1、(22)第八章 動力循環(huán)本章基本要求掌握蒸氣動力基本循環(huán)-朗肯循環(huán)、回熱循環(huán)、再熱循環(huán)以及熱電循環(huán)的組成、熱效率計算及提高熱效率的方法和途徑。熱機：將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的設(shè)備叫做熱力原動機。熱機的工作循環(huán)稱為動力循環(huán)。動力循環(huán)可分：蒸汽動力循環(huán)和燃氣動力循環(huán)兩大類。8.1 蒸汽動力基本循環(huán)一朗肯循環(huán)朗肯循環(huán)是最簡單的蒸汽動力理想循環(huán)，熱力發(fā)電廠的各種較復(fù)雜的蒸汽動力循環(huán)都是在朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)上予以改進而得到的。裝置與流程蒸汽動力裝置：鍋爐、汽輪機、凝汽器和給水泵等四部分主要設(shè)備。工作原理：p-v、T-s和h-s。朗肯循環(huán)可理想化為：兩個定壓過程和兩個定熵過程，即水在蒸汽鍋爐中定壓加熱變?yōu)檫^熱水蒸氣

2、過熱水蒸氣在汽輪機定熵膨脹濕蒸氣在凝汽器內(nèi)定壓(也定溫)冷卻凝結(jié)放熱凝結(jié)水在水泵中的定熵壓縮8.1.2朗肯循環(huán)的能量分析及熱效率取汽輪機為控制體，建立能量方程:8.2 提高朗肯循環(huán)熱效率的基本途徑依據(jù)：卡諾循環(huán)熱效率8.2.1提高平均吸熱溫度 直接方法式提高蒸汽壓力和溫度。8.2.2降低排氣壓力. 例1：某朗肯循環(huán)的蒸汽參數(shù)取為=550，=30bar，=0.05bar。試計算1) 水泵所消耗的功量，2) 汽輪機作功量, 3) 汽輪機出口蒸汽干度, 4) 循環(huán)凈功， 5) 循環(huán)熱效率。解：根據(jù)蒸汽表或圖查得1、2、3、4各狀態(tài)點的焓、熵值：=3568.6KJ/kg =7.3752kJ/kgK=2

3、236kJ/kg =7.3752kJ/kgK=137.8kJ /kg =0.4762kJ/kgK=140.9kJ/kg則 1) 水泵所消耗的功量為=140.9-137.78=3.1kJ/kg2) 汽輪機作功量=3568.6-2236=1332.6kJ/kg3) 汽輪機出口蒸汽干度=0.05bar時的=0.4762kJ/kgK =8.3952kJ/kgK.則 0.87或查h-s圖可得 =0.87.4) 循環(huán)凈功 =1332.6-3.1=1329.5kJ/kg5) 循環(huán)熱效率 =3568.6-140.9=3427.7KJ/kg故 =0.39=39%（i）p3a=6.867bar，t3a=490 水

4、泵的功 =0.001(686.7-9.81)÷0.8=0.846kJ/kg wnet=923.57-0.846=922.72kJ/kg(ii) p3b=58.86 bar，t3b=490 水泵的功 =0.001(5886-9.81)÷0.8=7.34 kJ/kg wnet=1057.5-7.34=1050.16 kJ/kg8.2.3回熱循環(huán)與再熱循環(huán)目的：提高等效卡諾循環(huán)的平均吸熱溫度1）回熱循環(huán)抽氣回熱循環(huán)：用分級抽汽來加熱給水的實際回熱循環(huán)。設(shè)有1kg過熱蒸汽進入汽輪機膨脹作功。當壓力降低至時，由汽輪機內(nèi)抽取1kg蒸汽送入一號回熱器，其余的(1-1) kg蒸汽在汽輪機內(nèi)

5、繼續(xù)膨脹，到壓力降至時再抽出2kg蒸汽送入二號回熱器，汽輪機內(nèi)剩余的(1-1-2) kg蒸汽則繼續(xù)膨脹，直到壓力降至時進入凝汽器。凝結(jié)水離開凝汽器后，依次通過二號、一號回熱器，在回熱器內(nèi)先后與兩次抽汽混合加熱，每次加熱終了水溫可達到相應(yīng)抽汽壓力下的飽和溫度。注意：電廠都采用表面式回熱器(即蒸汽不與凝結(jié)水相混合),其抽汽回熱的作用相同。2）再熱循環(huán)再熱的目的：克服汽輪機尾部蒸汽濕度太大造成的危害。再熱循環(huán)：將汽輪機高壓段中膨脹到一定壓力的蒸汽重新引到鍋爐的中間加熱器(稱為再熱器)加熱升溫， 然后再送入汽輪機使之繼續(xù)膨脹作功。例2：某蒸汽動力循環(huán)。汽輪機進口蒸汽參數(shù)為p1=13.5bar，t1=3

6、70,汽輪機出口蒸汽參數(shù)為p2=0.08bar的干飽和蒸汽，設(shè)環(huán)境溫度t0=20,試求：（1）汽輪機的實際功量、理想功量、相對內(nèi)效率；（2）汽輪機的最大有用功量、熵效率；（3）汽輪機的相對內(nèi)效率和熵效率的比較。解：先將所研究的循環(huán)表示在h-s圖（圖10.3）上，然后根據(jù)已知參數(shù)在水蒸氣圖表上查出有關(guān)參數(shù)：h1=3194.7kJ/kg s1=7.2244kJ/(kg·K) kJ/kg kJ/(kg·K) kJ/kg kJ/(kg·K) (1)汽輪機的實際功量：w12=h1-h2=3194.7-2577.1=617.6 kJ/kg汽輪機的理想功量： kJ/kg汽輪機的

7、相對內(nèi)效率 （2）汽輪機的最大有用功和熵效率汽輪機的最大有用功汽輪機的熵效率：（3）汽輪機的相對內(nèi)效率和熵效率的比較計算結(jié)果表明，汽輪機的對內(nèi)效率小于熵效率。因為這兩個效率沒有直接聯(lián)系，它們表明汽輪機完善性的依據(jù)是不同的。汽輪機的相對內(nèi)效率是衡量汽輪機在給定環(huán)境中，工質(zhì)從狀態(tài)可逆絕熱地過渡到狀態(tài)2所完成的最大有用功量（即兩狀態(tài)熵的差值）利用的程度，即實際作功量與最大有用功量的比值。注意：汽輪機內(nèi)工質(zhì)實現(xiàn)的不可逆過程1-2，可由定熵過程1-2和可逆的定壓定溫加熱過程2-2兩個過程來實現(xiàn)。定熵過程1-2的作功量為kJ/kg在可逆的定壓定溫加熱過程2-2中，使x2=0.8684的濕蒸汽經(jīng)加熱變?yōu)橄嗤?/p>

8、壓力下的干飽和蒸汽，其所需熱量為q2=h2-h2。因為加熱過程是可逆的，故可以想象用一可逆熱泵從環(huán)境（T0=293K）向干飽和蒸汽（T2=314.7K）放熱。熱泵消耗的功量為w22=q2-T0kJ/kg。故1-2過程的最大有用功為kJ/kg與前面計算結(jié)果相同。顯見，與的差別為而 (23)8.2.4熱電循環(huán)1）背壓式熱電循環(huán)優(yōu)點：熱能利用率高缺點：熱負荷和電負荷不能調(diào)節(jié)2） 調(diào)節(jié)抽氣式熱電循環(huán)實質(zhì)：利用氣輪機中間抽氣來供熱。8.3 燃氣動力循環(huán) 據(jù)工作原理不同可分為內(nèi)燃機循環(huán)和燃氣輪機循環(huán)。8.3.1內(nèi)燃機循環(huán)活塞式內(nèi)燃機的燃料燃燒、工質(zhì)膨脹、壓縮等過程都是在同一帶有活塞的氣缸內(nèi)進行的，因此結(jié)構(gòu)

9、比較緊湊。     活塞式內(nèi)燃機按所使用的燃料分為煤氣機、汽油機和柴油機；按點火方式分為點燃式和壓燃式兩大類；按完成一個循環(huán)所需要的沖程又分為四沖程和二沖程的內(nèi)燃機。點燃式內(nèi)燃機吸入燃料和空氣的混合物，經(jīng)壓縮后，由電火花點燃；而壓燃式內(nèi)燃機吸入的僅僅是空氣，經(jīng)壓縮后使空氣的溫度上升到燃料自燃的溫度，再噴入燃料燃燒。煤氣機、汽油機一般是點燃式內(nèi)燃機，而柴油機則是壓燃式內(nèi)燃機。    柴油機主要用于裝備重型機械，如推土機、重型卡車、船舶主機，等等。汽油機主要應(yīng)用于輕型設(shè)備，如轎車、摩托車、園藝機械、螺旋槳直升機等。8.

10、3.2活塞式內(nèi)燃機工作過程下面以四沖程柴油機為例，討論如何從實際循環(huán)抽象、概括得出理論循環(huán)。通過一種叫示功器的設(shè)備記錄四沖程柴油機實際循環(huán)中壓力和容積變化的關(guān)系如圖6-1所示。0-1是活塞右行的吸氣過程，由于進氣閥的節(jié)流作用，進入氣缸的氣體的壓力略低于大氣壓力。活塞右行到下止點1，進氣閥關(guān)閉。然后活塞左行，進行壓縮過程1-2，由于缸壁夾層中有水冷卻，所以壓縮過程是個多變過程，平均多變指數(shù)在1.34-1.37。在活塞左行到上止點之前的2'點，柴油被高壓油泵噴入氣缸，此時被壓縮的空氣的壓力可達3-5MPa，溫度也可達到600-800，超過了柴油的自燃溫度（約335左右）。但被噴入的柴油需有

11、一個滯燃期才會燃燒，加上現(xiàn)代柴油機的轉(zhuǎn)速較高，因此要到活塞運行到接近上止點2才燃燒起來。由于燃燒過程十分迅猛，壓力迅速上升到5-9Mpa，而活塞移動并不顯著，這樣氣體的加熱過程就接近于定容過程，如圖中的過程2-3。活塞到達點3后，又開始右行，此時燃燒在繼續(xù)進行，氣缸內(nèi)氣體的壓力變化很少，所以3-4這一段過程接近于定壓加熱過程。到點4時缸內(nèi)氣體的溫度可高達1700-1800。活塞繼續(xù)右行，氣缸內(nèi)高溫高壓氣體實現(xiàn)膨脹作功過程4-5，同時向冷卻水放熱，所以也是一個多變過程。到點5時氣體的壓力一般降為0.3-0.5MPa，溫度約為500。這時排氣閥打開，部分廢氣排入大氣，氣缸中壓力突然下降，接近于定容

12、降壓過程，如圖中過程5-1"，隨著活塞左行，廢氣在壓力稍高于大氣壓下被排出氣缸，實現(xiàn)排氣過程1"-0，完成一個循環(huán)。這個循環(huán)是開式的不可逆循環(huán)，循環(huán)不同部位工質(zhì)的成分、質(zhì)量也稍有改變。柴油機的實際循環(huán)被理想化為混合加熱理想可逆循環(huán)，又稱薩巴德循環(huán)，如圖6-2所示。現(xiàn)行的柴油機都是在這種循環(huán)的基礎(chǔ)上設(shè)計制造的。循環(huán)構(gòu)成如下：1-2：定熵壓縮過程；2-3：定容加熱過程；3-4：定壓加熱過程；4-5：熱定熵膨脹過程；5-1：定容放熱過程。定壓加熱的理想循環(huán)又稱狄塞爾循環(huán)，早期的低速柴油就是以這種循環(huán)為基礎(chǔ)設(shè)計的。近年來，有些高增壓柴油機及船用高速柴油機，它們的燃燒過程主要在活塞離

13、開上止點后的一段行程中進行，這時燃料燃燒和燃氣膨脹同時進行，氣缸內(nèi)壓力基本保持不變。這種柴油機的實際循環(huán)，經(jīng)理想化后即是定壓加熱理想循環(huán)，如圖6-3所示。其中：1-2是定熵壓縮過程，2-3是定壓加熱過程，3-4是定熵膨脹過程，4-1定容放熱過程。定容加熱理想循環(huán)又稱奧托循環(huán)，基于這種循環(huán)而制造的煤氣機和汽油機是最早的活塞式內(nèi)燃機。由于煤氣機、汽油機和柴油機燃料性質(zhì)不同，機器的構(gòu)造也不同，其燃燒過程接近于定容過程，不再有邊燃燒邊膨脹接近于定壓的過程，故而在熱力學分析中，奧托循環(huán)可以看作不存在定壓加熱過程的混合加熱理想循環(huán)。圖6-5是定容加熱理想循環(huán)的圖和圖。1-2是定熵壓縮過程，2-3是定容加熱過程，3-4是定熵膨脹過程，4-1是定容放熱過程。例題例6-1】有一定壓加熱理想循環(huán)的壓縮比=20，作功