主要热力设备的热力性能评价方法

锅炉的有效能分析
炉渣 qm,seus
烟气 qm,g eug
燃料 qm, f eu, fL 空气 qm,aeu, fa
热损qmeu,qL 水蒸气 qmeL
不可逆损失 qm , eu ,ir
给水 qm,g eu,0
qm, f eu, fL qmeu,0 qm,aeu,a qmeu,l qm,geu,g qm,seu,s qmeu,qL qmeu,ir
加强自身建设，增强个人的休养。2020年12月11日 上午2时 44分20.12.1120.12.11
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（1）锅炉的热效率：
B
qm (hl h0 ) qm, f H fL
0.902
（2）锅炉的热损量：应用能量守恒定律，取300k为锅炉烟气和炉渣焓为起算值 0，焓用温差乘以比热容计算。
qm,qL qm, f hfL qm,aha qm (h1 h0 ) qg hg qshs 91.7kj / kg
在蒸汽凝结以对应饱和蒸汽压力T2的饱和蒸 汽压Ps，2的等压进行时；冷凝器中水蒸汽的 流量失去的有效能流量为：
.
E u,cond ,L qm[(h1 h2 ) T0 (s1 s2 )
假定冷凝器有很高的换热效率，蒸汽的理 想冷凝温度可以降低到接近于冷却水入口 的温度T3，对应于T3的饱和蒸汽压Ps，3,冷凝 器从水蒸气失去的有效能流量为：
两者的性能用绝热效率表示，喷
嘴的绝热效率为：
N
w2 '2 w2 2
h1 h2 ' h1 h2
扩压管的绝热效率为：
N
P'1 P1 P2 P1
5 冷凝器和水预热器
在蒸汽动力循环中冷凝器。给水预 热器等热交换器是重要的设备。
定压情况下冷凝器中工质对环境 （冷却水）放出的热量为：
qn (h2 h1)
式中qm为蒸汽的流量，h1和h2分别为蒸汽进、出 口的比焓。冷凝器中的蒸汽流速很慢，因此摩 擦损失可以忽略，等压冷凝过程可近似看做是 可逆的。但是蒸汽与冷却水存在的温差传热是 不可逆过程，对整个系统的性能有影响。很明 显，如果冷凝器的换热效果很好，且冷却水流 量较大，则蒸汽凝结温度就会接近冷凝水的入 口温度T3,T3一定低于T2，使得冷凝压力降低，使 汽轮机增大的功在冷凝器中表现为蒸汽凝结损 失的有效能。因此通过冷凝器的蒸汽有效能损 失分析法可以了解冷凝器对系统的输出功的影 响。
.Fra Baidu bibliotek
E'u,cond ,L qm[(h1 'h2 ' ) T0 (s1 's2 ' )
踏实，奋斗，坚持，专业，努力成就 未来。20.12.1120.12.11Friday, December 11, 2020
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Hh
(T0
)
T0
(5.23c
19.55h
0.92s
6.91n
6.78o
3.89w
s
0 f
)
气体燃料
eu, f H h (T0 ) T0 (3.85Vco 10.84Vch4 11.93Vc2h4 7.28VH2 )
锅炉的不可逆热损失分析：
在锅炉有效能分析中的锅炉内部不可逆性eu,ir 项包括燃料燃烧不可逆损失和燃气传热给工质 时不可逆损失两部分。
1 锅炉
锅炉是将燃料的化学能经过燃烧的方 式转化为工质热能的设备，是热电厂 的心脏
锅炉的工作原理
1）锅炉的能量平衡分析
炉渣 qm,shs
烟气 qm,g hg
热损 qmqL
燃料 qm, f hfL 空气 qm,aha
水蒸气 qmhL
给水 qmh0
qm, f H fL qmh0 qm,aha qmhl qm,ghg qm,shs qmql
考虑两种损失的汽轮机的熵效率
T
w' 'T wT
1 q h2 h2'' h1 h2 h1 h2
可见，汽轮机的热量损失对其效率影响也很大；另外从电厂到锅
炉出口到汽轮机入口的热量损失使得 h1 减小，严重影响汽轮机输出
的轴功，其损失的热量是以可做功焓值为代价。应采取措施尽量减少
高品质热量的散失。
第八节 主要热力设备的 热力性能评价方法
热力循环中包括有吸热、放热、做功、耗功、 能量形式转换和能量、工质的输运的各热力设 备，它们的热力性能是构成热力循环性能的基 础。接下来介绍若干主要热力设备的热力性能 分析与评价方法
•1 锅炉 •2 蒸汽轮机 •3 压缩机 •4 喷嘴和扩压管 •5 冷凝器和水预热器
前者可由公式 eir,ad eu, fa meu,g,ad 计算。 后者原则上可有燃烧平衡温度的燃气变为烟气的 有效能值与工质得到的有效能值之差再减去锅炉由热 量损失的有效能得到。但是两者不易严格区分。
例题18-4
已知某锅炉给水为饱和水
T
' 0
300 K ，h0 '
112.6kj
/
kg
，s
' 0
由上面得式子可知锅炉的效率小于1，如果
锅炉的排烟温度是1630℃，空气温度为30℃，
则排除烟气损失有0.063的热量。普通锅炉效率
较低仅有50%-60%，而理想情况下的卡诺循环
是100%，可见普通锅炉有很大的改进空间，主
要通过减少排出的烟气和炉渣的热量，其次是
减少锅炉向外的传热。
锅炉的热效率达到90%是否意味着锅炉的设计很合理呢？
烟气温度 Tg 420K 热损温度取近似饱和水温度 Ts 478K 炉渣温度取400k， 环境温度 T0 280K。
求：（1）锅炉的热效率 （2）锅炉的热损量（3）锅炉烟气的最高温度（4）锅炉
的有效率（5）锅炉的有效能损失率（6）热损的有效能损失率（7）锅炉烟气的有效能
损失（8）分析锅炉的有效能损失并分析主要的损失因素
0.001
（7）锅炉烟气的有效能比率：
u , max, g
qm,g eu,g qm, f eu, fL
qm,g c p[Tg,max
T0 T0 ln(Tg,max qm, f eu, fL
/ T0 )] 0.6784
（8）锅炉的不可逆因素： 锅炉的不可逆因素有自发过程，烟气对水加热存在温差过程，锅炉烟气和高温
蒸汽轮机是流动工质的焓转化为轴功 输出的设备。
蒸汽在膨胀过程中理论输出的轴功 NT
NT qm (h1 h2 )
蒸汽轮机在热工转换过程中包括有内部损失 和外部损失。
内部损失
喷嘴损失 涡流损失 出口速度损失 摩擦损失 内部渗漏 湿度损失
外部损失
轴承外部摩擦
油泵及调速器 的动力消耗
外部放热
当考虑高速气流对叶片的摩擦和气流之间的摩擦的内部不可 逆损失蒸汽轮机的平衡方程为：
水及水蒸气通过保温层的热损失，排除烟气和炉渣带走的有效能不是不可逆损失的 有效能本锅炉的有效能损失率：
u,ir,B 1u,B 0.555
燃烧过程的不可逆损失：
u,ir,burn 1u,g,max 0.3126
烟气给工质传热过程由于存在温差产生的有效能的不可逆损失：
u,ir,Q u,g,max u,B u,ir,g u,ir,L 0.2087
B
1
qmeu,l
qm,geu,g qmeu,qL qm, f H fL
qmeu,ir
锅炉的有效率
1）正算法
u,B
qm (eu,1 eu,0 ) qm, f eu, fL
2）反算法 qm, f eu, fL qmeu,0 qm,aeu,a qmeu,l qm,geu,g qm,seu,s qm
B
1
qmeu,l
qm,geu,g qmeu,qL qm, f H fL
qmeu,ir
和热效率一样，利用反算法的算式的分项计算可以
清楚地弄清各个渠道损失的有效能比例数以便于改进设
计。因此反算法的有效率分析式在分析中使用更方便。
公式中燃料的有效能计算式eu, fL可根据下面的式子进
行计算：
固体燃料
eu, f
3 压缩机
压缩机是功能转为工质的压能和热力 学能的设备。
压缩机的等熵效率定义为
c
w' p wp
w'p 和wp 是压缩机实际耗功和理论耗 功。对于压缩机耗功装置，其不可逆 损失在达到同样的压缩比下使耗功增 加。
3 扩压管和渐缩管
扩压管是把工质的速度能转化为压能的 装置
渐缩管是通过消耗工质压力提高工质速 度的装置
务实，奋斗，成就，成功。2020年12月11日 星期五2时44分 26秒Fr iday, December 11, 2020
抓住每一次机会不能轻易流失，这样 我们才 能真正 强大。20.12.112020年 12月11日星期 五2时44分26秒20.12.11
谢谢大 家！
（3）锅炉烟气的最高温度 烟气的提供的热量应等于蒸汽的焓增量，故有
Tg ,max
Tg
qm (h1 h1) qm, g cg
2165.4K
13
（4）锅炉的有效率：
u,B
qm (eu,1 eu,0 ) qm, f eu, fL
[h1' 'h0 'T0 (s1' 's0 ' )] qm, f eu, fL
0.393
；出口蒸汽
p1 17.5MPa ，T1 850K，h''1 3495.1kj / kg ，s''2 6.5130 ；qm 1kj / kg
H fL 30000kj / kg ，qm, f 0.125kg / h ，qm,a 1.5kg / h ，qm,g 1.615kg / h ， qm,s 0.01kg / h ；烟气的比热容取：cp,a 1.2kj /(kg k) , cp,s 2kj /(kg k)
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.12.1102:44:2602:44Dec-2011-Dec-20
重于泰山，轻于鸿毛。02:44:2602:44:2602:44Friday, December 11, 2020
不可麻痹大意，要防微杜渐。20.12.1120.12.1102:44:2602:44:26December 11, 2020
将计算结果绘制成图进行分析：
损失率 10%
排烟有效能损 失 2%
热损项有效能 损失 2%
热效率 90%
有效能损失率 56%
有效能率 44%
燃烧不可逆损 失 58%
传热不可逆损 失 38%
热效率图
有效率图
有效能损失分布图
有效能最主要损失项是不可逆热损失，因此提 高锅炉有效率的方法是提高水蒸气压力。
2 蒸汽轮机
0.445
（5）烟气的有效能损失率：
u ,ir , g
qm,g eu,g qm, f eu, fL
qm,g c p[Tg
T0 T0 ln(Tg qm, f eu, fL
/ T0 )] 0.0137
（6）热损项有效能损失率：
u ,ir , L
qm,L[1 ln(Ts / T0 )] qm, f eu, fL
NT ' qm (h1 h2' )
摩擦生热使得 h2' > h2 所以蒸汽轮机的输出减少了。通常用
等熵效率描述汽轮机的性能：
T
w'T wT
如果考虑汽轮机的外壳有热量损失，记和分别表示单位蒸汽
轮机的热损和比蒸汽质量的热损失量。
.
qmh1 Q N ' 'T qmh2''
1
h
wT
wT '
2’
2
s
锅炉效率
锅炉效率 B 定义为锅炉产生 的蒸汽所接受的热量与供给锅炉 的燃料燃烧热值之比
B
qm (hl h0 ) qm, f H fL
应用此式进行计算为正平衡
法，正平衡法所需数据容易测
量，但是不能分析影响锅炉效率
原因。
反平衡法计算锅炉的效率
B
1
qm,g hg
qm,shs qmql qm, f H fL