第六章 热 力 循 环

6
b
3
c
2
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
蒸汽再热循环的定量计算
吸热量：
T 1 a
（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
一、工作原理
朗肯循环pv图
p 4 1
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 2 v
3
朗肯循环Ts和hs图 12 汽轮机 s 膨胀 34 给水泵 s 压缩 T 1 4 3 2 s 23 凝汽器 p 放热 41 锅炉 p 吸热
h
1
4
2
3
s
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。
二、朗肯循环热效率
定压吸热过程吸入的热量
q1 h1 h4
wtT h1 h2
1
汽轮机作功(定熵膨胀技术功)： 凝汽器中的定压放热量： h
q2 h2 h3
水泵绝热压缩耗功：
wtp h4 h3
锅炉中的定压吸热量：
4
2
3
s
q1 h1 h4
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
1kg
5
a kg (1- )kg 4
抽汽回热循环的抽汽量计算
T
1kg 6 kg 5 (1- )kg 4
1
以混合式回热器为例 热一律
7 （h7 h5）= 1 (h5 h4 ) 2
3
h5 h4 h7 h4
s 忽略泵功
1kg
5
7 kg (1- )kg 4
…...
二、 蒸汽再热循环(reheat)
T
1 a
1 再 热 b a 2
5
4
6
b
3
c
2
4
3
s
蒸汽再热循环的热效率
T
1 a
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 s 2％～3.5％。
5
4
抽汽
1 1kg
冷凝水
a αkg 6 5 4
2 3 (1-α)kg
去凝汽器 表面式回热器 抽汽 给水 冷凝水 混合式回热器
抽汽式回热
蒸汽抽汽回热循环
T
1kg 6 kg 5 (1- )kg 4
1
7
1 1kg
a αkg 6
2 3 (1-α)kg
3
2 s
5
4
由于 T-s 图上各点质 量不同，面积不再 直接代表热和功
水蒸气动力循环系统
汽轮机 锅 炉
四个主要装置： 锅炉 汽轮机 发电机 凝汽器 给水泵 凝汽器
给水泵
水蒸气动力循环系统的简化 简化（理想化）：
1 锅 炉 4 2 汽轮机 12 汽轮机 s 膨胀
23 凝汽器 p 放热
发电机 34 给水泵 s 压缩 41 锅炉 凝汽器 3 p 吸热
郎肯循环
给水泵
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：
Coefficient of Performance
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 =334 kJ/kg 1冷吨=3.86 kJ/s 1美国冷吨=3.517 kJ/s
h h h7 h
' 7
' 2 ' 2
T
抽汽回热循环热效率的计算 吸热量： q1 h1 h5 1 1kg 6 kg 5 (1- )kg 4
放热量：
7
q2,RG 1 h2 h
w0 h1 h7
' 2

循环功：
3
循环热效率：
2
s
1 h7 h2 wtp
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。
3600 3600 d w0 h1 h2
三、蒸气参数对循环热效率的影响
h1 h2 t h1 h3
D D(h1 h2 ) N0 d 3600
实际循环的效率为
D(h1 h2' ) Ni i N 0 3600
若考虑摩擦损失，则汽 轮机输出的有效功率为 Ne：
Ne m Ni
机械效率
Ne e N0
相对有效效率
工质在锅炉中吸收的热量 B 燃料放出的热量
锅炉效率
装置输出净功 燃料放出热量
水泵功与汽轮机功相比很小， 可以忽略
wtp v( p4 p3 )
h4 h3
整个循环中工质完成的净功
h
1
w0 wtT wtp q1 q2 h1 h2
循环热 效率
w0 h1 h2 t q1 h1 h3
4
2
3
s
任何循环的热效率可表示为：
T2 t 1 T1
T 5
1
6
影响热效率 的参数？
4
3
p1, t1, p2
2
s
1、蒸汽初压p1对热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T 5 4' 4 5' 1' 1 6' 6
优点：
•
•
T1 v2'
t
，汽轮机出口
3
2' 2
s
尺寸小 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
1
6 2 2' s
4
4' 3 3'
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
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：
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

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。
提高循环热效率的途径 提高初温度 提高初压力 降低乏汽压力 再热循环 回热循环
改变循环参数 改变循环形式 改变循环形式
热电联产 燃气-蒸汽联合循环 IGCC 新型动力循环 PFBC-CC
清华北门外2台 背压式， 5000kW电负荷
2' 热用户 3
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
过热器 汽轮机
发电机
锅炉
调节阀 冷却水 冷凝器
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。
水泵 2 加热器 水泵 1
热电联产(供)循环的经济性评价
2、蒸汽初温对热效率的影响
p1 , p2不变，t1
T 5
优点：
•
1' 1
6
•
T1 x2'
t
，有利于汽机
4
3
2 2'
s
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 • v2' 汽机出口 尺寸大
3、乏汽压力对热效率的影响
p1 , t1不变，p2
T 5
优点：
•
T2
t
h2 h3
w0 t q1
t 1
h1 h3 h1 h7 1
为什么抽汽回热热效率提高？
T
1kg 6 kg 5 (1- )kg 4
1
7
推导得出
t 1 h1 h3 h1 h7 1
h2 h3
蒸汽再热循环实体照片
6.4 热电联产(供)循环
背压式机组(背压>0.1MPa)
1 过热器 锅炉 4 给水泵 汽轮机
2' 热用户 3
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
1 过热器 锅炉 4 给水泵 汽轮机
q1 h1 h3 ha hb
放热量：
5
4
6
b
q2 h2 h3
2
3
c
净功（忽略泵功）：
w0 h1 hb ha h2
s w0 (h1 hb ) (ha h2 ) 热效率： t q1 (h1 h3 ) (ha hb )
制冷循环和制冷系数
Coefficient of Performance
q2 COP c w0
1 T0环境 T1 1 T2 q1
T
卡诺逆循环
q2 q2 T2 C w0 q1 q2 T1 T2
T1不变, T2 T2不变, T1 εC εC
w T1
q2 T2 s
热泵循环和供热系数
1 T2 q2 w q1 h ,c c ,c 1 1 COP h T1房间 T1 w w T T1 q 1 卡诺逆循环 w q1 q1 T1 T0 h ,c w q1 q2 T1 T2 q2 T2 T1不变, T2 εh,c s T2不变, T1 εh,c q1 w q2
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：
动力装置效率
例题6－1
6.3 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。
3Байду номын сангаас
2
t,RG t
简单朗肯循环： h2 h3 t 1 h1 h3 s
物理意义： kg工质100%利用 h1 h7 0 1- kg工质效率未变 1
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
w'tT h1 h2 ' h2 ' h2 , w'tT wtT
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
w'tT h1 h2' i wtT h1 h2
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
wnet 只采用热效率 t 显然不够全面 q1 能量利用系数 ，但未考虑热和电的品位不同
q供热＋wnet 已被利用的能量 K 工质从热源得到的能量 q1
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
• 动力循环 —正循环 输入热,通过循环输出功 • 制冷（热泵)循环 —逆循环 输入功量（或其他代价），从低温 热源取热 • 热泵循环 —逆循环 输入功量（或其他代价），向高温 热用户供热
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