清华大学热工基础工程热力学加传热学7.pptx

会计学1清华大学热工基础工程热力学加传热学清华大学热工基础工程热力学加传热学72热能动力装置热能动力装置热能动力装置热能动力装置 ：将热能转换为机械能的设备，将热能转换为机械能的设备，将热能转换为机械能的设备，将热能转换为机械能的设备，也称为也称为也称为也称为热力发动机热力发动机热力发动机热力发动机，简称，简称，简称，简称热机。热机。热机。热机。动力装置循环动力装置循环动力装置循环动力装置循环（简称（简称（简称（简称动力循环动力循环动力循环动力循环或或或或热机循环热机循环热机循环热机循环）：）：）：）：蒸汽动力装置循环蒸汽动力装置循环蒸汽动力装置循环蒸汽动力装置循环:气体动力装置循环气体动力装置循环气体动力装置循环气体动力装置循环:以蒸汽为工质的热机以蒸汽为工质的热机以蒸汽为工质的热机以蒸汽为工质的热机工作工作工作工作循环（如循环（如循环（如循环（如蒸汽机、蒸汽轮机等）。蒸汽机、蒸汽轮机等）。蒸汽机、蒸汽轮机等）。蒸汽机、蒸汽轮机等）。以气体为工质的热机以气体为工质的热机以气体为工质的热机以气体为工质的热机工作工作工作工作循环（如循环（如循环（如循环（如内燃机、燃气轮机等）。内燃机、燃气轮机等）。内燃机、燃气轮机等）。内燃机、燃气轮机等）。第1页/共32页3研究热机循环的目的：研究热机循环的目的：研究热机循环的目的：研究热机循环的目的：分分分分析析析析其其其其热热热热能能能能利利利利用用用用的的的的经经经经济济济济性性性性（即即即即热热热热效效效效率率率率）、影影影影响响响响热热热热效效效效率率率率的的的的因因因因素素素素、寻寻寻寻找找找找提提提提高高高高热热热热效效效效率率率率的的的的途径。途径。途径。途径。研究热机循环的方法：研究热机循环的方法：研究热机循环的方法：研究热机循环的方法：建立实际循环的简化热力学模型，用建立实际循环的简化热力学模型，用建立实际循环的简化热力学模型，用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简单、典型的可逆过程和循环来近似实际简单、典型的可逆过程和循环来近似实际简单、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，通过热力学分复杂的不可逆过程和循环，通过热力学分复杂的不可逆过程和循环，通过热力学分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。析确定其基本规律。析确定其基本规律。析确定其基本规律。第2页/共32页46-16-1 蒸汽动力装置循环蒸汽动力装置循环 火力发电厂的火力发电厂的火力发电厂的火力发电厂的蒸汽动力装置以水蒸汽动力装置以水蒸汽动力装置以水蒸汽动力装置以水蒸气为工质，主要蒸气为工质，主要蒸气为工质，主要蒸气为工质，主要由锅炉、汽轮机、由锅炉、汽轮机、由锅炉、汽轮机、由锅炉、汽轮机、冷凝器和水泵四个冷凝器和水泵四个冷凝器和水泵四个冷凝器和水泵四个设备组成。设备组成。设备组成。设备组成。锅锅炉炉汽轮机汽轮机汽轮机汽轮机冷凝器冷凝器冷凝器冷凝器水泵水泵水泵水泵冷却水冷却水冷却水冷却水过热蒸汽过热蒸汽过热蒸汽过热蒸汽乏汽乏汽乏汽乏汽循环水循环水循环水循环水发电机发电机发电机发电机第3页/共32页51.1.朗肯循环朗肯循环朗肯循环朗肯循环 朗肯循环是一个简化朗肯循环是一个简化朗肯循环是一个简化朗肯循环是一个简化的理想蒸汽动力循环，由的理想蒸汽动力循环，由的理想蒸汽动力循环，由的理想蒸汽动力循环，由4 4个理想化的可逆过程组成：个理想化的可逆过程组成：个理想化的可逆过程组成：个理想化的可逆过程组成：4-5-6-14-5-6-1：水水水水与与与与水水水水蒸蒸蒸蒸气气气气在在在在锅锅锅锅炉中的可逆定压加热过程；炉中的可逆定压加热过程；炉中的可逆定压加热过程；炉中的可逆定压加热过程；1-21-2：水水水水蒸蒸蒸蒸气气气气在在在在汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机中中中中的的的的可逆绝热膨胀过程可逆绝热膨胀过程可逆绝热膨胀过程可逆绝热膨胀过程；2-32-3：乏乏乏乏汽汽汽汽在在在在冷冷冷冷凝凝凝凝器器器器中中中中的的的的定定定定压放热过程。压放热过程。压放热过程。压放热过程。3-43-4：水水水水在在在在给给给给水水水水泵泵泵泵中中中中的的的的可可可可逆逆逆逆绝热压缩过程绝热压缩过程绝热压缩过程绝热压缩过程;第4页/共32页62.2.朗肯循环的净功及热效率朗肯循环的净功及热效率朗肯循环的净功及热效率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在朗肯循环中，每千克蒸汽对外所作出的净功在朗肯循环中，每千克蒸汽对外所作出的净功在朗肯循环中，每千克蒸汽对外所作出的净功 根据稳定流动能量方程式根据稳定流动能量方程式根据稳定流动能量方程式根据稳定流动能量方程式 每千克蒸汽在锅炉中的定压吸热量为每千克蒸汽在锅炉中的定压吸热量为每千克蒸汽在锅炉中的定压吸热量为每千克蒸汽在锅炉中的定压吸热量为根据热效率定义，可得朗肯循环的热效率为根据热效率定义，可得朗肯循环的热效率为根据热效率定义，可得朗肯循环的热效率为根据热效率定义，可得朗肯循环的热效率为第5页/共32页7 由由由由于于于于水水水水的的的的压压压压缩缩缩缩性性性性很很很很小小小小，水水水水泵泵泵泵消消消消耗耗耗耗的的的的功功功功与与与与汽汽汽汽轮轮轮轮机作出的功相比甚小，可忽略不计，机作出的功相比甚小，可忽略不计，机作出的功相比甚小，可忽略不计，机作出的功相比甚小，可忽略不计，汽耗率汽耗率汽耗率汽耗率：动力装置每输出：动力装置每输出：动力装置每输出：动力装置每输出1J1J功所消耗的蒸汽量功所消耗的蒸汽量功所消耗的蒸汽量功所消耗的蒸汽量 单位单位单位单位：kg/Jkg/J工程单位工程单位工程单位工程单位：kg/kg/（kWkWh)h)1 1 1 1 kWkWh=3600 kJh=3600 kJ1 kg/J=3600 kg/(kW1 kg/J=3600 kg/(kW h)h)第6页/共32页83 3蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 朗朗朗朗肯肯肯肯循循循循环环环环的的的的热热热热效效效效率率率率 与与与与新新新新蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽的的的的温温温温度度度度t t1 1(初初初初温温温温)、压力压力压力压力p p1 1(初压初压初压初压)、以及乏汽的压力、以及乏汽的压力、以及乏汽的压力、以及乏汽的压力p p2 2(终压终压终压终压)有关。有关。有关。有关。将将将将朗朗朗朗肯肯肯肯循循循循环环环环折折折折合合合合成成成成熵熵熵熵变变变变相相相相等等等等、吸吸吸吸（放放放放）热热热热量量量量相相相相同同同同、热热热热效率相同的卡诺循环。效率相同的卡诺循环。效率相同的卡诺循环。效率相同的卡诺循环。提提提提高高高高吸吸吸吸热热热热平平平平均均均均温温温温度度度度或或或或降降降降低低低低放放放放热热热热平平平平均均均均温温温温度度度度都都都都可可可可以以以以提高循环的热效率。提高循环的热效率。提高循环的热效率。提高循环的热效率。第7页/共32页9(1)(1)蒸汽初温蒸汽初温蒸汽初温蒸汽初温t t1 1的影响的影响的影响的影响 保保保保持持持持p p1 1、p p2 2不不不不变变变变，将将将将t t1 1提提提提高高高高，则则则则吸吸吸吸热热热热平平平平均均均均温温温温度度度度提提提提高高高高，循循循循环环环环热热热热效效效效率率率率将将将将提提提提高高高高；乏乏乏乏汽汽汽汽干干干干度度度度增增增增加加加加有有有有利利利利于于于于汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机安安安安全全全全工工工工作作作作。提提提提高高高高t t1 1受受受受材材材材料料料料耐热强度限制。耐热强度限制。耐热强度限制。耐热强度限制。(2)(2)蒸汽初压的影响蒸汽初压的影响蒸汽初压的影响蒸汽初压的影响 保保保保持持持持t t1 1、p p2 2不不不不变变变变，提提提提高高高高p p1 1，将将将将提提提提高高高高吸吸吸吸热热热热平平平平均均均均温温温温度度度度，提提提提高高高高循循循循环环环环的的的的热热热热效效效效率率率率。然然然然而而而而，乏乏乏乏汽汽汽汽的的的的干干干干度度度度减减减减小小小小，将将将将影影影影响响响响汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机 后后后后 几几几几 级级级级 叶叶叶叶 片片片片 安安安安 全全全全。x x 0.850.85 第8页/共32页10(2)(2)乏汽压力的影响乏汽压力的影响乏汽压力的影响乏汽压力的影响 保保保保持持持持t t1 1、p p1 1不不不不变变变变，降降降降低低低低p p2 2，则则则则对对对对应应应应的的的的饱饱饱饱和和和和温温温温度度度度T T2 2（即即即即放放放放热热热热温温温温度度度度）降降降降低低低低，循循循循环环环环热热热热效效效效率率率率将将将将有有有有所所所所提提提提高高高高。但但但但是是是是，终终终终压压压压的的的的降降降降低低低低受受受受冷冷冷冷凝凝凝凝器器器器冷冷冷冷却却却却介质温度介质温度介质温度介质温度(环境温度环境温度环境温度环境温度)的限制。的限制。的限制。的限制。结结结结论论论论：为为为为了了了了提提提提高高高高蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽动动动动力力力力循循循循环环环环的的的的热热热热效效效效率率率率，应应应应尽尽尽尽可可可可能能能能提提提提高蒸汽的初压和初温，并降低乏汽压力。高蒸汽的初压和初温，并降低乏汽压力。高蒸汽的初压和初温，并降低乏汽压力。高蒸汽的初压和初温，并降低乏汽压力。第9页/共32页114 4提高蒸汽动力循环热效率的其他途径提高蒸汽动力循环热效率的其他途径提高蒸汽动力循环热效率的其他途径提高蒸汽动力循环热效率的其他途径 （1 1 1 1）再热循环）再热循环）再热循环）再热循环 再再再再热热热热可可可可以以以以增增增增加加加加蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽的的的的干干干干度度度度，以以以以便便便便在在在在初初初初温温温温限限限限制制制制下下下下采采采采用用用用更更更更高高高高的的的的初初初初压压压压，从从从从而而而而提提提提高高高高循循循循环环环环热热热热效效效效率率率率。通常一次再热可使热效率提高通常一次再热可使热效率提高通常一次再热可使热效率提高通常一次再热可使热效率提高 2 23.53.5。再再再再热热热热循循循循环环环环的的的的设设设设备备备备复复复复杂杂杂杂，投投投投资资资资大大大大，只只只只有有有有蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽压力在压力在压力在压力在13MPa 13MPa 以上的大型火力发电厂才采用。以上的大型火力发电厂才采用。以上的大型火力发电厂才采用。以上的大型火力发电厂才采用。第10页/共32页12（2 2 2 2）回热循环）回热循环）回热循环）回热循环 回回回回热热热热循循循循环环环环提提提提高高高高了了了了吸吸吸吸热热热热平平平平均均均均温温温温度度度度，提提提提高高高高了了了了循循循循环环环环热热热热效效效效率率率率。抽抽抽抽汽汽汽汽量量量量的的的的大大大大小小小小根根根根据据据据质质质质量量量量守守守守恒恒恒恒和和和和能能能能量量量量守守守守恒恒恒恒确确确确定定定定，应应应应使使使使 kgkgkgkg抽抽抽抽汽汽汽汽所所所所放放放放出出出出的的的的热热热热量量量量等等等等于于于于(1-(1-(1-(1-)kgkgkgkg凝凝凝凝结结结结水水水水加加加加热到抽汽压力下的饱和温度。热到抽汽压力下的饱和温度。热到抽汽压力下的饱和温度。热到抽汽压力下的饱和温度。第11页/共32页13 根根根根据据据据热热热热力力力力学学学学第第第第一一一一定定定定律律律律，回回回回热热热热加加加加热热热热器器器器中中中中的的的的能能能能量平衡式为量平衡式为量平衡式为量平衡式为 循环热效率为循环热效率为循环热效率为循环热效率为 抽汽压力取决于锅炉前给水温度抽汽压力取决于锅炉前给水温度抽汽压力取决于锅炉前给水温度抽汽压力取决于锅炉前给水温度(t t10 10 t t9 9 )。回回回回热热热热级级级级数数数数：级级级级数数数数愈愈愈愈多多多多，t t愈愈愈愈高高高高，费费费费用用用用愈愈愈愈大大大大。小型发电厂小型发电厂小型发电厂小型发电厂1 1 1 13 3 3 3级，中大型发电厂级，中大型发电厂级，中大型发电厂级，中大型发电厂4 4 4 48 8 8 8级。级。级。级。第12页/共32页14（3 3 3 3）热电联供循环热电联供循环热电联供循环热电联供循环 1 1 1 1）背背背背 压压压压 式式式式 汽汽汽汽 轮轮轮轮 机机机机 热热热热 电电电电 联联联联 供循环供循环供循环供循环 2 2 2 2）抽抽抽抽汽汽汽汽式式式式汽汽汽汽轮轮轮轮机机机机热热热热电电电电联联联联供循环供循环供循环供循环 热热热热电电电电联联联联供供供供：用用用用发发发发电电电电厂厂厂厂乏乏乏乏汽汽汽汽的的的的余余余余热热热热来来来来满满满满足足足足热热热热用用用用户户户户的的的的需需需需要。（热电厂）要。（热电厂）要。（热电厂）要。（热电厂）能量利用系数能量利用系数能量利用系数能量利用系数 两个热经济性指标：两个热经济性指标：两个热经济性指标：两个热经济性指标：t t、K K 第13页/共32页156-2 活塞式活塞式内燃机内燃机循环循环气体动力循环气体动力循环分类：分类：按按结构结构活塞式活塞式：汽车，摩托，小型轮船汽车，摩托，小型轮船航空，大型轮船，移动电站航空，大型轮船，移动电站叶轮式：叶轮式：按按燃料燃料小型汽车，摩托小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船，中、大型汽车，火车，轮船，移动电站移动电站汽油机汽油机：柴油机柴油机：煤油机煤油机：航空航空点燃式、压燃式点燃式、压燃式按按点燃方式点燃方式：按按冲程数冲程数：二冲程、四冲程二冲程、四冲程第14页/共32页16单缸汽油机构造示意图单缸汽油机构造示意图 以四冲程柴油机为例分析其实际工作循环以四冲程柴油机为例分析其实际工作循环 第15页/共32页171.活塞式内燃机实际循环与理想循环活塞式内燃机实际循环与理想循环 1）进气冲程）进气冲程0-1：活塞从汽缸上：活塞从汽缸上死点下行，进气阀开启，吸入空死点下行，进气阀开启，吸入空气。由于进气阀的节流作用，气气。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。缸内气体的压力约低于大气压力。2）压缩冲程）压缩冲程1-2：活塞到达下死活塞到达下死点点1时，进气阀关闭；活塞上行，时，进气阀关闭；活塞上行，压缩空气。压缩空气。12 为多变压缩，为多变压缩，p2=35MPa，t2=600800，2 点开始喷进柴油，柴油自燃温度约为点开始喷进柴油，柴油自燃温度约为205。柴油机工作的柴油机工作的4个冲程个冲程：(1)活塞式内燃机实际循环活塞式内燃机实际循环第16页/共32页183）动力冲程）动力冲程2-3-4-5：23 柴油迅速燃烧，活塞在上柴油迅速燃烧，活塞在上死点移动甚微，近似定容燃烧，死点移动甚微，近似定容燃烧，压力迅速升至压力迅速升至59 MPa。34 活塞下行，继续喷油、燃活塞下行，继续喷油、燃烧、近似定压膨胀，烧、近似定压膨胀，4点喷油点喷油停止，温度达停止，温度达17001800。45 燃气膨胀作功，压力、温燃气膨胀作功，压力、温度下降，活塞到度下降，活塞到5点时，压力约点时，压力约 0.30.5 MPa，温度约，温度约500。4）排气冲程）排气冲程5-0：活塞到下死点活塞到下死点5时，排气阀打开，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。一个实际循环。第17页/共32页19对实际循环加以合理的抽象、概括和简化：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；忽略实际过程中进、排气阀的节流损失；进气过进气过程与排气过程互相抵消；程与排气过程互相抵消；认为废气与吸入的新鲜空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。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假定工质是化学成分不变、比热容为常数的理想气体气体空气。空气。3)忽略工质、活塞、气缸壁之间的热交换及摩擦阻忽略工质、活塞、气缸壁之间的热交换及摩擦阻力，力，认为工质的膨胀和压缩过程是可逆绝热的。认为工质的膨胀和压缩过程是可逆绝热的。4)将燃烧过程看成是工质从高温热源可逆吸热过程，将燃烧过程看成是工质从高温热源可逆吸热过程，将排气过程看成是工质向低温热源可逆放热过程。将排气过程看成是工质向低温热源可逆放热过程。5)忽略工质的动、位能变化。忽略工质的动、位能变化。(2)活塞式内燃机理想循环活塞式内燃机理想循环第18页/共32页2012：可逆绝热压缩过程；可逆绝热压缩过程；23：可逆定容加热过程；可逆定容加热过程；34：可逆定压加热过程；可逆定压加热过程；45：可逆绝热膨胀；可逆绝热膨胀；51：可逆定容放热过程可逆定容放热过程。活塞式内燃机理想活塞式内燃机理想混合加热混合加热循环循环（萨巴德循环）（萨巴德循环）第19页/共32页21压缩比压缩比：升升压比压比：预胀比预胀比：2.活塞式内燃机理想循环分析活塞式内燃机理想循环分析 为了说明内燃机的工作过程对循环热效率为了说明内燃机的工作过程对循环热效率的影响，的影响，引入下列内燃机的引入下列内燃机的特性参数特性参数：表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。表示定容加热过程工质压力升高的程度。表示定容加热过程工质压力升高的程度。表示定压加热时工质体积膨胀的程度。表示定压加热时工质体积膨胀的程度。第20页/共32页22单位质量工质的单位质量工质的吸热量：吸热量：单位质量工质的放热量：单位质量工质的放热量：循环热效率：循环热效率：（1 1）混合加热循环混合加热循环 第21页/共32页23各点温度可由以下过程求得各点温度可由以下过程求得：由可逆定容过程由可逆定容过程23得得：由可逆定压过程由可逆定压过程34得得：由可逆绝热过程由可逆绝热过程45得得：由可逆绝热过程由可逆绝热过程12得得：第22页/共32页24 将各点温度代入循环将各点温度代入循环热效率表达式热效率表达式：由上式可见，混合加热循环的热效率与多种由上式可见，混合加热循环的热效率与多种因素有关，当压缩比因素有关，当压缩比 增加、升压比增加、升压比 增加以增加以及预胀比及预胀比 减少时，都会使混合加热循环的热减少时，都会使混合加热循环的热效率提高。效率提高。第23页/共32页25（2）定容加热循环定容加热循环（奥图（奥图（奥图（奥图OttoOtto循环循环循环循环)汽油机和煤气机的理想循环汽油机和煤气机的理想循环循环热效率循环热效率：定压预胀比定压预胀比：第24页/共32页26（3）定压加热循环）定压加热循环（狄塞尔狄塞尔狄塞尔狄塞尔循环循环循环循环)早期低速柴油机的理想循环，现早期低速柴油机的理想循环，现已被淘汰。已被淘汰。循环热效率循环热效率：定容升定容升压比压比：第25页/共32页273.影响内燃机理想循环热效率的主要因素影响内燃机理想循环热效率的主要因素（1 1）压缩比压缩比 的影响的影响 汽油燃点低，易爆燃，压缩比受限制。汽油燃点低，易爆燃，压缩比受限制。提高压缩比是提高内燃机提高压缩比是提高内燃机循环热效率的主要途径之一循环热效率的主要途径之一。柴油机热效率一般高于汽油机，但汽油机小巧。柴油机热效率一般高于汽油机，但汽油机小巧。一般柴油机一般柴油机 一般汽油机：一般汽油机：第26页/共32页28（2）绝热指数绝热指数 的影响的影响 值大小取决于工质的值大小取决于工质的种类和温度种类和温度。潜艇用氦气：潜艇用氦气：第27页/共32页29（3）升压比）升压比 和预胀比和预胀比 的影响的影响 当压缩比当压缩比 和绝热指数和绝热指数 一定一定时，时，第28页/共32页304.三种活塞式内燃机理想循环的比较三种活塞式内燃机理想循环的比较（1）进气状态、最高压力、最高温度彼此相同）进气状态、最高压力、最高温度彼此相同三种理想循环的放热量相同三种理想循环的放热量相同 三种理想循环的吸热量三种理想循环的吸热量 三种理想循环的热效率三种理想循环的热效率 用下角标用下角标V、m、p p分别分别代表定容加热循环、混合加代表定容加热循环、混合加热循环、定压加热循环热循环、定压加热循环。第29页/共32页31（2）进气状态、最高压力、吸热量彼此相同）进气状态、最高压力、吸热量彼此相同三种理想循环的放热量三种理想循环的放热量 三种理想循环的吸热量相同三种理想循环的吸热量相同三种理想循环的热效率三种理想循环的热效率 第30页/共32页32第六章小结第六章小结第六章小结第六章小结(1)(1)掌握朗肯循环的工作过程掌握朗肯循环的工作过程掌握朗肯循环的工作过程掌握朗肯循环的工作过程。(2)(2)了了了了解解解解朗朗朗朗肯肯肯肯循循循循环环环环效效效效率率率率的的的的影影影影响响响响因因因因素素素素及及及及提提提提高高高高循循循循环环环环效率的途径。效率的途径。效率的途径。效率的途径。(3)(3)了了了了解解解解活活活活塞塞塞塞式式式式内内内内燃燃燃燃机机机机的的的的循循循循环环环环工工工工作作作作过过过过程程程程、三三三三种种种种理想循环的构成及影响循环热效率的主要因素。理想循环的构成及影响循环热效率的主要因素。理想循环的构成及影响循环热效率的主要因素。理想循环的构成及影响循环热效率的主要因素。第31页/共32页