汽压力
再热循环
改变循环形式 回热循环 热电联产 改变循环形式 燃气-蒸汽联合循环 新型动力循环 IGCC
PFBC-CC
…...
朗肯循环的改进
朗肯循环热效率有限： 1. 乏汽的压力和温度受限于环境，降低的可能很小。 2. 提高初始压力虽然可以提高朗肯循环的效率，但是由于乏 汽干度下降，对汽轮机的运行会产生不利后果。 3. 提高蒸汽进入汽轮机的初温又会对锅炉、管道、阀门的材 质、强度提出更高的要求。 4. 存在两个温差吸热造成朗肯循环效率变低。 朗肯循环的改进：回热循环、再热循环等。
朗肯循环热效率的计算
wnet ws ,12 ws ,34 t q1 q1
一般很小，占0.8~1%，忽略泵功
h 1
4
2 3 s
h1 h2 t h1 h3
实际蒸汽动力循环分析
1’’
T 5 1’ 1 蒸汽管道摩擦降压，蒸汽管 道散热(1’’1’)
非理想因素：
4’ 4 3 2 2’
蒸汽回热循环
1 1kg
去凝汽器
抽汽 冷凝水
a α kg 6 5
抽汽式回热
2 3 (1-α )kg
给水
表面式回热器 抽汽 冷凝水
4
混合式回热器
蒸汽回热循环热力过程
T 1
1 1kg
1kg
6 kg a
4
3
5
(1- )kg
a α kg
2
2 3 (1-α )kg
6 5
4
kg
由于T-s图上各点质量不同，面积 不再直接代表热和功
汽机汽门节流( 1’ 1 )
汽机不可逆( 1 2 ’) 给水泵不可逆( 3 4 ’) s
实际蒸汽动力循环分析方法
热一律：热效率分析法 热二律： 1 熵分析法 2 Ex分析法
√
√
实际蒸汽动力循环热效率法
1’’
T 忽略泵功， 可逆循环效率
1’ 1
h1 h2 t h1 h3
h1 h2' oi h1 h2
5
5'
1' 1 6'
6
4'
4 3
缺点： • 对强度要求高 •x2↓ 不利于汽轮机安全 •一般要求出口干度大于0.85~ 0.88
2'
2
s
蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
p1 , p2不变，t1↑
T 1 优点： •T1↑ ηt ↑ •v2’ ↑，利于汽轮机安全
1'
5 6
4
3
缺点： • 对耐热和强度要求高 • v2’ ↑，汽轮机出口尺寸变大 •目前最高初温一般在550℃左右
蒸汽回热循环热效率计算
T 吸热量： 1
1kg
6 kg a
q1,RG h1 h5 h1 ha'
放热量：
' q2,RG 1 h2 h2
4
3
5
(1- )kg 2
净功：
wRG h1 ha 1 ha h2
s 热效率：
(h1 h2 ) B oi (h1 h3 ) / tu (h1 h2 ) B oi tu (h1 h3 )
h1 h2 t h1 h3
h1 h2' oi h1 h2
tu
h1 h3 h1'' h3
t B oi tu
吸热量：
a
q1 h1 h4 ha hb
放热量：
q2 h2 h3
净功（忽略泵功）：
2
s
热效率：
wnet h1 hb ha h2
t,RH
wnet (h1 hb ) (ha h2 ) q1 (h1 h4 ) (ha hb )
s 1kg 5
a
(1- )kg 4
蒸汽回热循环抽汽量计算
T 以混合式回热器为例 1 热一律
1kg
6 kg a
ha 1 h4 1 h5
h5 h4 ha h4
忽略泵功 s
4
3
5
(1- )kg 2
a
kg (1- )kg
1kg
5
4
' ha' h2 ' ha h2
s
朗肯循环T-s和h-s图
T 1
h 1
4 4 3 2 3 s s 2
朗肯循环功和热的计算
汽轮机作功
ws ,12 h1 h2
凝汽器中的定压放热
h 1
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功
ws ,34 h4 h3
锅炉中的定压吸热
4 3
2
q1 h1 h4
s
4. 由于上限温度受限于临界温度，温差不可能很大，因此 热效率不高，每循环完成的功也不大。
朗肯蒸气动力循环系统
四个主要装置：锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵
1 p 吸热 锅 炉 发电机 汽轮机
p
s 膨胀 4
1
2
s 压缩 4 给水泵 3 p 放热 3 2
凝汽器
v
朗肯循环与卡诺循环比较
对比同温限1234’ q2相同；
5
汽机不可逆膨胀， 汽机相对内效率
4’ 4 3 2 2’ 管道和节流， 管道效率
h4' h3
tu
h1 h3 h1'' h3
s
锅炉散热和排烟， 锅炉效率
h1'' h3 B qf
整个实际蒸汽动力循环热效率
收益 循环净功 wnet h1 h2' ＝ ＝ 代价 燃料热量 qf qf (h1 h2 )oi (h1'' h3 ) / B
' h2 h2
t,RG t
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
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 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。
热电联产(供)循环
最简单的热电联产(供)循环是采用背压式汽轮机。
1 过热器 锅炉 4 给水泵 汽轮机
背压式缺点： 热电互相影响 供热参数单一 背压式机组 (背压>0.1MPa)
2' 热用户 3
热用户为什么要用换热器 而不直接用热力循环的水？
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。
2
s
蒸汽再热循环的实践
再热压力 pb=pa(0.2~0.3)p1 p1<10MPa，一般不采用再热。 常见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。
蒸汽再热循环的定量计算
T 6 5 4 3 b 1
过程装备与控制工程专业
工程热力学
第九讲
山东大学机械工程学院 过程装备与控制工程研究所
本讲内容
6 热力循环
1 动力循环 2 制冷循环 3 热泵供热循环 4 气体液化循环
学习要求
1 2 3 4 5 6 7 8 9 熟练掌握朗肯循环、回热循环、再热循环以及热电循环 的组成。 会利用蒸汽图表对循环进行热力分析和计算。 掌握提高蒸汽动力循环热效率的方法和途径。 熟悉热电联供循环。 掌握空气和蒸汽压缩制冷循环的组成。 掌握制冷系数的计算及提高制冷系数的方法和途径。 了解制冷剂的热力学要求和环保要求。 了解吸收制冷、蒸汽喷射制冷、热泵、空调原理。 掌握气体液化循环的原理和特点。
t,RG
h1 ha 1 ha h2
h1 ha'
为什么抽汽回热热效率提高？
简单朗肯循环： 回热朗肯循环：
' h2 h2 t 1 ' h1 h2
t,RG 1
h1 ha 0 1
h1 h 1 h1 ha
h1'' h3 B qf
整个电厂热效率
热效率
wnet ＝ t B oi tu qf
机械
wM wnet
机械效率
电机效率 整个电厂热效率
电机
wg wM
电厂
wg 电机 wM 机械 wnet 收益 电功 电机 ＝ ＝ qf qf 代价 燃料热量 qf
蒸汽再热循环
1 再 热 b a 2
T
1
a
6
5 4 3 b
4
2
s
3
蒸汽再热循环实体照片
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，热效率与再 热压力有关。 x2降低，给提高初压创造 了条件，可选取合适的再 热压力。
T
1
a
6
5 4 3 b
采用一次再热可使热效率 提高2％～5％。
热电联产(供)循环
用发电厂汽轮机后的乏汽的余热来满足低热用户的 需要。 原因：
1. 乏汽的能量数量多，但由于压力和温度低，可用能很少， 无法得到充分的利用。 2. 生活和生产中需要耗费大量燃料以产生大量温度不太高 的热能。 3. 热电联供将二者结合起来，一方面产生动力，另一方面 提供低品位的热能。由此节约的能量比因动力循环效率 下降而损失的能量多，综合节能效果非常显著。
每次完成的功较小。
蒸汽动力循环
1. 2. 3. 蒸汽动力循环：以蒸汽为工质，在湿蒸汽区，可以克服 气体卡诺循环的两个缺点。 实际生产中不采用蒸汽卡诺循环。 原因： 湿蒸汽的绝热压缩难以实现，缺少压缩汽水混合物的合 适设备； 定熵膨胀的末期，蒸汽湿度较大，对汽轮机工作不利； 蒸汽比容比水大上千倍，压缩时设备庞大，耗功也大；
2
2'
s
乏汽压力对朗肯循环热效率的影响
t1 , p1不变，p2 ↓
T
1 优点： •T2 ↓ ηt ↑ 4 缺点： 3 •p2↓ 受环境限制 •现在大型机组p2为3.5~5kPa， 相应的饱和 温度约为27~ 33℃ ，已接近可能达到的最低 限度。 •冬天热效率高 2
5
6
4'
3'
2'
s
提高循环热效率的途径
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
IGCC技术把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净的煤 气化技术结合起来，既有高发电效率，又有极好环保性能， 是一种有发展前景的洁净煤发电技术。
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
整体煤气化联合循环发电（IGCC）
优wk.baidu.com：
效率高：在目前技术水平下，IGCC发电的净效率可达43%～45％，今 后可望达到更高。 污染低：污染物排放量仅为常规燃煤电站的1/10，二氧化硫排放在 25mg／Nm3左右（目前国家二氧化硫为1200mg／Nm3），脱硫效率可 达99%。氮氧化物排放只有常规电站的15%--20%，耗水只有常规电站 的1/2-1/3，利于环境保护。
T
4'
9 5 10 6
1
q1卡诺> q1朗肯 卡诺> 朗肯； 等温吸热4’1难实现 对比5678 卡诺> 朗肯； wnet卡诺< wnet 朗肯 对比9-10-11-12 11点x太小,不利于汽机强度；
4 3 8 12 11 7 2
12-9两相区难压缩； wnet卡诺小
t B oi tu 机械 电机
如何提高朗肯循环的热效率？
影响热效率的参数？
T 1
h1 h2 t h1 h3
p1, t1, p2
5 4 3
6
2
s
蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1↑
T
优点： •T1↑ ηt ↑ •v2’↓ ，汽轮机出口尺寸小
过热器 汽轮机
发电机
锅炉
调节阀 冷却水 冷凝器
水泵 2 加热器 水泵 1
热电联产(供)循环
wnet t q1
热电联产(供)循环的经济性评价只采用热效率
能量利用系数
显然不够全面
q供热＋wnet 已被利用的能量 K 工质从热源得到的能量 q1
但未考虑热和电的品位不同 应采用 Ex经济学评价 热电联产、集中供热是发展方向，经济环保
1-2定温吸热过程， q1 = T1(s2-s1) 2-3绝热膨胀过程，对外作功 3-4定温放热过程， q2 = T2(s2-s1) 4-1绝热压缩过程，对内作功
气体卡诺循环
工质：气体 效率：最高效率 缺点：
1. 定温吸热和定温放热两个过程在实际上难以实现； 2. 在p-v图上，气体定温线与绝热线的斜率相差不大，所以
§6-1 动力循环
动力循环
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。 研究目的：合理安排循环，提高热效率。 动力循环的分类：
气体动力循环：内燃机 空气为主的燃气 按工质 按理想气体处理 蒸汽动力循环：外燃机 水蒸气等 实际气体
正向卡诺循环— 理想可逆热机循环 循 环 示 意 图
提高初温度 改变循环参数
提高初压力
降低乏汽压力
再热循环
改变循环形式 回热循环 热电联产 改变循环形式 燃气-蒸汽联合循环 新型动力循环 IGCC
PFBC-CC
…...
朗肯循环的改进
朗肯循环热效率有限： 1. 乏汽的压力和温度受限于环境，降低的可能很小。 2. 提高初始压力虽然可以提高朗肯循环的效率，但是由于乏 汽干度下降，对汽轮机的运行会产生不利后果。 3. 提高蒸汽进入汽轮机的初温又会对锅炉、管道、阀门的材 质、强度提出更高的要求。 4. 存在两个温差吸热造成朗肯循环效率变低。 朗肯循环的改进：回热循环、再热循环等。
朗肯循环热效率的计算
wnet ws ,12 ws ,34 t q1 q1
一般很小，占0.8~1%，忽略泵功
h 1
4
2 3 s
h1 h2 t h1 h3
实际蒸汽动力循环分析
1’’
T 5 1’ 1 蒸汽管道摩擦降压，蒸汽管 道散热(1’’1’)
非理想因素：
4’ 4 3 2 2’
蒸汽回热循环
1 1kg
去凝汽器
抽汽 冷凝水
a α kg 6 5
抽汽式回热
2 3 (1-α )kg
给水
表面式回热器 抽汽 冷凝水
4
混合式回热器
蒸汽回热循环热力过程
T 1
1 1kg
1kg
6 kg a
4
3
5
(1- )kg
a α kg
2
2 3 (1-α )kg
6 5
4
kg
由于T-s图上各点质量不同，面积 不再直接代表热和功
汽机汽门节流( 1’ 1 )
汽机不可逆( 1 2 ’) 给水泵不可逆( 3 4 ’) s
实际蒸汽动力循环分析方法
热一律：热效率分析法 热二律： 1 熵分析法 2 Ex分析法
√
√
实际蒸汽动力循环热效率法
1’’
T 忽略泵功， 可逆循环效率
1’ 1
h1 h2 t h1 h3
h1 h2' oi h1 h2
5
5'
1' 1 6'
6
4'
4 3
缺点： • 对强度要求高 •x2↓ 不利于汽轮机安全 •一般要求出口干度大于0.85~ 0.88
2'
2
s
蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
p1 , p2不变，t1↑
T 1 优点： •T1↑ ηt ↑ •v2’ ↑，利于汽轮机安全
1'
5 6
4
3
缺点： • 对耐热和强度要求高 • v2’ ↑，汽轮机出口尺寸变大 •目前最高初温一般在550℃左右
蒸汽回热循环热效率计算
T 吸热量： 1
1kg
6 kg a
q1,RG h1 h5 h1 ha'
放热量：
' q2,RG 1 h2 h2
4
3
5
(1- )kg 2
净功：
wRG h1 ha 1 ha h2
s 热效率：
(h1 h2 ) B oi (h1 h3 ) / tu (h1 h2 ) B oi tu (h1 h3 )
h1 h2 t h1 h3
h1 h2' oi h1 h2
tu
h1 h3 h1'' h3
t B oi tu
吸热量：
a
q1 h1 h4 ha hb
放热量：
q2 h2 h3
净功（忽略泵功）：
2
s
热效率：
wnet h1 hb ha h2
t,RH
wnet (h1 hb ) (ha h2 ) q1 (h1 h4 ) (ha hb )
s 1kg 5
a
(1- )kg 4
蒸汽回热循环抽汽量计算
T 以混合式回热器为例 1 热一律
1kg
6 kg a
ha 1 h4 1 h5
h5 h4 ha h4
忽略泵功 s
4
3
5
(1- )kg 2
a
kg (1- )kg
1kg
5
4
' ha' h2 ' ha h2
s
朗肯循环T-s和h-s图
T 1
h 1
4 4 3 2 3 s s 2
朗肯循环功和热的计算
汽轮机作功
ws ,12 h1 h2
凝汽器中的定压放热
h 1
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功
ws ,34 h4 h3
锅炉中的定压吸热
4 3
2
q1 h1 h4
s
4. 由于上限温度受限于临界温度，温差不可能很大，因此 热效率不高，每循环完成的功也不大。
朗肯蒸气动力循环系统
四个主要装置：锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵
1 p 吸热 锅 炉 发电机 汽轮机
p
s 膨胀 4
1
2
s 压缩 4 给水泵 3 p 放热 3 2
凝汽器
v
朗肯循环与卡诺循环比较
对比同温限1234’ q2相同；
5
汽机不可逆膨胀， 汽机相对内效率
4’ 4 3 2 2’ 管道和节流， 管道效率
h4' h3
tu
h1 h3 h1'' h3
s
锅炉散热和排烟， 锅炉效率
h1'' h3 B qf
整个实际蒸汽动力循环热效率
收益 循环净功 wnet h1 h2' ＝ ＝ 代价 燃料热量 qf qf (h1 h2 )oi (h1'' h3 ) / B