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1、工程热力学第九讲山东大学机械工程学院过程装备与控制工程研究所,过程装备与控制工程专业,本讲内容,4-2 典型过程装备中的热力过程4.6 压气机中的热力过程活塞式压气机中的热力过程叶轮式压气机中的热力过程4.7 膨胀机中的热力过程4.8 锅炉中的热力过程4.9 汽轮机中的热力过程,学习要求,熟练计算压气机的功（单级活塞式压气机的理论耗功、余隙容积对压气机理论耗功的影响、多级压缩节间冷却耗功计算等）和绝热效率。了解压气机和膨胀机的工作原理。掌握压气机的余隙容积、分级压缩和中间冷却的必要性。熟悉节流膨胀和定熵膨胀的关系。了解锅炉和汽轮机的结构和工作原理。掌握锅炉和汽轮机的相关蒸汽热力过程计算。,4.
2、6 压气机中的热力过程,压气机是生产压缩气体的设备，它不是动力机，而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工作机。压缩气体的用途：动力机、风动工具、制冷工程、化学工业、潜水作业、医疗、休闲等。百万吨级大乙烯要求高可靠性、高寿命的大型离心压气机单机45,000KW。压气机分类：按工作原理和构造：容积式（活塞式或往复式）压气机、速度式（叶轮式或离心式）压气机、特殊引射式压缩器。按压缩气体压力范围：通风机（110 kPa)、鼓风机（110400 kPa)、压气机（400 kPa)。（绝压）,航空航天用WP7压气机,转子-工作叶片、轮盘、轴静子-静子叶片、内外环、机匣,往复式压气机,当压缩空气时，往往伴随
3、水蒸气凝结。,V型空气压缩机,注意：压气机生产量通常用单位时间里生产气体的标准立方米表示，不同于进气或排气状态。,单级活塞式压缩机的结构,结构简图 主要部件：1、活塞 2、气缸 3、滤清器 4、吸、排气阀 5、散热肋片,单级活塞式压缩机的工作原理,工作原理：,f-1：吸气，传输推动功 p1v11-2：压缩，耗外功,2-g：排气，传输推动功 p2v2,压气机理论耗功：压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机耗功应等于压缩过程耗功与进、排气过程推动功的代数和。压气功的耗量可认为等于技术功。wC取决于初、终态及过程特征。,单级活塞式压缩机的理论耗功,可能的压气过程,特别快，来不及换热
4、。绝热过程特别慢，热全散走。定温过程实际压气过程是 多变过程,单级活塞式压缩机的理论耗功,三种压气过程的理论耗功：,1.绝热压缩,2.等温压缩,3.多变压缩,增压比,单级活塞式压缩机的理论耗功,讨论：对压缩机而言，示功图 p-V 图所包围的面积表示压缩机的耗功，从 p-V图可以看出定温压缩耗功最少，而绝热压缩所消耗的机械功最大。因此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而且保证润滑条件。通常为多变压缩,1nk。,余隙容积,余隙容积：空气压缩机在排气时，活塞位于上死点位置，它和气缸壁保留一部分空间，这些空间叫作余隙容积原因：防止排气时，活塞与气缸壁碰撞，引起事故。压气机余隙容积的存在，则余隙容积残留
5、气体在工作中产生气垫作用，增强压气机在运行中的平稳性。影响：生产量、理论耗功,有余隙容积的压气机工作过程,工作过程：基本概念：4-1 气体吸入气缸（质量m1）1-2 气体压缩：p1p22-3 气体排向储气罐3-4 气体膨胀：p1p2,活塞排量 Vh=V1V3,余隙容积 Vc=V3,有效吸气容积 Ve=V1V4,余隙容积比=Vc/Vh,容积效率 v=Ve/Vh,余隙容积使得容积效率降低，气体生产量减小。,生产量(每周期),容积效率,容积效率:,讨论：,余隙比增大，容积效率降低；增压比提高，容积效率也降低。,最大增压比,最大增压比依靠单级压缩往往难以 达到工程所要求的高压对于压力较高的情况，一般采
6、用双级压缩和 中间冷却。,余隙容积对理论耗功的影响,有余隙容积和无余隙容积时，压缩1kg 气体所消耗的功是相同的,余隙容积的影响小结,余隙容积的存在，是避免活塞与进排气阀碰撞必须的。余隙容积的存在，使容积效率降低，每周期吸气量变小。余隙容积的存在，对压缩定量气体的理论耗功没有影响。余隙容积的存在，使得单级增压具有最大值。,多级压缩和级间冷却,多级压缩和级间冷却是指气体依次在几个气缸中连续压缩，同时为了避免过高的温度和减少气体的比容以降低下一级所消耗的功，在前一级压缩后，将气体引入中间冷却器进行定压冷却至初始温度，然后进行下一级继续压缩，直到所需要的压力为止。作用：降低排气温度，节省功耗，增大容
7、积效率。,双级活塞式理想压缩机 p-V 图,双级压缩省功而且压缩终温较低，有利于润滑。,单级压缩：面积012340,p,V,润滑油要求t160180,高压压气机必须分级。,两级压缩设计原则与特点,每级压气机所需的功相等，有利于压气机曲轴的平衡每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同每级向外排出的热量相等各级气缸容积按增压比递减,多级压缩级间冷却分析,有一个最佳增压比,省功,最佳增压比,最佳增压比,采用最佳增压比进行双级压缩的优点：1、省功2、各缸负荷均匀3、终温相同，各缸散热量相等,分级压缩的级数,省功,分级,降低出口温度,多级压缩达到无穷多级,(1)不可能实现,(2)结构复杂(成本高),所以
8、，一般采用 2 4 级压缩,最佳增压比的推广与讨论,推广：若 m 级，则,最佳增压比的推广与讨论,压气机定温效率,活塞式压气机无论是单级或多级压缩都应尽可能采用冷却措施，力求接近定温过程。工程上采用压气机的定温效率来作为活塞式压气机性能优劣的指标：,4.6.2 叶轮式压气机工作原理,轴流式 离心式,活塞式和叶轮式压气机的比较,活塞式压气机的特点：单位时间内产气量小间隙性的吸气和排气余隙容积的影响叶轮式压气机的特点：转速比活塞式压气机高能连续不断地吸气和排气每级的增压比小容易造成较大的摩擦损耗,叶轮式压气机的热力过程,特点：速度极高绝热压缩分析：从热力学观点出发，尽管活塞式和叶轮式的结构和工作原
9、理都不同，但压缩过程中气体的状态变化本质上是一致的。,叶轮式压气机的热力过程,1.理想压缩过程：定熵压缩过程12s,叶轮式压气机的热力过程,2.实际压缩过程：不可逆绝热压缩12,叶轮式压气机的评价指标,用绝热内效率评价叶轮式压气机若为理想气体，且比热容为定值时叶轮式压气机的实际效率,4.7 膨胀机中的热力过程,膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的原理以获得冷量的机械。膨胀机常用于深低温设备中。膨胀机按运动形式和结构分为两类：活塞膨胀机 主要适用于高压力比和小流量的中小型高、中压深低温设备。分立式和卧式两种，采用较多的是立式结构。透平膨胀机 与活塞膨胀机相比，具有流量大、
10、结构简单、体积小、效率高和运转周期长等特点，适用于大中型深低温设备。,膨胀机应用,立式活塞膨胀机,活塞膨胀机由于存在进、排气阀流动阻力、不完全膨胀、摩擦热、外热与内部热交换等引起的冷量损失，一般绝热效率为：高压膨胀机6585，中压膨胀机6070。60年代，采用加填充剂的聚四氟乙烯密封元件代替用油润滑的金属制密封元件，避免润滑油带入深低温精馏区或液化区，保证了安全。,活塞膨胀机工作原理,活塞膨胀机的工作原理与活塞压气机基本相同，只是作用相反。为减小活塞膨胀机尺寸，常采用不完全膨胀。为使一次循环能回收较多的功，压缩过程常采用不完全压缩。,透平膨胀机,以气体膨胀时速度能的变化来传递能量的膨胀机。该种
11、膨胀机有单级和双级、立式和卧式、冲动式和反动式之分。一般采用单级向心径流反动式透平膨胀机由于有喷嘴损失、叶轮损失、余速损失、轮盘摩擦损失、泄漏损失、窜流损失和外热侵入损失,一般绝热效率为:中压膨胀机6575，低压膨胀机7585。60年代已制成带液膨胀机，大多用于天然气分离设备。,透平膨胀机工作过程,压缩气体从高压p1、温度 T1状态在膨胀机中作等熵膨胀至低压p2。实际工作过程中，因为有若干能量损失，气体膨胀时不可能达到状态 2，而只能达到状态2。故绝热效率是指膨胀机在膨胀过程中实际焓降与等熵焓降之比。一般膨胀机绝热效率为6085。,节流膨胀与定熵膨胀的关系,节流膨胀：高压流体经过节流阀后迅速膨
12、胀到低压的过程。特点：等焓过程微分节流效应：理想气体在节流过程中温度不发生变化。真实气体节流效应取决于气体的状态，在不同的状态下节流，具有不同的微分节流效应值。,节流膨胀与定熵膨胀的关系,定熵膨胀特点：等熵过程微分等熵温度效应：等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对任何气体、任何状态都可产生制冷效应。这与节流膨胀不同。,S恒大于0,节流膨胀与定熵膨胀的关系,这就说明了在相同条件下等熵膨胀系数大于节流膨胀系数,因此由等熵膨胀可获得比节流膨胀更好的致冷效果。,任何气体均有V0 Cp0,恒大于零.,积分等熵温度效应,等熵膨胀时，压力变化为有限值所引起的温度变化。计算积分等熵温度效应的方法有4种：利用积分
13、对于理想气体，绝热可逆过程T-S图法用等焓节流效应计算,不可逆对外做功的绝热膨胀,对活塞式膨胀机当t30 s=0.70.47对透平机 s=0.80.85不可逆对外做功的绝热膨胀的温度效应介于等熵膨胀效应和节流膨胀效应之间。,等熵膨胀与节流膨胀的比较,等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对任何气体任何状态都产生制冷效应。制冷量：QOSQOH设备与操作节流膨胀：简单，针形阀等熵膨胀：复杂，需要低温润滑油。操作条件与运行情况：一般大、中型企业这两种都用，小型企业用节流膨胀,这两种膨胀过程是制冷的依据，也是气体液化的依据。,4.8 锅炉中的热力过程,锅炉从开始应用至今已有200余年的历史。18世纪末叶出现
14、了圆筒形锅炉，其后，锅炉的形式和结构基本上是循着烟管锅炉和水管锅炉两个方向发展的。锅炉是利用燃料燃烧释放的热能（或其他热能），将工质加热到一定参数（温度和压力）的设备。作用：将燃料的化学能转化为热能后传递给水（或蒸汽）的设备。蒸汽的用途：用于发电和动力方面的锅炉。该类蒸汽的温度和压力一般都很高。用于为工农业生产和建筑采暖。该类蒸汽的出口工质压力一般2.5MPa，蒸发量一般为0.165t/h。,B&W生产的1300MW超临界锅炉简图,世界上单机容量最大,B&W生产的循环流化床锅炉简图,哈锅及上锅生产的型布置电站锅炉,哈尔滨锅炉厂及上海锅炉厂设计制造的220t/h、410t/h、1025t/h及2
15、008t/h 型布置电站锅炉,锅炉的分类,用途：动力锅炉、工业锅炉；输出工质：蒸汽锅炉、热水锅炉、导热油锅炉；燃料和能源：燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、余热锅炉；燃烧方式：层燃炉、室燃炉、沸腾炉；锅炉本体结构：烟管锅炉、水管锅炉；锅筒放置方式：立式、卧式锅炉；出厂形式：整装（快装）、组装、散装锅炉；,锅炉的主要参数,锅炉的容量:额定出口蒸汽参数和进口给水温度以及在保证效率的条件下，连续运行时所必须保证的蒸发量(kg/s或t/h)锅炉出口蒸汽蒸汽温度:指锅炉主汽阀出口处（或过热器出口集箱）的过热蒸汽温度。锅炉给水温度:指省煤器进口集箱处的给水温度。锅炉出口蒸汽压力:指锅炉主汽阀出口处（或过热器出
16、口集箱）的过热蒸汽压力。低压锅炉2.45 MPa以下;中压2.49 4.9 Mpa 高压9 9.8 Mpa;超高压11.8 14.7 MPa 亚临界压力15.7 19.6 MPa 超临界压力22.0 MPa以上,锅炉的规格与型号,JB/T 1626-2002 工业锅炉产品型号编制方法我国工业锅炉产品型号由三部分组成，各部分之间用短横线相连。/本体形式代号 燃烧设备代号 额定蒸发量（t/h）或额定热功率（MW）额定蒸汽压力或允许工作压力（MPa）过热蒸汽温度或出水温度/进水温度（）燃料种类代号举例：CLSG 0.359570W12表示常压锅炉立式水管固定炉排，额定热功率为035 MW，额定出口水
17、温度为95，额定进口水温度为70，燃用I类无烟煤，第二次设计的锅炉,锅炉总体型式代号,锅炉总体型式代号,燃烧方式代号,燃料种类代号,锅炉的燃料,锅炉用燃料:固体、气体以及液体燃料 煤是我国锅炉的主要燃料；动力燃料常常采用劣质煤、高炉煤气和焦炉煤气。电站锅炉消耗煤炭约1/2，工业锅炉消耗煤炭约1/3。煤的组成:C-（20%-70%）；H-（2%-6%）；O-（1%-2%）（40%）；N-（0.5%-2.5%）；S-（1.5%）；灰分A-（10%-50%）；水分M-（10%-60%）工业分析常采用发热量Q作为参数。,发热量,单位质量的煤完全燃烧后所放出的热量称为煤的发热量。通常用氧弹测热器测定。氧
18、弹测热器直接测量出氧弹发热值，从中扣除硫和氮燃烧生成的硫酸和硝酸的溶解热后，就是煤的高位发热量（Qgr）；继而扣除煤中水分和氢燃烧生成的水蒸气的潜热后，即为煤的低位发热量（Qnet）。我国在有关锅炉计算中以低位发热量为准。为了便于煤耗指标的可比性，工程中常引入“标准煤”的概念，规定标准煤的低位发热量为29.3MJ/kg（7000kCal/kg）。,各类能源折算标准煤的参考系数,能源名称 平均低位发热量 折标准煤系数 原煤 20934千焦公斤 0.7143公斤标煤公斤 洗精煤 26377千焦公斤 0.9000公斤标煤公斤 其他洗煤 8374 千焦公斤 0.2850公斤标煤公斤 焦炭 28470千
19、焦公斤 0.9714公斤标煤公斤 原油 41868千焦公斤 1.4286公斤标煤公斤 燃料油 41868千焦公斤 1.4286公斤标煤公斤 汽油 43124千焦公斤 1.4714公斤标煤公斤 煤油 43124千焦公斤 1.4714公斤标煤公斤 柴油 42705千焦公斤 1.4571公斤标煤公斤 液化石油气 47472千焦公斤 1.7143公斤标煤公斤 炼厂干气 46055千焦/公斤 1.5714公斤标煤公斤 天然气 35588千焦/立方米 12.143吨/万立方米 焦炉煤气 16746千焦/立方米 5.714吨/万立方米 其他煤气 3.5701吨/万立方米 热力 0.03412吨百万千焦 电力
20、 3.27吨/万千瓦时,锅炉的燃烧方式,层燃燃烧:原煤中只有特别大的煤块进行破碎后，就从煤斗进入炉膛，煤层铺在炉排上进行燃烧。悬浮燃烧:原煤首先被磨成象面粉那样的煤粉，然后通过燃烧器随风吹入炉膛进行悬浮燃烧。这种燃烧方式也同样用来燃烧气体和液体燃料。流化床燃烧:原煤经过专门设备破碎为08mm大小的煤粒，在炉膛的底部布置了布风板，来自布风板的高速鼓风将煤粒托起，燃烧过程如烧米粥一样，煤粒犹如米粒，在炉膛中上下翻滚地燃烧。,锅炉的组成,锅炉本体：“锅”、“炉”“锅”吸热。容纳水和蒸汽的受压部件，包括锅筒（汽包）、对流管束、水冷壁、集箱（联箱）、蒸汽过热器、省煤器和管道组成的一个封闭的汽水系统。“炉
21、”放热。锅炉中使燃料进行燃烧产生高温烟气的场所，是由煤斗、炉排、炉膛、除渣板、送风装置等组成的燃烧设备。锅炉辅助设备燃料供应与除灰渣系统通风系统水汽系统仪表控制系统,锅炉的基本结构,锅炉及其辅助设备系统简图煤斗；给煤机；磨煤机；空气预热器；排粉风机；燃烧器；炉膛;水冷壁；屏式过热器；高温过热器；低温过热器；省煤器；除尘器；吸风机；烟囱；送风机；锅筒；下降管；顶棚过热器；排渣室,SHL锅炉构造,锅炉的工作原理,水汽煤灰风,蒸发受热面循环回路示意图,自然循环锅炉,锅筒（汽包）是锅炉中最重要的受压元件，其作用为：连接上升管和下降管组成自然循环回路，接受从省煤器来的给水，同时向蒸汽过热器输送饱和蒸汽。
22、锅筒中储存有一定量的饱和水，所以锅炉短时间的供水中断，不会立即发生锅炉事故。另外起缓冲气压的作用。锅筒内部装置可净化蒸汽，获得品质良好的蒸汽。,锅炉热力过程分析,定压预热定压汽化定压过热,锅炉能量平衡图,Qr 锅炉的输入热量；Q1锅炉的有效利用热量；Q2排烟热损失；Q3可燃气体不完全燃烧热损失（化学不完全燃烧热损失）；Q4固体不完全燃烧热损失（机械不完全燃烧热损失）；Q5锅炉散热损失；Q6其他热损失（包括灰渣物理热损失及冷却热损失等）。,锅炉的热平衡方程,锅炉的热平衡方程 锅炉的输入热量锅炉有效利用热量各项热损失之和,锅炉的热效率,锅炉的热效率:是锅炉的总有效利用热量占据锅炉输入热量的百分比。
23、在设计锅炉时，可以根据热平衡求出锅炉的热效率：锅炉热效率可以通过热平衡试验的方法测定，测定方法有正平衡、反平衡两种。,锅炉的毛效率和净效率j,锅炉设备运行时要消耗自用蒸汽和自用电能。不扣除自用蒸汽和不考虑自耗动力折算的热量，所计算出的锅炉热效率称为毛效率。扣除自用蒸汽和考虑自耗动力折算的热量，所计算出的锅炉热效率称为锅炉的净效率。,6.9 汽轮机中的热力过程,汽轮机是以蒸汽为工质、将高温高压蒸汽的热能转变为机械功的高速旋转式机械。主要用作发电原动机，也用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。,汽轮机剖面,汽轮机的分类,1、按工作原理分,冲动式汽轮机反动式汽轮机,2、按热力特性分,凝汽式
24、汽轮机背压式汽轮机抽汽式汽轮机抽汽背压式汽轮机多压式汽轮机,3、按主蒸汽压力分,汽轮机型号的表示方法,XX-XX-XX,变型设计次序,蒸汽参数,额定功率,型式,例：N300-16.7/538/538 300MW凝汽式汽轮机,主蒸汽压力为16.7MPa，温度为538C,再热蒸汽温度538C。,汽轮机的理想过程,理想过程：可逆绝热理论功：技术功=进出口蒸汽的焓差,汽轮机的工作原理,级是汽轮机中最基本的工作单位级由静叶栅（喷嘴栅）和动叶栅组成,蒸汽在级内流动的基本假设（1）稳定流动（2）一元流动（3）绝热流动,汽轮机基本热力过程,整个汽轮机最基本、最重要的热力过程：蒸汽在喷嘴中流动的分析蒸汽在动叶中
25、流动的分析,基本方程,（1）状态方程 pv=RT,（2）等熵过程方程pvk=常数,（3）连续性方程 Gv=Ac,（4）能量守恒方程,喷嘴中的热力过程,P0,P1分别是喷嘴进出口压力。理想热力过程从01。实际热力过程是02。0*点是0的滞止参数点。,h,s,h1,p1,1,2,h1t,hn,hc0,0,p0,P0*,0*,h0,h0*,蒸汽滞止和喷嘴出口参数计算,喷嘴出口汽流速度的计算,喷嘴出口的理想速度c1t为：喷嘴实际出口速度为：动能损失为：,喷嘴速度系数,喷嘴截面设计依据,蒸汽在动叶中的流动,蒸汽在喷嘴中从压力p0膨胀到出口压力 p1，以速度c1流向动叶栅。当蒸汽通过动叶时，一般还要继续膨
26、胀，压力由p1降到p2。如图所示级的热力过程，则此时级的滞止理想比焓降ht*为：,s,h,0*,0,2,1,P0*,P0,P1,P2,hn*,ht*,hb,hb,近似认为与hb相等,叶栅损失,喷嘴能量损失和动叶能量损失之和称为叶栅损失。叶栅损失又可分（1）叶型边界层的磨擦损失（2）边界层脱离引起的涡流损失（3）尾迹损失（4）流道中有超音速时可能存在激波损失,汽轮机能量平衡图,汽轮机装置的评价指标,汽轮机的相对内效率机械效率发电机效率汽轮发电机组的相对和绝对电效率为：,蒸汽的热能,内功率Pi,电功率Pel,轴功率Pax,汽轮机装置的评价指标,汽耗率机组每生产1KWh电能所消耗的蒸汽量热耗率机组每生产1 KWh电能所需的热量,多级汽轮机,多级汽轮机的优点1、多级汽轮机每级的焓降较小，有可能使速度比设计在最佳速度比附近，使得效率增大；2、各级余速动能可以部分的被利用；3、多级汽轮机可以实现回热循环和中间再热循环；4、由于重热现象，多级汽轮机前面级的损失部分的被后面各级利用。,练习与讨论,例5：压气机若已实现等温压缩，是否还有必要进行分级压缩，中间冷却，为什么？,答：需要，虽然实现等温压缩后耗功最小，但若压比过大，V仍很小，分级后有助于提高 V，如图。,若以p1=0.1MPa，p2=2.5MPa，=0.04计算,单级压缩,二级压缩,
