工程热力学第8讲-第4章-2典型过程装备中的热力过程.ppt

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。,4.6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（110kPa)、鼓风机（110400kPa)、压气机（400kPa)。（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。,4.6.1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。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,1n0,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t30s=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中压2.494.9Mpa高压99.8Mpa;超高压11.814.7MPa亚临界压力15.719.6MPa超临界压力22.0MPa以上,锅炉的规格与型号,JB/T1626-2002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：CLSG0.359570W12表示常压锅炉立式水管固定炉排，额定热功率为035MW，额定出口水温度为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”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。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。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：N300-16.7/538/538300MW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1KWh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,