1、第五章 热工基础的应用,1、主要设备的基本结构和工作原理；,2、对热力过程、热工设备和循环进行热力学和传热学分析，进行有关的热设计；,3、根据分析提出改进过程、设备和循环的提高能量利用经济性的具体措施与方法。,第一节喷管和扩压管,动力工程中经常遇到气体和蒸汽在管路设备内的流动过程：,喷管(nozzle),扩压管(diffuser),节流(throttle valve),气体不同形式能量之间传递和转化遵循何种规律等？,气体和蒸气在流经这些设备时气流参数如何变化？,这些变化与流道截面积有何关系？,研究气体和蒸气在变截面短管内的流动。最后获得喷管和扩压管的流动规律; 先分析可逆流动，然后对不可逆过程
2、进行修正;先分析理想气体过程，再分析蒸气过程。,喷管：用于增加气体或蒸气流速的变截面短管。扩压管：使气流压力升高而速度降低的变截面短管。,研究方法,1 连续性方程,对上式进行微分得:,一 稳定流动的基本方程式,考虑稳定流动，流经任何截面的流量为定值,稳定流动的连续性方程式,适用条件：稳定流动，与可逆性无关,描述了流道内流体的流速、比体积和截面面积之间的关系：,流道的截面面积增加率，等于比体积增加率与流速增加率之差,2 稳定流动能量方程,简化,微元形式,对控制体应用稳定流动能量方程式,绝热不作功的稳定流动中，任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值：气体动能的增加等于焓降,可逆过程时：,绝热滞止与
3、滞止参数,1、绝热滞止过程：气体在绝热流动过程中，因受某种物体的阻碍，或经扩压管后，气体流速降低为零的过程2、滞止参数：气流速度在绝热滞止过程中滞止为0的状态称为滞止状态，其状态参数称为滞止参数。,当气体绝热滞止时速度为零,总焓或滞止焓,对于理想气体，若把比热容近似当作定值,滞止温度,据绝热过程方程式，理想气体比热容近似当作定值时的滞止压力为,3、过程方程,对于理想气体可逆绝热过程,4、声速和马赫数,由物理学可知，声音在介质中传播的速度为,对于理想气体定熵过程， 可得：,微分形式：,马赫数定义为,当 Ma 1 时 超声速流动当 Ma = 1 时 声速流动,声速是状态参数，当地声速：当地/某截面
4、处热力状态下的声速,由式（5-7）（5-5），可得：,将上式代入连续性方程,得,上式称为流动的特征方程。,二 管内流动的特征方程,从物质守恒、动量守恒、和能量守恒的角度来分析稳定一元流动，管内流速的变化取决于压力和截面面积的变化。气体流速与压力及流道截面面积之间到底有什么样的关系？,喷管，速度增加（dc 0）,Ma1，亚声速流动，dA1，超声速流动，dA0，气流截面扩张,Ma1,扩压管，速度降低（dc1，超声速流动，dA1,Ma1,扩压管的要求：超音速流必须是渐缩喷管；亚音速流必须是渐扩喷管；从超音速到亚音速必须是渐缩渐扩喷管，在喉部达到音速。,喷管的要求：亚音速流必须是渐缩喷管；超音速流必须
5、是渐扩喷管；从亚音速到超音速必须是渐缩渐扩喷管（拉伐尔喷管），在喉部达到音速。,三 喷管的计算,喷管：用于加速气流的管道称为喷管。,、渐缩喷管,、缩放喷管（拉伐尔喷管）,1、喷管的流速计算及分析（主要是出口截面的流速计算与分析）,由,滞止面上气体流速为0，即c0=0,出口截面流速为,对于蒸气，焓值可以通过查图、表得到。对于理想气体可逆过程,在工质、气体进口状态确定的条件下，气体出口速度仅取决于压比P2/P0，其值随着P2/P0的减小而增大。当P2/P0 0时，C2有最大值：,然而这一最大出口流速是达不到的。因为P2 0，则2为无穷大，出口截面也无穷大，这显然是实际做不到的。事实上，实际P2/P
6、0还受喷管形状限制,2.临界压比,临界截面上的气体压力Pcr与滞止压力p0之比称为临界压比：,临界截面上的气体的流速：,由于临界截面处流速已达声速，则：,从上式可推得,临界压比仅与气体热力性质有关，常见气体的临界压比为：,3、喷管的设计,在给定流量qm，初始参数 p1、t1 、 c1、及背压 pb (喷管出口处环境压力)，设计一喷管。设计的原则是充分利用给定的压差p = p1 pb , 获得尽可能高的流速。使技术功全部转化为气体动能，为转变为机械能做准备,(1)求滞止参数,（3）喷管的流量计算,（2）选择喷管类型, 确定出截面上的压力,(4) 计算出口截面参数及最小截面参数,a) 若选择的是渐
7、缩喷管,则出口截面就是最小截面,b) 若选择的是缩放喷管,4、喷管流动的校核计算,校核计算主要是渐缩喷管的校核计算。一般情况是给定喷管进口参数，出口截面面积及背压，计算出口截面参数及流量，即已知 p1、T1、A2、pb，求 p2、T2、v2、c2、qm。,(1)、求滞止参数,(2)、确定出口截面上的压力 p2,(3) 计算出口截面参数,例 1、 试设计喷管，使静止的空气从 ，可逆地膨胀到 ，流量 。则喷管出口流速及截面面积为多少？,（2）,（2）计算主要截面的状态参数,临界截面,出口截面,（3）计算主要截面处流速,（4）计算主要截面的截面积,四 有摩阻的绝热流动（不可逆绝热流动）,不可逆因素的
8、大小用速度系数来衡量，定义为,也可以用能量损失系数表示，定义为,喷管效率,例2： 一渐缩喷管，出口截面面积 ，进口水蒸气参数为 ， ，背压 。试求；a)出口流速 ，流量 ；b）若 ， c) 在a)的条件下，若存在摩阻 ，则,解：a)确定出口压力：,确定出口截面参数：查图或查表得,由 查得,求出口流速：,流量：,b),由 查得,c)若有摩阻存在，则,由喷管速度系数：,由 查图或查表得：,故,第三节 压气机的热力过程,产生压缩气体的设备称为压气机。 压气机消耗机械能(电能/热能）使气体压力升高,压气机的分类,1、按压力范围分 通风机（0.01MPa表压以下） 鼓风机（0.10.3MPa表压） 压缩
9、机（0.3MPa表压以上）,2、按工作原理分 活塞式压气机 叶轮式压气机,共同点：消耗功，使气体压力升高。被压缩的介质为空气、蒸气等可压缩流体,一 单级活塞式压气机,1、工作原理,f 1 气体被吸入气缸 (状态参数不变）12 气体在气缸内被压缩 （状态参数发生变化）2g 气体被推出气缸 (状态参数不变）增压比：=P2/P1单个气缸的工作是周期性的周期很短。多个气缸联合工作，可认为是稳定流动系统。,2、压气机的耗功,压气机的耗功Wc=sh,在忽略动能和势能变化时有：,Wc=sh t,在可逆情况下,三种压气过程pv 及 T-s 图,等温压缩耗功最少，温度/终温最低，有利于润滑,、可逆绝热压缩,、可
10、逆多变压缩,、可逆定温压缩,实际的压缩过程中，采用了一定的冷却措施，但难以实施室温过程，过程介于定温和绝热过程之间。,二 叶轮式压气机,1、工作原理,相对于活塞式最大优点是流量大，气体能无间歇地连续流进流出。可分为：轴流式和径流式。加速扩压再加速再扩压,2、压气机的耗功,叶轮式压气机的压缩过程是绝热过程,过程可逆时，绝热压缩,过程不可逆时，粘性摩阻使耗功多,不可逆过程多耗的功,压气机的绝热效率：反映绝热压缩过程不可逆因素的大小,对于理想气体，定比热容,三 多级压缩级间冷却,有一个最佳增压比,省功,采用两级压缩、级间冷却，并假定两级的多变指数相等，T2=T1 , 则压气机的耗功为,得最隹中间压力
11、为,可见，当各级增压比相等时，总耗功量最小，且每级的耗功量相等。,如果有m级，要使耗功最小，则,最佳压比,每级耗功,总耗功,多级压缩、级间冷却的优点,( l）每级压气机所需的功相等，这样有利于压气机曲轴的平衡；,(2）每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同，这样每个 气缸的温度条件相同；,(3) 每级向外排出的热量相等，而且每一级的中间冷却器向外排 出的热量也相等。,除此之外的省功途径：1.气缸冷却水套（叶轮式很少这样做）；2.进口喷水（雾），可能危及安全。,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，一般采用 2 4 级压缩,例5-9
12、空气初压为98.5kPa初温为20，经三级压气机压缩后压力提高到6.304MPa。若采用级间冷却使空气进入各级气缸时温度相等，各级压缩均为定熵压缩。试求生产单位质量压缩空气所耗最小功量及各级气缸的排气温度。又若采用单级压气机一次压缩至 6.304MPa且为定熵压缩，则所耗功量及排气温度各为多少？解（l）求三级压缩的最小功量及排气温度采用三级压缩、级间冷却的压缩过程的P-v图，如图5-34所示，过程线为1-2-3-4。同一图上还画出了单级压缩过程线1-5。虚线为过初态1的定温线。三级压缩的最佳压比为,取最佳压比时，各级耗功量相等，总耗功量最少。总耗功量,因T1=T3=T5，且各级压比相等，故各级
13、压气机排气温度相等,（2）若单级压缩，则耗功量,第四节 内燃机,活塞式内燃机的分类：,使用燃料,煤气机,汽油机,柴油机,点火方式,点燃式,压燃式,（煤气机、汽油机）,（柴油机）,冲程,四冲程,二冲程,(进气，压缩，燃烧膨胀，排气),(进气-压缩，燃烧膨胀-排气),1、汽油机的实际工作循环,0 吸入空气与汽油混合物,2 压缩。点2处电火花点燃,23燃烧放热, 排气阀打开，排气,34燃气膨胀作功,一 汽油机，点燃式,2、循环的简化定空加热理想循环,(1)、忽略进排气压差；把排气过程简化成向低温热源可逆定容放热过程,(2)、循环中工质具有空气的热性质。,(3)、燃烧放热过程简化为外热源供 热，定容吸
14、热。,(4)、压缩和膨胀简化为可逆绝热,经简化后，变为由二个定容过程和两个定熵过程组成的闭式循环。称为定容加热理想循环，又称奥托循环。,(5)、忽略实际过程的摩擦阻力及进、排阀的损失，燃烧改成加热后不必考虑燃烧耗氧问题，因而开式循环就抽象为闭式循环。,pv及Ts图,循环热效率,二 柴油机，压燃式,1、柴油机的实际工作循环,0 吸入空气,2 压缩，2开始喷油,23 4 燃烧放热,5 排气阀打开，排气,45膨胀作功,2、循环的简化混合加热循环理想循环,(1) 、忽略进排气压差,(2) 、循环中工质具有空气的热性质。,(3) 、燃烧放热过程简化为外热源供热，燃烧放热简化为定容加热和定压加热。,(4)
15、 、压缩和膨胀简化为可逆绝热,经简化后，变为由二个定容过程、一个定压过程和两个定熵过程组成的闭式循环。称为混合加热理想循环。萨巴德循环压缩结束后，活塞右移时喷油，只有定压燃烧，则是定压加热理想循环，即狄塞尔循环。,pv及Ts图,混合加热循环计算,循环热效率,定义三个参数,混合加热循环，热效率的表达式如下,混合加热循环，热效率：随压缩比和升压比增加而升高随预胀比的增加而降低柴油机为14-20,3、低速柴油机的实际工作循环定压加热理想循环,01吸气,1 2压缩,23燃烧放热, 1 排气阀打开，排气,34膨胀作功,p v及Ts图,循环计算,循环热效率,例5-10 压缩比为 的空气的标准混合加热理想内
16、燃机循环，如图5-22所示。初态参数为：p1=0.1MPa，t1=50.最高压力p3=7.0MPa，在定压吸热和定容吸热过程中吸热量相等，设 ，试求：,（1）循环各状态点的压力和温度。（2）循环过程吸热量。（3）循环的热效率。解（1）求循环中各状态压力和温度 1-2为定熵过程,2-3为定容过程,3-4为定压过程,由q23q34得,4-5为定熵过程,（2）计算循环吸热量,（3）计算循环热效率,第五节 燃气轮机装置循环,1、设备与特点,工质：,燃气+空气,部件：,压气机、燃烧室、燃气轮机,燃气轮机工作流程：,循环是开式的、不可逆的,特点：,小尺寸、大功率、连续作功,2、简单燃气轮机装置的理想循环绝
17、热压缩、定压加热、绝热膨胀、定压放热,循环的pv，Ts图 燃气轮机的4-1是定压放热。,3、燃气轮机装置实际循环,定义燃气轮机相对内效率为,压气机的绝热效率：,4 提高燃气轮机循环热效率的措施,（1）回热,（2）回热,分级压缩、中间冷却和分级膨胀、中间再热,（3）联合循环,例5-11 空气标准布雷敦循环如图5-26所示。进入压气机的空气压力p1=0.1MPa、t1=20，离开压缩机的空气压力p2=0.5MPa，循环最高温度t3=1000.试求：（1）循环各状态点的压力和温度。（2）压气机耗功wc和燃气轮机功wT。（3）循环热效率。,解（1）求循环各状态点的压力和温度状态点1： （已知）T1=2
18、93K，p1=0.1MPa,状态点2：p2=0.5MPa已知,状态点3:p3=p2=0.5MPa，T3=1273K（已知）状态点4: p4=p1=0.1MPa,（3）求t,（2）wc和wT,第六节 蒸汽动力装置及循环,一朗肯循环(以水蒸气为工质的热动力装置),1、工作原理,2、朗肯循环的计算,3、蒸汽参数对热效率的影响,(1)、初温 t1 对热效率t 的影响,(2)、初压 p1 对热效率t 的影响,(3)、背压 p 对热效率t 的影响,缺点：受环境温度限制，现在大型机组p2为0.00350.005MPa，相应的饱和温度约为27 33 ，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天热效率高。,提高初参数
19、p1,T1，降乏汽压力p2均可提高循环热效率，但提高初参数受到金属性能和乏汽干度等的限制，降低背压受到环境温度的限制；平均吸热温度与最高温度相差很大，提高平均吸热温度是提高热效率的重要途径。采用再热、抽汽回热等措施是提高平均吸热温度的有效途径。,4、实际工作循环（只考虑汽轮机不可逆因素）,对于汽轮机定义相对内效率为,实际蒸汽动力装置中的过程是不可逆的，特别是蒸汽在汽轮机中的膨胀过程，如高速汽流内部的摩擦损失、汽流与喷嘴内壁的摩擦损失、叶片对汽流的阻力等。,二提高蒸汽动力循环热效率的方法,1、基本原理,2、主要方法,尽可能提高平均吸热温度；尽可能降低平均放热温度。,(1)、再热(2)、抽汽回热,
20、(1)、再热循环,为了在提高蒸汽初压的同时，不使蒸汽干度下降，蒸汽动力循环中常采用再热循环。,蒸汽再热循环的实践, 再热压力 pb=pa0.20.3p1, p113.5MPa，一次再热, 超临界机组， t1600，p125MPa，二次再热,循环计算,(2)、抽汽回热循环(7007),朗肯循环中，平均吸热温度不高的主要原因是从未饱和水至饱和水的吸热温度较低。设法使工质在吸热过程中不包括此段，可提高平均吸热温度。,循环计算,抽汽,蒸汽抽汽回热循环的特点,小型火力发电厂回热级数一般为13级，中大型火力发电厂一般为 48级。,优点 提高热效率 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短 减小凝汽器尺寸，减小锅
21、炉受热面 可兼作除氧器,缺点 循环比功减小，汽耗率增加 增加设备复杂性 回热器投资,提高循环热效率的途径,改变循环参数,提高初温度,提高初压力,降低乏汽压力,改变循环形式,回热循环,再热循环,改变循环形式,热电联产,燃气-蒸汽联合循环,新型动力循环,IGCC,PFBC-CC,例1.我国生产的 汽轮发电机组，其新蒸汽压力和温度分别为 、 ，汽轮机排汽压力 。若按郎肯循环运行，求（1）汽轮机所产生的功 ；（2）水泵功 ；（3）循环热效率 。,解：根据 ， ，在h-s图上，定出的新蒸汽状态点1， 。理想情况下蒸汽在汽轮机中作可逆绝热膨胀，过程1-2为定熵过程。在h-s图上从点1作定熵线与 的等压线相交，得状态点2 。查水蒸气表得,时,若略去水泵功，则,于是求得,1、工作原理等熵压缩：高温高压气体定压放热：中温高压液体绝热节流：低温低压液体定压吸热：低温低压气体,第七节 制冷装置及循环,一压缩蒸汽制冷循环,2 循环计算,不可逆循环分析,制冷剂的压焓图,1,二 热泵循环,制冷系数大，供热系数高热泵供暖装置，q1包含了wc和q2双制空调原理如下,
