热工基础—动力装置循环设计

w net q1
ws,12 ws,34 q1
(h1 h2)(h4 h3) h1 h4
由于水的压缩性很小，水泵消耗的功与汽轮机
作出的功相比甚小，可忽略不计， h4 h3 0
t
(h1h2)(h4h3)
h1h4
h1 h1
h2 h4
h1 h1
h2 h3
汽耗率 ：动力装置每输出1J功所消耗的蒸汽量
d 1 单位：kg/J w net
第六章 动力装置循环
热能动力装置 ： 将热能转换为机械能的设备，
也称为热力发动机，简称热机。
动力装置循环（简称动力循环或热机循环）：
蒸汽动力装置循环: 以蒸汽为工质的热机工作循环（如蒸
汽机、蒸汽轮机等）。
气体动力装置循环:
以气体为工质的热机工作循环（如 内燃机、燃气轮机等）。
研究热机循环的目的：
循环热效率为
t
1
q2 q1
1(1)(h2 h3)
h1 h9
抽汽压力取决于锅炉前给水温度(t10 t9 )。
回热级数：级数愈多，t愈高，费用愈大。
小型发电厂1～3级，中大型发电厂4～8级。
（3）热电联供循环 热电联供：用发电厂乏
汽的余热来满足热用户的需 要。（热电厂） 1）背压式汽轮机热电联 供循环
过热蒸汽
发电机
锅
汽轮机
炉
乏汽 循环水
冷凝器
水泵
冷却水
1. 朗肯循环
朗肯循环是一个简化的 理想蒸汽动力循环，由4个 理想化的可逆过程组成：
3-4：水在给水泵中的可逆 绝热压缩过程;
4-5-6-1：水与水蒸气在锅炉 中的可逆定压加热过程；
1-2：水蒸气在汽轮机中的 可逆绝热膨胀过程； 2-3：乏汽在冷凝器中的定 压放热过程。
按点燃方式： 点燃式、压燃式
按冲程数： 二冲程、四冲程
以四冲程柴油机为例分析其实际工作循环 单缸汽油机构造示意图
1. 活塞式内燃机实际循环与理想循环
(1) 活塞式内燃机实际循环
柴油机工作的4个冲程：
1）进气冲程0-1：活塞从汽缸上死 点下行，进气阀开启，吸入空气。 由于进气阀的节流作用，气缸内 气体的压力约低于大气压力。
2. 朗肯循环的净功及热效率 在朗肯循环中，每千克蒸汽对外所作出的净功
wnet ws,12ws,34
根据稳定流动能量方程式
ws,12 h1h2 ws,34 h4 h3
w n et(h 1h 2)(h 4h 3)
每千克蒸汽在锅炉中的定压吸热量为
q1 h1 h4
根据热效率定义，可得朗肯循环的热效率为
t
(2)活塞式内燃机理想循环
对实际循环加以合理的抽象、概括和简化：
1) 忽略实际过程中进、排气阀的节流损失；进气过 程与排气过程互相抵消；认为废气与吸入的新鲜空 气状态相同；忽略喷入的油量，假设一定量的工质 在气缸中进行封闭循环。 2) 假定工质是化学成分不变、比热容为常数的理想 气体—空气。 3)忽略工质、活塞、气缸壁之间的热交换及摩擦阻 力，认为工质的膨胀和压缩过程是可逆绝热的。
工程单位：kg/（kW·h)
1 kW·h = 3600 kJ
1 kg/J = 3600 kg/(kWh)
3．蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
t
h1 h2 h1 h4
h1 h2 h1 h3
朗肯循环的热效率 与新蒸汽的温度t1(初温)、
压力p1(初压)、以及乏汽的压力p2(终压)有关。
将朗肯循环折合成熵变相
结论：为了提高蒸汽动力循环的热效率，应尽可能提
高蒸汽的初压和初温，并降低乏汽压力。
4．提高蒸汽动力循环热效率的其他途径 （1）再热循环
再热可以增加蒸汽的干度，以便在初温限 制下采用更高的初压，从而提高循环热效率。 通常一次再热可使热效率提高 2％～3.5％。
再热循环的设备复杂，投资大，只有蒸汽压 力在13MPa 以上的大型火力发电厂才采用。
3—4 活塞下行，继续喷油、燃 烧、近似定压膨胀， 4点喷油停 止，温度达1700~1800 ℃。
4—5 燃气膨胀作功，压力、温 度下降，活塞到5点时，压力约 0.3~0.5 MPa，温度约500 ℃。
4）排气冲程5-0：活塞到下死点5时，排气阀打开， 部分废气排出，而活塞移动极微，接近定容降压过程。 活塞开始上行，将气缸中剩余气体排出，完成一个实 际循环。
（2）回热循环
回热循环提高了吸热平均温度，提高了循环热 效率。抽汽量的大小根据质量守恒和能量守恒确定， 应使kg抽汽所放出的热量等于(1-)kg凝结水加 热到抽汽压力下的饱和温度。
根据热力学第一定律，回热加热器中的能
量平衡式为
(h 7 h 9) (1 )(h 9 h 4 )
h9 h4 h9 h3 h7 h4 h7 h3
来自百度文库等、吸（放）热量相同、热
效率相同的卡诺循环。
T1
q1 sa sb
t
1
T2 T1
提高吸热平均温度或降低放热平均温度都可以 提高循环的热效率。
(1) 蒸汽初温t1的影响
保 持 p1 、 p2 不 变 ， 将 t1 提 高 ， 则吸热平均温度提高，循环热效 率将提高；乏汽干度增加有利于 汽轮机安全工作。 提高t1受材料 耐热强度限制。
2）压缩冲程1-2：活塞到达下死点 1时，进气阀关闭；活塞上行，压 缩空气。
1－2’ 为多变压缩，p2’= 3~5MPa ，t2’=600~800℃， 2’ 点开始喷进柴油，柴油自燃温度约为205℃。
3）动力冲程2-3-4-5 ：
2—3 柴油迅速燃烧，活塞在上 死点移动甚微，近似定容燃烧，
压力迅速升至5~9 MPa 。
(2) 蒸汽初压的影响
保持t1、 p2不变，提高p1， 将提高吸热平均温度，提高 循环的热效率。然而，乏汽 的干度减小，将影响汽轮机 后几级叶片安全。x > 0.85
(2) 乏汽压力的影响
保持t1、 p1不变，降低p2，则对 应的饱和温度T2（即放热温度） 降低，循环热效率将有所提高。 但是，终压的降低受冷凝器冷却 介质温度(环境温度)的限制。
2）抽汽式汽轮机热电联 供循环 能量利用系数
已被利用的能量 K工质从热源得到的能量
两个热经济性指标：t、K
6-2 活塞式内燃机循环
气体动力循环分类：
按结构 活塞式： 汽车，摩托，小型轮船 叶轮式： 航空，大型轮船，移动电站
汽油机：小型汽车，摩托 按燃料 柴油机： 中、大型汽车，火车，轮船，
移动电站 煤油机： 航空
分析其热能利用的经济性（即热效率）、 影响热效率的因素、寻找提高热效率的途 径。
研究热机循环的方法：
建立实际循环的简化热力学模型，用简 单、典型的可逆过程和循环来近似实际复 杂的不可逆过程和循环，通过热力学分析 确定其基本规律。
6-1 蒸汽动力装置循环
火力发电厂的蒸 汽动力装置以水蒸 气为工质，主要由 锅炉、汽轮机、冷 凝器和水泵四个设 备组成。