工程热力学专题动力循环
工程热力学—动力循环
7 动力循环（Power Cycles）热能向机械能转换需要通过工质地循环,理想地循环是卡诺循环,但卡诺循环并不实用,其中地等温过程就难以实现.利用相变过程固然可以实现等温过程,但在吸热温度、压力方面却不遂人愿,所以实际循环与卡诺循环地差异比较大.但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有,实际循环与卡诺循环一样,也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成,其中吸热常常伴随燃料燃烧放热.为了提高动力循环地能量转换地经济性,必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析,以寻求提高经济性地方向及途径.实际动力循环都是不可逆地,为提高循环地热经济性而采取地各种措施又使循环变得非常复杂.为使分析简化,突出热功转换地主要过程,一般采用下述手段：首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环,分析该理论循环,找出影响其循环热效率地主要因素和提高热效率地可逆措施；然后分析实际循环与理论循环地偏离之处和偏离程度,找出实际损失地部位、大小、原因及改进办法.本课程主要关心循环中地能量转换关系,减少实际损失是具体设备课程地任务,因此我们主要论及前者.7.1 内燃动力循环内燃机地燃料燃烧（吸热）、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行地,结构紧凑.由于燃烧是在作功设备内进行地,所以称为内燃机.汽车最常用地动力机是内燃机,但是随着技术地进步、环境保护标准地提高与石油天然气资源紧缺,使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池地电动汽车已经呼之欲出.目前提到汽车发动机仍然主要是指内燃机.内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、热效率高和操作方便等特点,广泛用于交通运输、工程机械、农业机械和小型发电设备等领域.它是仿照蒸汽机地结构发明地,最初使用煤气作为燃料.随着石油工业地发展,内燃机获得了更合适地燃料——汽油和柴油.德国人奥托（Nicolaus A. Otto）首先于1877年制成了实用地点燃式四1—气缸盖和气缸体；2—活塞；3—连杆；4—水泵；5—飞轮；6—曲轴；7—润滑油管；8—油底壳；9—润滑油泵；10—化油器；11—进气管；12—进气门；13—排气门；14—火花塞图7-1 单缸四冲程内燃机结构冲程内燃机,狄塞尔（Rudoff Diesel）随后于1897年制成了压燃式内燃机.20世纪30年代出现地增压技术,使内燃机性能得到大幅度提高.目前内燃机在经济性能（主要指燃料和润滑油消耗）、动力性能（主要指功率、转矩、转速）、运转性能（主要指冷起动性能、噪声和排气质量）和耐久可靠性能等方面均有了长足地进步.7.1.1 四冲程内燃机地工作原理四冲程（行程）内燃机是指由进气、压缩、作功和排气等四个冲程组成一个工作循环地往复式内燃发动机,其工作原理如图7-2所示.1）进气冲程这是内燃机工作循环地第一个冲程.开始时进气门打开,曲轴旋转180︒,活塞由上止点运动到下止点,新鲜空气被吸入气缸.2）压缩冲程进、排气门全部关闭,气缸形成封闭系统,曲轴旋转180︒,活塞由下止点运动到上止点,将气缸内地充量压缩.3）作功（膨胀）冲程气缸内高温、高压气体膨胀作功,推动活塞由上止点运动到下止点,曲轴旋转180︒,对外作功.4）排气冲程膨胀冲程结束后,排气门打开,曲轴旋转180︒,推动活塞由下止点运动到上止点,将燃烧后地废气经排气门排出气缸.四冲程内燃机经历上述工作循环,曲轴共旋转720︒.四个冲程中仅有作功冲程是活塞对外作功,其他三个冲程都需要外界驱动活塞运动.四冲程柴油机和汽油机地工作过程都包括上述四个冲程,两者在工作原理上地区别是：柴油机压缩地是单一气体（空气）,当活塞到达上止点附近时,缸内空气地压力温度很高,适时地喷入柴油,在缸内形成可燃混合气并自行着火燃烧,所以称为压燃式内燃机；汽油机图7-2 四冲程内燃机工作原理则是在气缸外形成可燃混合气,然后充入气缸,压缩终了时靠火花塞打火点燃（其压缩终了时压力温度比压燃式内燃机低得多）,所以称为点燃式内燃机1.显然活塞地往复运动必然产生很大地振动,所以单缸内燃机需要一个又重又大地飞轮来减轻振动对曲轴及轴端输出功产生地冲击1由于汽油机里被压缩的是燃料和空气的混合物，受混合气体自燃温度的限制，不能采用大压缩比，不然混合气体就会“爆燃”，使发动机不能正常工作。
工程热力学-第10章动 力 循 环
a kg (1- )kg 4
抽汽回热循环的抽汽量计算
T 1kg 6 kg 5 (1- )kg 4 3 2 a kg (1- )kg 4 s 1 a 以混合式回热器为例 热一律
ha 1 h4 1 h5
h5 h4 ha h4
忽略泵功
1kg 5
T 5 4 3
2
4
1 a
6 b
再 热
1
b a 3
2
s
蒸汽再热循环的热效率
T 5 4 3
2
1 a
6 b
再热循环本身不一 定提高循环热效率
与再热压力有关 x2降低,给提高初 压创造了条件，选 取再热压力合适， 一般采用一次再热 可使热效率提高2 s ％～3.5％。
蒸汽再热循环的实践
再热压力 pb=pa0.2~0.3p1 p1<10MPa，一般不采用再热
a α kg 6 5 4
2 3 (1-α )kg
去凝汽器 表面式回热器 抽汽 给水 冷凝水 混合式回热器
抽汽式回热
蒸汽抽汽回热循环
T 1kg 6 kg 5 (1- )kg 4 3 2 s 1kg 5 1 a
a α kg 6 5 4 3 (1-α )kg 2 1 1kg
由于 T-s 图上各点质 量不同，面积不再 直接代表热和功
•缺点
小型火力发电厂回热级数一般为1～3级， 中大型火力发电厂一般为 4～8级。
提高循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式 改变循环形式
提高初温度 提高初压力 降低乏汽压力 再热循环 回热循环
热电联产 燃气-蒸汽联合循环 IGCC 新型动力循环 PFBC-CC
…...
工程热力学第十章 动力循环ppt课件
1
T2 T1
p2 p1
,
1
T3 T4
p3 p4
p3 p2, p1 p4
T4 T3 , T1 T2
p2 p1
t
1
1
( 1)
由上式可见，燃气轮安装循环的热效率仅与增
压比 有关。 越大，热效率越高。普通 燃气轮机安装增压比为3~10。
t
w0 q1
(h1 h6)(1a1)(h6
h8)(1a1 a2)(h8 h1 h7
h2)
二、再热循环
再热循环热效率计算
q1 (h1 h3) (h1 h6 )
q2 h2 h3
t
q1 q2 q1
(h1
h3) (h1 h6 ) (h2 (h1 h3) (h1 h6 )
h3)
(h1 h6 ) (h1 h2 ) (h1 h3) (h1 h6 )
第三节 热电循环
一、背压式热电循环 排汽压力高于大气压力的汽轮机称为背压式汽轮机
二、调理抽气式热电循环
第四章 内燃机循环
气体动力循环按热机的任务原理分类，可分为内燃 机循环和燃气轮机循环两类。内燃机的熄灭过程在热机 的汽缸中进展，燃气轮机的熄灭过程在热机外的熄灭室 中进展。
二、定压加热循环
工质吸热、放热和循环热效率：
q1 cp(T3 T2), q2 cv(T4 T1)
t
1q2 q1
1cp(T4 T1) cv(T3 T2)
11 T1(T4T11)
T2(T3T2 1)
1
T1 T2
v2 v1
1
1
,
T4 T1
v3 v2
t,p
1
1 ( 1) 1
第十章 动力循环
工程热力学：第6章 动力循环
6-5 燃气轮机装置的循环
燃气轮机装置示意图
6-5 燃气轮机装置的循环
燃气轮机的定压加热循环
6-5 燃气轮机装置的循环
理论热效率
t, p
1
q2 q1
1 cp0 (T4 T1) cp0 (T3 T2 )
1 T4 T1 T3 T2
式中：
T2
T1(
p2 p1
1
)
T1
1
增压比
工程热力学
航空工程学院发动机系
第六章 气体动力循环
要点 内燃机三种典型动力循环的特点、计算
及比较 掌握混合加热循环 燃气轮机循环热力过程组成及特点、循
环热力计算
6-1 概述
➢ 实际的热循环多样、不可逆，而且很复 杂，我们可以用一些简单的、典型的、 可逆的过程来代替，形成一个封闭的理 论循环，这样就可以较方便地进行热力 学计算。
cV 0 (T5 T1)
cV 0 (T3 T2 ) cp0 (T4 T3 )
(T5 T1)
(T3 T2 ) 0 (T4 T3 )
6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
12 23 34 45
T2
T1
(
v1 v2
) 0 1
T1 0 1
T3
T2
p3 p2
T1 0 1
T4
T3
v4 v3
6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
实际循环： 0-1 进气过程 1-2 压缩过程 2-3-4 燃烧过程 4-5 膨胀过程 5-1 排气过程
6-2 活塞式内燃机的混合加 热循环
热力过程的理想化：
①进气过程→0-1定压线； ②压缩过程→1-2定熵压缩； ③燃烧过程→2-3定容加热＋3-4定压加热； ④膨胀过程→4-5定熵膨胀； ⑤排气过程→5-1定容冷却＋1-0定压线；
工程热力学__第五章气体动力循环
k 1 k
p2 p1
k 1 k
T2 T1
T1 1 1 1 1 1 k 1 T2 T2 p2 k T1 p1
T
2 1
3
4
t,C
T1 1 T3
热效率表达式似乎与卡诺循环一样
s
勃雷登循环热效率的计算
热效率：
t 1
p
2 3 2 4 T 3
4
1 1
v s
定压加热循环的计算
吸热量
q1 cp T3 T2
放热量(取绝对值）
T 2
1
3
4
q2 cv T4 T1 热效率
w q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
s
定压加热循环的计算
k 1 热效率 t 1 k 1 k ( 1) t
T1
s
燃气轮机的实际循环
压气机： 不可逆绝热压缩 燃气轮机：不可逆绝热膨胀 T
定义：
3 2 1
2’
4’
压气机绝热效率
h2 h1 c h2' h1
4
燃气轮机相对内效率
oi
h3 h4' h3 h4
s
燃气轮机的实际循环的净功
净功
' w净 h3 h4' h2' h1
oi h3 h4
h2 h1
T
2 1
2’
3
4’
c
' opt w净 oic
k 2 k 1
4
吸热量
q h3 h2' h3 h1
' 1
工程热力学13动力循环.doc
动 力 循 环一、动力循环的分析方法1．热力学第一定律分析方法（以热效率t η为指标）：热力学第一定律效率=投入系统的能量有效利用的能量动力循环 QW t =η121212111T T S T S T Q Q Q W t -=∆∆-=-==η （STdS T ∆≡⎰⋂）理想 121T T C -=η 循环完善性充满系数=ABCDA abcda面积面积对应卡诺循环功量实际循环功量=2．热力学第二定律分析方法（以火用效率ex η为指标）： 热力学第二定律效率=投入系统的可用能有效利用的可用能动力循环 sup ,x t ex E W =η 或 sup,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=ηTsup ,x E 核算起点不同，可有两种结果：① 以投入的燃料的化学能为起点 Q E E F x x ==,sup , ② 以释放热量的可用能为起点⎪⎭⎫⎝⎛-==T T Q E E Q x x 0,sup ,1两种分析法，一个考虑能量的“数量”，一个考虑能量的“质量”。
各有侧重，相辅相成，不可偏废。
两者的结合才能全面反映能量的经济性。
如书上本章*10-6 对蒸气动力循环的火用分析，用热一律分析： 乏汽排热能量损耗最大，冷凝器散热损失约占总热量的54.26%，但因放热温度低，火用损失并不大，约占总火用的2.22%；用热二律分析：锅炉的燃烧与传热火用损失最大，约占总火用的58.91% /35.84%；但其热损失仅为10%。
13 蒸汽动力循环13.1 朗肯循环根据热力学第二定律，在一定温度范围内卡诺循环的效率最高。
如果采用气体作为工质，则很难实现卡诺循环中的等温吸热和等温放热这两个过程。
然而我们已经知道，在湿蒸汽区内，蒸汽的吸热和放热都是等温过程，同时也是等压过程。
因此如果以饱和蒸汽作为工质，可以在蒸汽的湿蒸汽区内实现卡诺循环。
图13-1给出了饱和蒸汽卡诺循环的T －s 图。
工程热力学-第十章动力循环之朗肯循环
02
初参数对朗肯循环热效率的影响
1. 初温t1
T 1 T 2不变 t
或 循环1t2t3561t =循环123561+循环11t2t21
t11t2t21
t123561
t
02
2. 初压力 p1
T 1 ,T 2不变 t 但 x2下降且 p太高造成强度问题
3. 背压 p2
实际并不实行 卡诺循环
01
02. 朗肯循环的热效率
02
朗肯循环的热效率
t
wn wt,T wt,P
wt,T h1 h2 ? cp T1 T2
wt,P h4 h3
wnet h1 h2 h4 h3
02 T 1不变 ,T 2 t 但受制于环境温度，不能任意
降低 p2 6kPa,ts 36.17 C; p2 4kPa,ts 28.95 C
同时，x2下降 。
思考： 我国幅员辽阔，四季温差大，对蒸汽发电机组有什么影响？
THANK YOU
第十章 动力循环 之
朗肯循环
CONTENTS
01. 朗肯循环的流程 02. 朗肯循环的热效率
01. 朗肯循环的流程
01
朗肯循环 (Rankine cycle)
1）流程图
2）p-v，T-s图
01
3）水蒸气的卡诺循环
水蒸气卡诺循环有可能实现，但：
（1）温限小 （2）膨胀末端x太小 （3）压缩两相物质的困难
t
h1 h2 h1 h3
h1 h2 h1 h2'
5）耗汽率(steam rate)及耗汽量
理想耗汽率(ideal steam rate) d0 —装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量
工程热力学(第7章--蒸汽动力循环)
1
T2 T1
从理论上确定了通过热机循环 实现热能转变为机械能的条件 及给定温度范围内循环热效率 的最高极限值，并指出了提高 热机效率的方向和途径，为度 量实际热机循环的热力学完善
s 程度提供了标准。
对于任意复杂循环，可利用相 应的等效卡诺循环（即平均温 度法）来分析其热经济性。
3
任意循环ηt 的分析方法——平均温度法
1
p1
h
1 t1
T1
p2
4
T2 3
2
2 x=1
s
0
s
t
h1 h2 h1 h2
f
( p1,t1,
p2 )
1 T2 T1
t1
p1
p2
12
一、蒸汽初温对热效率的 影响：
设 初 压 p1＝const， 排 汽 压力p2＝const.
提高t1对ηt的影响：
（1）提高初温使平均加热温度升高，而放热温度不变， 则朗肯循环的热效率得到提高； （2）排汽干度增加，即x2′>x2，这有利于改善汽轮机叶 片的工作条件。
受到的限制：排汽压力的降低主要受汽轮机排汽干度下降及环 境温度的限制。目前火电厂的排汽压力最低在0.004MPa左右
15
新课引入
p1
t
x2
为解决二者间的矛盾，可对循环方式 加以改进：采用再热循环。
7-3 再热循环
➢采用再热的目的：提高汽轮机排汽干度，为
初压的提高创造条件；同时提高循环热效率。
➢再热的概念：当蒸汽在汽轮机中膨胀作功而
0
则朗肯循环的热效率可近似地表示为： h
t
w12 q1
h1 h2 h1 h3
h1 h2 h1 h2'
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容量范围
500MW以上
300MW以上
450MW以上
300MW以上
Combined Gas-Vapor Power Cycles
• 燃气轮机的发展 热力参数与单机容量逐步提高，达W>200MW， 热效率35~41%； 可靠性95~98.5%，可作为基本负荷电站；
• 联合循环的现实可行性 燃气轮机排气温度t4=400~600 ℃； 大功率机组排气量300kg/s以上； 利用排气能量加热蒸汽轮机给水(取代锅炉)， 大大提高供电效率。
整体煤气化燃料电池联合循环
Integrated Gasfication Fuel Cell Combined Cycle
燃料+氧化剂 化学能 电能
(IGFC-CC)
燃料电池：
电化学反应 分类： 熔融碳酸盐型(MCFC) 磷酸盐型 (PAFC) 固体氧化剂型(SOFC) 特点：高效60%、洁净、排放接近0 目前试验室阶段
我国与主要国家超临界机组
美 国 前苏联 日 本 中 国
第一台机组 投运年份 最大单机容量， MW
1957
1953
1967
1962
1300
1200
1050
900
装机情况
1982 年 166 台 112898MW
1988 年 222 台 ，占火电机组 容量的51%
94台，占火 电机组容量 的61%
投运10200 MW, 占火电机 组 容 量 的 3.5%
重型燃机的技术性能与发展趋势
过去50年中世界重型GT技术持续发展，水平不断提高
1950’s 2000’s
透平工作温度 压气机压缩比 单机功率 NOX GT单循环效率 GTCC效率
800℃ 6-8 10MW
＞ 1300 ℃ 1430-1500 ℃ ＞30 ＞300MW ＜ 10ppm GH9H
320-340MW
矿 山 采 煤 系 统
制氢系统
液氢系统
氢能 火箭燃料
变换反应
甲醇,二甲醚
煤
水煤浆系统
加压气化
合成气净化
液相催化
IGCC
电力
烯烃C=2、C=3、C=4
气体分离
一碳化工系统
配合高技术创 新发展的高新 技术产品
各种石化产品 及深加工的各 种精细化工及 专用化学品
煤化工、电力、能源多联产
分布式能源方式
第七章 小 结 Summary
F B C
整 体 煤 气 化 联 合 循 环
I
以 发 电 为 核 心 以 煤 气 化 为 核 心 G C C
可 再 生 能 源 发 电 及 核 电
烟 气 净 化
灰 渣 及 废 水 资 源 化
空 冷 机 组
硫 资 源 化 脱 硫
( )
超临界、超超临界机组 --现实而先进的发电技术
超临界点：22.115MPa,374.15℃ 超临界机组（SC）：全世界已运行600多台，一般主 汽压力24MPa及以上,主汽和再热汽温度540-560℃ （效率比亚临界机组高约2%） 超超临界机组（USC） ：全世界已运行60多台，一 般主汽压力25-28MPa及以上或主汽和再热汽温度 580℃以上（效率比超临界机组高约4%） 2003年-2010年新建火电机组40％为SC机组； 2010年-2020年：600MW及以上新建机组将全部建 SC机组；新建火电机组一半以上为USC；
高效、绿色发电技术
高 效 发 电
流 化 床
洁 净 发 电
节 水 发 电
分 布 式 电 源
烟 气 循 环 流 化 床 脱 硫 其 它 节 水 技 术 燃 料 电 池 微 型 燃 气 轮 机 太 阳 光 发 电 风 力 发 电
新 型 发 电
超 超 临 界 机 组
联 合 循 环
ห้องสมุดไป่ตู้
多 联 产
煤 炭 加 工 与 转 化
简单循环净出力,MW 简单循环效率,% 联合循环净出力,MW 联合循环效率,%
Steam Injection Gas-turbine (STIG)
注蒸汽燃气循环(陈式循环)
整体煤气化联合循环
(IGCC----Integrated Gasification Combined Cycle)
粗煤气 煤 空气 蒸汽 气 化 炉 煤气 净化 装置 洁净煤气
燃气-蒸汽联合循环
燃烧室 压气机 燃气轮机 发电机 空气 排气 余热锅炉 发电机 蒸汽轮机 凝汽器
燃 气 蒸 汽 联 合 循 环
给水泵
燃气蒸汽联合循环
T 燃气轮机循环 蒸汽轮机循环
s
燃气蒸汽联合循环
法国GEC Alsthom公司的联合循环电站 燃气轮机：227.2 MW 蒸汽轮机：128.3 MW 燃料：天然气 热效率：54.5%
• 缺点
目前煤气化和净化的热损失还偏大； 初期投资大。
整体煤气化联合循环(IGCC)
应用
目前已建成或拟建的IGCC电站10余座，
美国预测，2030年IGCC市场份额达 35%左右 如美国加州有一个电站，“世界上最 洁净的燃煤火电站，脱硫98-99%，产 生元素硫，排渣中主要是Al、Si、Fe、 Ca等无害元素，用于绝缘材料和筑路 材料
煤 空气 蒸汽 种子
高温燃气 气 化 炉 发电机
磁流体通道
发电 热 燃 气
渣 蒸汽轮机 凝汽器
水 热回 收装 置
烟 道
烟气
用过的种子 渣
先进烟气净化系统
磁 流 体 发 电 联 合 循 环
磁流体发电联合循环(MHD-CC) (Magnetohydrodynamics Combined Cycle)
以煤气化为核心的发电、煤化工 综合能源利用系统
• 21世纪能源工厂的预计指标：
发电效率：燃煤
60% （HHV）， (LHV)
天然气 75%
热电联产：热效率 85-90% 污染排放：粉 尘和SO2、NOx接近零排放 温室气体：排放减少50%，并100%分离 联产产品：合成气、H2、煤化工产品等
渣
燃烧室
去气化炉
燃气轮机
压气机
发电机 去电网
水
凝汽器
水
烟 道 蒸汽轮机
发电机
余热锅炉
蒸汽
去气化炉
煤整体气化蒸汽燃气联合循环 (IGCC)
整体煤气化联合循环(IGCC)
• 优点
热效率高，目前40~46%，预计可52%； 环保性能好，SO2, NOx, CO2, 粉尘排放低， 可燃用高硫煤； 可实现煤化工综合利用，生产硫、硫酸、甲 醇、尿素等； 单机功率可达300~400MW
特点：
1、无运动机械，热转变为电不经机械能 2、温度3000K，热效率可达60% 3、污染小、种子（钾、铯化合物）有脱硫 作用 4、目前实验室阶段
膨胀透平
粗煤气 煤 空气 蒸汽 气 化 炉 煤气 净化 装置 洁净煤气
渣
燃料电池 阴极 余热锅炉 烟 道 阳极
发电机
燃烧器
蒸汽轮机 空气
水
凝汽器
整 体 煤 气 化 燃 料 电 池 联 合 循 环
1、熟悉郎肯循环图示与计算 2、郎肯循环与卡诺循环 3、蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响 4、再热、回热原理及计算
第七章
完
End of Chapter Seven
20% ＞38% 58-60% 39.5 60
当代先进燃气轮机及联合循环性能
机型
项目
燃气初温，℃ 压 比
西屋 GE-MS7001H ABB GT26 西门子KWU 501-ATS
1510 28 290 41 426 61 400 60 1430 23 1260 30 265 38.5 396 58.5 1190 16.6 240 38 359 58.1
“展望 21世纪“ 能源系统
煤
高温高压 气化炉
煤气
变换制氢 氢气分离
H2
电池
O2
O2
空气
氧气分离
O2
高温高压 热交换器
先进循环
电
CO2 (去埋藏), 污染物(H2S, PM, 碱金属)
热水
S
S
高温 燃料
芳烃系统
煤 油煤浆系统 加氢系统 粗油 分离系统
重整
汽、柴、煤 等洁净油品
BTX,萘,蒽 等芳烃