工程热力学大作业

综合性大作业

1.对任课教师在教学上（教学方法、教学态度等等）有什么建议和意见？任课教师在以后的教学中要注意什么问题，有什么需要改进的？宏观、微观的意见和建议最好都有。（不少于100字，要求内容翔实，不要空话大话和表扬话）

本题是要求我提意见和建议，好的方面我就尽量简洁了，主要提出一些改进意见和建议。在交大上了两年的课，我对老师授课的思路有这样的感受：讲课的思维主要有两种取向，一是描述性讲解，即在固定的知识体系架构上对知识进行解释，更加注重按照知识体系讲解；二是构造性讲解，即按照问题产生、分析方法、构建知识体系、完善知识体系的一般思维方式进行讲解，更加注重思维逻辑。

1.1综述

坡哥的课给我最深课的感受有两个方面，一是讲解有耐性，二是枯燥乏味。想过上面所讲的两种授课思路之后，我发现坡哥讲课的思维方式属于前者，更加注重照本宣科，所以给人的感觉是听课跟看书、看课件效果差别不大，而且后者在时间上更灵活。事实上，关于如何深层次改善方面，我们所能想到的肯定不如老师的全面、合理，我们所能提供的更多的是不同老师授课效果的对比，下面我就根据自己的对比结果向老师提一点建议。

1.1意见、建议的误差分析

在正式提出意见建议之前，我要说一下其他因素对上面所说的“对比结果”的影响，用科学术语讲就是“误差分析”。不同的学科有不同的思维方式，也需要不同的讲授逻辑，所以用其他课的讲授逻辑跟工程热力学相类比的时候不可以完全套用；不同的老师有不同的性格、经验和生活状态（比如老教师和年轻教师），所以不能要求所有老师讲课的风格都慷慨激昂；不同专业的学生有不同的接受能力，所以同一门课程的讲解要因材施教；同一门课不同的内容对授课效果的要求也不一样，所以不能简单地认为知识应该用来灌输或是应该由学生自学。

1.3误差的修正与拟合

针对上面所说的四个方面的问题，坡哥可以把自己的学习、授课和科研经验、体悟以及自己对这门课高屋建瓴的理解作为修正系数，比如我看了何老师编写的辅导书觉得她所讲述的工程热力学有着鲜明而简洁的专业思维。我们在读科技类的著作和教材时，会发现作者写书一般会介绍知识发展的历史，由此我想到了对于上述四个方面的拟合条件，即从问题的产生背景出发，到知识体系的补充和完善结束，中途经历这样的思维过程：最初是因为什么生产或其它需要产生了某个问题，为了解决这个问题人们创造了什么理论，由这些理论我们能联想到什么热

力学问题，这些问题可以运用什么理论解决，通过解决问题引出的这一系列理论可以归纳整合为怎样一套热力学知识体系，这个体系需要做哪些补充才足够完善举个简单的例子，为了计算内燃机的耗油量，我们首先会考虑需要输出多少功，于是想到热力学第一定律和内燃机热力过程的能量转换效率，由于实际热力过程很复杂，所以我们先构造一个理想的热力系统，计算理想工质的做工情况，然后联系实际情况对理想过程进行逐步修正；解决了第一定律的问题后，我们会想，热机工作过程中热能耗散是不可避免的，由此开启了对热力学第二定律的研究，研究过程中我们发现可以解决更多的问题，这些问题引出了循环的方向、能量的品质等问题，我们也很容易想到，工质的各种热力状态和参数，通过整理以上过程中创造出来的理论，我们可以归纳出热力学知识体系，把这一体系尚未包含的热力学知识纳入之一体系，从而使之得以完善，于是我们就掌握了这门专业基础工具，运用这一工具我们再训练一下解决简单问题的能力，于是我们以一些典型的热力学过程和典型工质的工况特点为例子进行训练。这就是顺应认知逻辑进行知识讲解的一般模式，遵照这个模式进行授课学生更容易接受，同时对教师自身对知识掌握的熟练度要求较高。其它课程也可以套用这个模式。

1.4其它具体问题的建议

坡哥在讲课的时候可以再表现得投入一些，这样可以让学生受到更深的感染和学术熏陶。坡哥在人人网和课堂上喜欢用本科生的网络流行语，好处是可以跟学生打成一片，克服年龄、身份界限，但应该适可而止，否则学生会不自觉地将老师的权威性转移到知识的权威性上，造成很多人不重视这门课程。在考试意义的解释上，坡哥需要放弃高考那种“分数至上”的思维，其实在学生心目中，考试分数的重要性已经不需要在做渲染了，学生更多地想知道工程热力学可以为我们以后的学习奠定哪些基础，可以怎样去触类旁通等等。作业方面，坡哥需要对交作业的时间做出硬性规定，周期可以适当放长一些，批改时需要再细致一些，这样可以提高学生作业的质量。

总之，上面所陈述的意见建议难免有主观臆断和考虑不周，坡哥就取其精华、去其糟粕吧。

2.提高燃气轮机装置循环热效率的措施有哪些？（要求画出流程示意图，并在T-s 图上进行分析，给出相关结果。分析内容至

少要包括但不限于：回热、压气机中间冷却、

回热+中间冷却、再热、再热+回热、再热+

中间冷却+回热等。）最后总结出动力循环的共性。

燃气轮机装置循环热效率表达式如下

；

右图是相应T-s 图

提高热效率的措施有以下几点：

2.1回热

流程示意图如右图

回热条件：；

极限回热效率：；

回热度：；

实际回热回热度：；

综上所述，由于采用回热措施，使得输入热量减小，其他不变，所以采用回热的循环效率高于不回热，表达式：。

2.2在回热的基础上分级压缩、中间冷却

流程示意图如下图

理想回热循环的T-s 图 实际回热循环的T-s 图

在回热的基础上分级压缩、中间冷却的T-s图

由T-s图可知，在回热的基础上分级压缩、中间冷却提高了净输出功，表达式：

；。

其效率高于简单循环的效率，且在回热的基础上效率有所提高，三者效率比较：

。

2.3在回热的基础上分级膨胀、中间再热

流程示意图如下图

在回热的基础上分级膨胀，、中间再热的T-s图

由T-s图可知，在回热的基础上分级膨胀、中间再热提高了净输出功，表达式：

；

相比较之下，效率高低关系如下：

。

2.4燃气—蒸汽联合循环

燃气轮机简单循环应用的是Brayton 循环，它加热温度可以很高，但它的一个很大缺点是排气温度过高，多在500以上，而Rankin循环则在相对较低的温度下进行，排气温度要低得多。燃气轮机排放的高温烟气通过余热锅炉加热给水，产生高温高压的蒸汽，推动蒸汽轮机做功发电，这样就产生了燃气—蒸汽联合循环。它综合了Brayton循环和Rankin循环各自的优点，使效率大幅度提高。目前，简单循环发电的效率最高只有43%，而燃气—蒸汽联合循环的效率最高达到了60%。

2.5 HAT 循环

HAT（Humid Air Turbine）循环称作“湿空气透平循环”，是最近几年发展起来的新型热力循环。HAT循环采用湿化技术，能更经济地增加透平流量（12%~ 25% ），工质压缩耗功也相对降低（只占透平功的30%左右），故其热效率高，可达56%。HAT 循环相比燃气—蒸汽联合循环有一个很大的优点是设备简单，不用再额外增加余热锅炉和蒸汽轮机的投资，因此有人预计这将是一种极有前途的循环形式，已经成为近20年来动力循环的一个研究热点。

2.6 IGCC 循环

整体煤气化联合循环（IGCC- lntegrated Gasification Combined Cycle）发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。它由两大部分组成，即煤的气化与净化部分和燃气—蒸汽联合循环发电部分。第一部分的主要设备有气化炉、空分装置、煤气净化设备（包括硫的回收装置），第二部分的主要设备有燃气轮机发电系统、余热锅炉、蒸汽轮机发电系统。IGCC 的工艺过程如下：煤经气化成为中低热值煤气，经过净化，除去煤气中的硫化物、氮化物、粉尘等污染物，变为清洁的气体燃料，然后送入燃气轮机的燃烧室燃烧，加热气体工质以驱动透平做功。燃气轮机排气进入余热锅炉加热给水，产生过热蒸汽驱动蒸汽轮机做功。

2.7其他一些先进循环

除了上面介绍的联合循环之外，与燃机有关的循环形式还有化学回热循环、燃料电池—燃气轮机联合循环、注蒸汽燃气轮机循环、Kalina循环等，与传统的热力循环相比能改善燃机及整个系统的热效率，并能有效地降低污染。

总结

热力过程效率的表达是收益比代价，燃气轮机装置循环的效率可以表达为

。

提高燃气轮机装置循环热效率的思想出发点是让输入的热能尽可能多地转化为机械功，具体措施是提高增温比，进而提高增压比，以提高输出功、减少输

入热，即在压缩的过程中对工质分级压缩、中间冷却，工质膨胀过程中采用分级膨胀、中间再热的方式。在涉及具体的工况和生产需要时，可以根据整个热力系统的能量要求对整体的热效率进行提高，如燃气—蒸汽联合循环。

3.低温朗肯循环可用于海洋热能的转换系统（Ocean Thermal Energy Conversion,简称OTEC），即利用海水表面与深处的温差来产生动力。试论述OTEC的现状，现有几种方式的优缺点？你是否能提出一种你认为更好的方式？从工质，循环，材料和经济等方面分析哪些是设计OTEC时应考虑的重要因素？选取一种方式进行能量和经济分析。

迄今为止，海洋温差发电技术在热动力循环方式、高效紧凑型热交换器、工质选择以及海洋工程技术等方面的研究均已取得长足的发展，很多技术已渐趋成熟。

3.1发展现状

海洋温差能储量最大，是国际社会公认的最具开发潜力的能源之一。根据美国Scripps海洋研究艾萨克博士（J．D．Isaacs）估计，世界上可供开发的海洋温差能为W，且海洋温差能能源密度最高，是海流能的3,500倍，即使利用海流与波浪发电的效率高于温差20倍，温差发电仍然极大的优势。海洋是世界上最大的太阳能采集器，它吸收的太阳能达到370,000亿千瓦，是目前人类电消耗总功率的大约4,000倍J，仅可开发利用部分也已远远超出全球总能耗。全世界海洋温差能的理估计储量为100亿千瓦，所以海洋温差能转换被国际社会普遍认为是最具开发利用价值和潜力海洋能资源。海洋温差能是清洁的可持续能源，除发电外还可同时进行空调制冷、水产品及作物养殖海洋化工、海水淡化、海洋采矿等附属开发，这将大大提高海洋能综合利用的经济效益。利用海洋差能不消耗燃料，不排放污染物，而且储藏丰富，取之不竭，同时还可得到许多副产品，如淡水等。因此海洋温差能的开发利用将对缓解当前能源短缺、淡水资源日渐匾乏、生态环境恶化的现状起着十分积的作用。

3.2温差发电的主要方式

根据所用工质及流程的不同，海洋温差发电的主要方式有三种，即闭式循环系统、开式循环系统及混合式循环，目前接近实用的是闭式循环方式。

a)开式循环发电系统

开式循环系统如图所示。该系统的特点是以温海水为工作介质，工作时由真

空泵将系统抽到一定真空度，低压下被抽人的温海水在蒸发器内迅速沸腾蒸发，转变为蒸汽，蒸汽由喷嘴喷出推动汽轮机运转，带动发电机发电；从汽轮机排出的废汽进入冷凝器，被由冷水泵从深层海水中抽上来的冷海水所冷却，重新凝结为水，并排人海中或作为淡水收集。

开式循环流程图

b)闭式循环发电系统

闭式循环系统见图，系统工作时，通过蒸发器内的换热器，把所抽人的表层温海水的热量传递给低沸点的工质，工质从温海水吸收热量后开始沸腾并转变为工质气体，膨胀做功，推动汽轮机旋转，带动发电机发电。工质气体通过汽轮机后进人冷凝器，被冷水泵抽上的深层冷海水冷却后重新变为液态，用循环泵把液态工质重新压进蒸发器，以供循环使用。

闭式循环流程图

c)混合式循环发电系统

下图合式海洋温差发电系统图，该系统综合了开式和闭式循环系统的优点，它以闭式循环发电，但用温海水闪蒸出来的低压蒸汽来加热低沸点工质。这样做的好处在于减小了蒸发器的体积，节省材料，便于维护并可收集淡水。

混合循环流程图

3.3循环工质特性

对于温度低的热源，以水作为工质效率较低，此时应该采用其他沸点相对较低的工质，如一些氟利昂、氨等作为工质。对这些工质特性的研究对改善OTEC 系统的综合性能有着重要的作用。氨是一种传统工质，其优点是具有优良的热力

性能和高的传热系数，并且运行和管理经验非常成熟，成本低廉，ODP=0、GWP=O、价格低廉、能效高、传热性能好、易检漏、吸水性大、管径小。氨的刺激性气味使人们极易感知其存在，具有警示作用，因此只要正确使用，氨对人不会产生伤害。100多年使用的历史表明，氨安全性记录是好的，其在空气中可燃浓度为15％-28％（体积），引燃温度为659℃，且需要较高的能量，因此氨实际上并不易燃。

3.4海洋温差发电的关键技术

a)热交换器是海洋温差发电系统的关键设备。钛的传热及防腐性能良好，但

是价格过于昂贵。美国阿贡国家实验室的研究人员发现，在腐蚀性暖海水环境下，改进后的钎焊铝换热器寿命可以达到30年以上。板式热交换器体积小，传热效果好、造价低，适合在闭式循环中采用。

b)最新的洛伦兹循环有机液体透平能在20-22℃温差下工作，适用于闭式循环

装置中。洛伦兹循环的T-s图如图所示。洛伦兹循环的特点是热效率高且接近实际循环，其透平采用两种以上氟利昂混合物作为工质，并配以适合的换热器。

洛伦兹循环的T-s图

c)海洋温差发电有岸基型和海上型两类。岸基型把发电装置设在岸上，把抽水

泵延伸到500-1,000m或更深的深海处。海上型是把吸水泵从船上吊下去，发电机组安装在船上，电力通过海底电缆输送。1979年美国在夏威夷西部海岸建成了一座mini-OTCE发电装置，这是世界上首次从海洋温差能获得有实用意义的电力J。太平洋高技术国际研究中心（PICHTR）还开发了利用冷海水进行空调、制冷及海水养殖等附属产业，在热带岛屿显示出良好的市场前景。

3.5提高海洋温差发电效率的方法与技术

海洋温差能属低品位能源，与现有的生物化学能和核能相比，不能大规模商业化应用的主要原因是循环热效率低。提高OTEC系统循环热效率最有效的途

径是提高冷、温海水的温差，温海水与冷海水的温度差至少要在2 0℃以上才能实现海洋温差发电。按海水表面25℃的平均温度计算，5℃左右的冷海水一般取自千米左右的大洋深处，若要继续扩大温差，则深度会更深。这样一来，不仅投资更大，可利用的海域面积也将大为减少。在海面建一座“浮标式”的太阳池，利用天然阳光“煮”上一池海水，再用水泵将海面的温海水抽出，顺着管道流经被加热的池底。如此一来，池底的高温可将温海水加热至32℃，与洋底冷海水间的温差可提高到27℃。这样经过太阳池的加热，海洋温差发电的效率即可提高10％，达到l2％左右，性价比大幅提高。

将温水泵抽出的温海水先送往太阳能集热器加热，温度升高后再进入蒸发器加热循环工质；也可用于提高汽轮机人口处工质的温度，即将从蒸发器出来的工质送到太阳能集热器进行再热后，送入汽轮机做功。无论用太阳能集热器加热温海水还是加热工质，都是通过提高汽轮机人口工质的温度而使朗肯循环的效率提高。这样，在机组装机容量100kW不变的前提下，SOTEC系统朗肯循环效率的提高，使得冷海水的质量流率降低，导致冷海水泵的耗功比OTEC的降低了30％左右，温海水泵和循环工质泵的耗功也相应减小。因此，SOTEC的净输出功高于OTEC系统。

3.6海洋温差发电技术难题

海洋温差发电存在着若干技术难题，它们是制约技术发展的瓶颈。

a)热交换器表面容易附着微生物使表面换热系数降低，这对整个系统的经济性

影响极大。BergerLR等的研究结果表明，换热器管道中附着25-50m微生物时，换热率降低40-50％。美国阿贡实验室发现，每天进行1小时的间断加氯，可有效控制生物体附着。但这种方法对环境有一定影响，因此仍有待于寻找更合适的方法。科学家在1977年的一项模拟换热器实验中，换热器工作十周后，尽管换热器表层附着物很薄，系统的热传导仍有明显的降低。1985年夏威夷的实验研究证实，虽然定期对微生物进行清扫可以清除大部分附着的微生物，但长期使用后换热器表面仍有一层坚硬的附着层不能通过简单清扫清除。另外一项研究表明，使用含有添加剂的海面橡胶可以有效去除附着于系统中的微生物，然而这样会使微生物附着并生长速度加快，清扫工作将会越来越频繁。

b)冷水管是未来OTEC技术发展面临的极大挑战。冷水管必须有足够的强度，

以保证30年使用寿命。冷水管的保温性能也要好，以免冷海水温度升高影响热效率。这些问题现在还没有完全解决。

c)要达到海洋温差能的商业规模利用，并实现产业化，除了解决技术上的难题

以外，还需要考虑另外一些因素。如自然条件和地理位置，只有在赤道附近一定范围内的海域，表层海水温度达到25℃以上，才适宜海洋温差发电。如

果发电位置与负荷中心距离太远，势必加大输电成本；风速、海浪、洋流等影响表面温度稳定的因素都对装置的整体效率带来直接影响。

3.7经济、环保质量评价

海洋温差发电设备的功率范围为1-100MW。对于100MW的发电设备，总造价约为600-700亿日元，单位造价约为60-70万日元/kW，厂内用电功率约占20％。当电站功率为1MW时，厂房内部自用电约占50％。由此可见，它的发展趋势是大型化，这有利于提高经济效益；另外一个发展趋势是多种经营、综合利用。不管是抽取的热水还是冷水，在发电后可进行多目的综合利用，如水产养殖、动物饲养、植物培育、冷房冷库等。由于深层海水具有营养、清净、低温等性能，其综合利用前景更为广阔。