发电厂热力设备.ppt

2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,1,发电厂热力设备,2023年9月24日星期日,2,动力工程热工基础,本课程的主要内容,绪论第一章 工程热力学基础第二章 传热学基础第三章 锅炉设备第四章 汽轮机第五章 热力发电厂,2023年9月24日星期日,3,动力工程热工基础,本课程的主要内容,绪论第一章 工程热力学基础第二章 传热学基础第三章 锅炉设备第四章 汽轮机第五章 热力发电厂,2023年9月24日星期日,4,动力工程热工基础,绪 论,热能利用及在电力工业中的地位与作用电能及其生产方式中国电力工业发展概貌现代汽轮机发电厂的组成及生产过程本课程的任务与主要内容,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,5,能源与人类文明,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,6,自然界中蕴藏着丰富的能量，如：风力、水力、太阳能以及原子能等。按物质运动的形式不同，能量可相应地分为：机械能、热能、电能、化学能、辐射能（核能）等多种形式。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,7,2023年9月24日星期日,8,动力工程热工基础,热能：是指组成物质的所有微粒作各种不规则热运动时的总能量。热能的利用直接：加热、采暖、蒸煮、烘干。间接：热能机械能电能,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,9,电能及其生产方式,电能是最具生命力的优质洁净能源，它能很方便地转换成其他多种形式的能量，如：机械能、热能、化学能等。电能便于通过变压设备和电力输送线路，实现远距离输送而损失较少。电能在国民经济发展中占据着重要地位，电力工业的发展直接影响到国民经济的发展。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,10,电能可以由自然界的各种能源（一次能源）转换而来：化石燃料、水力、核能、风能、太阳能、地热能、潮汐能等，其中以应用化石燃料（热力发电）、水力资源和原子能来发电占主要地位。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,11,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,12,2023年9月24日星期日,13,动力工程热工基础,能源问题,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,14,热力发电特点：投资较少、建期较短、布局和规模灵活、可以既发电又供热；消耗大量燃料、发电成本高、技术管理较复杂、对环境有污染。水力发电特点：不消耗燃料、发电成本低、运行操作比较简单、对环境无污染；工程浩大、投资多、建期长、布局和规模受自然条件限制、发电能力在枯水季节将大幅度减小。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,15,原子能发电特点：核燃料热值比煤的热值高出250万倍，因而核燃料的消耗量少，运输量小，发电成本低。污染小；初投资大，用于放射性污染的防护费用高,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,16,中国电力工业发展概貌,光绪三十一年（1905年）镇江大照电灯有限公司全景,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,17,1949年全国发电装机容量为185 万kw，发电量为43亿kwh，人均用电量 9 kwh；1978年全国发电装机容量为5712 万kw，发电量为2566 亿 kwh；2001年全国发电装机容量为3.3861 亿kw，发电量为14839 亿kwh。截止到2005年底，全国发电装机容量为5 亿kw。到2004年底，火电、水电、核电、风电在电力总装机中的比重分别为73.7%,24.5%,1.6%,0.2%。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,18,核电的发展,中国核电起步于上世纪80年代，经过20年来的发展，已经建成和在建核电机组共19台，总装机容量约1600万千瓦，已经建成的9台核电机组发电量占中国大陆总发电量的2.3。1991年10月31日，我国自行设计建造的第一座核电站-秦山核电站（300MW）并网发电成功。1994年大亚湾核电站两套900MW压水堆机组投入商业运行。“九五”期间我国又有4座核电站投入建设。它们是：秦山二期2600MW压水堆核电站，秦山三期2 700MW重水堆核电站，岭澳两个百万千瓦级压水堆核电站，连云港2 1000MW压水堆核电站。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,19,2000年底运行中的主要水电站(1000MW及以上),2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,20,中国年发电量居世界的位次,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,21,历年电力装机和发电量的构成比（19812000）,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,22,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,23,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,24,热力发电厂的分类,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,25,现代汽轮机发电厂的组成及生产过程,现代热力发电厂的主要组成部分包括热力和电气两大部分，锅炉、汽轮机和发电机为发电厂的三大核心设备。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,26,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,27,现代汽轮机发电厂的生产过程从能量的观点看，热力发电厂的基本过程是：燃料的化学能 热能 机械能 电能（锅炉）（汽轮机）（发电机）,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,28,火力发电厂生产系统示意图,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,29,制粉及燃烧系统,制粉系统煤 皮带运送机 原煤仓 给煤机 磨煤机粗粉分离器 旋风分离器 煤粉仓 给粉机输粉管 喷燃器 炉膛,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,30,燃烧系统燃料在炉膛内燃烧，以辐射换热方式将热量传递给炉墙内壁四周的水冷壁内的介质；燃烧产物为高温烟气和灰渣。高温烟气：依次经过过热器、省煤器、空气预热器、除尘器、引风机、烟囱，排入大气。灰渣、飞灰：用水冲入冲渣沟和冲灰沟。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,31,汽水系统,锅炉给水由给水箱 给水泵 高压回热加热器 省煤器 汽包 下降管 下联箱 水冷壁管 汽包 过热器 主蒸汽管 汽轮机 凝汽器 热井 凝结水泵 低压回热 加热器 除氧器 给水箱,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,32,冷却水系统,江河（或冷却水池）中的水 吸水滤网 循环水泵 冷却水进水管 凝汽器 冷却水出水管 江河（或冷却水池）,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,33,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,34,本课程的主要内容,绪论第一章 工程热力学基础第二章 传热学第三章 锅炉设备第四章 汽轮机第五章 热力发电厂,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,35,第一章 工程热力学基础,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,36,本章主要包括以下内容,工质及其基本状态参数热力学第一定律稳定流动能量方程式与焓水蒸汽在定压下的形成过程水蒸汽图表及其应用水蒸汽的典型热力过程热力学第二定律朗肯循环,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,37,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,38,工程热力学是研究热现象的学科。工程热力学是热力学的一个分支，主要研究热能与机械能之间相互转换时的量与质的关系，着重研究热能转变为机械能的基本规律，并寻求进行这种转换的最有利的条件。工程热力学为人们正确理解发电厂中的能量转换过程，正确理解热力设备的原理等提供了必要的基础理论知识。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,39,第二节工质及其基本状态参数,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,40,工质是指参与热功转换的媒介物质。如：汽轮机是以水蒸汽作为工质的。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,41,状态参数是描述工质在某一给定瞬间的物理特性的各个宏观物理量。基本状态参数温度、压力、比容。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,42,温度：表示物体冷热程度的物理量。热力学中，温度的测量采用热力学温度 T），单位是开尔文（K）。T=t+273.15(K)温度计：测量温度的仪表。如：水银玻璃杆温度计热电偶温度计光学温度计，等。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,43,压力(p)：大量分子对容器壁面频繁撞击的平均结果。以单位面积承受的力的大小来表示。压力的单位：Pa，kPa，MPa。(1 Pa=1 N/m2)非SI单位：mmHg、mmH2O、kgf/cm2等。1at=1kgf/cm2=98067Pa 1mmHg=133.321Pa 1mmH2O=9.8067Pa,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,44,压力的测量：当实际压力P高于当地大气压Pb时，压力测量表的读数为表压力Pg；当实际压力低于当地大气压时，压力测量表的读数为真空度Pv。P=Pb+Pg P=PbPv,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,45,比容(v)：单位质量的工质所占有的容积。单位：m3/kg密度()：比容的倒数。单位容积内工质的质量。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,46,热力学的几个概念热力系统：工程热力学中把所要研究的，为一定界面所包围的物质系统，称为热力系统。外界：热力系统以外的其它物体统称外界。开口系：与外界有物质交换的热力系。闭口系：与外界无物质交换的热力系。绝热系：与外界无热量交换的热力系。孤立系：与外界既无物质交换也无能量交换的热力系。平衡状态：在外界条件不变的情况下，即使经历较长时间，系统的宏观特性仍不发生变化，这种状态称为平衡状态。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,47,热力系统、外界和边界,热力系统就是人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。热力系统简称系统、体系。与热力系统发生质、能交换的物系称为外界。热力系统与外界的分界线（面）称为边界。,*和力学中取分离体的方法一样，为分析问题方便起见，把热力学分析的对象从周围物体中隔离出来。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,48,A,B,1）热力系统的分割完全是“人为”的，因此对于不同的问题，甚至对于同一问题可取不同的系统。例如研究向容器充气，可以取容器为系统，也可取充入容器的气体和原在容器内的气体一起为系统。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,49,若没有质量越过边界，则系统称为闭口系（又称控制质量，用CM表示。）；若通过边界系统与外界有质量交换，则称为开口系（又称控制体积，用CV表示。）；与外界无热量交换的系统称为绝热系；与外界无任何形式的质量和能量交换系统称孤立系。本课程研究最多的是由可压缩物质组成的，无化学反应、与外界有能量交换的有限物质系统，称为简单可压缩系统。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,50,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,51,理想气体与实际气体,理想气体：它的分子是不占有容积的质点，分子之间也不存在相互作用的内聚力。常见气体，其性质大致接近于理想气体。那些离液态不远的气体（如：水蒸气）除外。实际气体。,为什么定义理想气体这种假想的模型？,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,52,热力发动机中用来作为工质的水蒸气和制冷机中的制冷剂距液态不远，而且工作过程中有物质的集态变化。因此，这些工质一般不能作为理想气,体看待。饱和状态是这类工质的重要性质对蒸汽动力循环、制冷循环和湿空气过程的理解和分析有重要作用。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,53,物理学告诉我们：p 气体的绝对压力（N/m2 or Pa）；v 气体的比容（m3/kg）；T 气体的热力学温度（K）；R 气体常数（N.m/kg.K）。,理想气体状态方程,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,54,热力学状态,平衡状态：只要不受外界环境的影响，工质的状态就不会随时间而变化，并且在工质的内部各处都具有相应相同的压力、温度和比容等状态参数。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,55,第四节热力学第一定律,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,56,热力学第一定律表述为：热可以变为功，功也可以变为热。一定量的热消失时，必产生数量与之相当的功；消耗一定量的功时，必产生数量与之相当的热。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,57,热力学第一定律解析式：q=u+w 上式表明：加给工质的热量，一部分用来改变工质的内能，另一部分则用来使工质膨胀而对外作功。注：该式仅适用于闭口系。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,58,工质的内能内能是指工质在某种状态下内部所蕴藏的总能量，包括内动能和内势能。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,59,内动能分子运动的动能。工质内部分子运动的动能愈大，工质的温度愈高，即工质的内动能是温度 T 的单值函数；内势能分子之间由于相互作用力而具有的能量。工质的内势能与工质的比容有关，是比容 v 的函数。理想气体由于不存在内聚力，故内势能为零。工质的内能，决定于工质的热力学温度和比容，即：u=f(T,v)。这表明：工质内能的大小完全取决于它所处的热力学状态。理想气体的内能，是温度的单值函数。内能是工质的一个状态参数。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,60,功与压容图,功被定义为力及沿力方向所产生位移的乘积。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,61,膨胀功是气体体积变化而与外界交换的功。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,62,功在p-v图上可用过程线与v轴包围的面积表示。,功与压容图,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,63,设气缸中盛有1kg气体，缸内装有一个无摩擦可移动的活塞，其截面积为f，若缸内气体压力为P，作用于活塞外测的力为Fout，且作用于活塞里侧的力Pf稍大于外侧的力Fout，则气体将发生膨胀而使活塞向右移动dx的距离。则缸内气体对活塞所作的功为：当此1kg气体从状态1变化到状态2时，所作的膨胀功为：（J/kg）,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,64,功 与 热量,在热力学研究工质的热功转换规律时：功是过程的函数；热量也是如此。作功 与 传热 是能量传递的两种基本方式“功”是由压力差的作用而传递的能量；“热量”是由温差的作用而传递的能量。二者都是能量在传递过程中的度量，且可相互转换。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,65,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,66,热量与温熵图,热量是由温度差的作用而产生的能量。可逆过程中过程中的传热量可表示如下：由此得到熵的定义式：,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,67,p-v图和T-s图,功可用p-v图上过程线与v轴包围的面积表示；热量可用T-s图上过程线与s轴包围的面积表示，所以p-v图和T-s图是分析气体热力过程的能量变化的有力工具。,在p-v图能够确定过程功的正或负；,在T-s图上能够确定过程热量的正或负，对过程能量转换分析带来极大的方便。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,68,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,69,第六节稳定流动能量方程式,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,70,稳定流动：工质的流动情况不随时间而变化，即工质在设备任何截面上的所有状态参数和流速的平均值不随时间而改变，而且在同一时刻流经任何截面的流量均相同。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,71,稳定流动能量方程式 如图所示，1kg工质从1-1截面进入系统，从2-2截面流出系统。当该工质从1-1截面进入系统时，带入系统中的总能量为：该工质从2-2截面流出系统时，传出系统的总能量为：,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,72,考虑到 和，根据能量守恒与转换定律可得出下列方程式：可写成：令：，则：,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,73,焓(h)：h=u+pv(J/kg)因为 u、p、v 都是状态参数，所以焓也是状态参数。焓：代表着每kg工质沿流动方向往前传递的总能量中直接取决于热力状态的部分。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,74,技术功（wt）：从热力设备中流出来的技术上可资利用的功量。适用于闭口系 适用于开口系,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,75,当工质在进出口处的流速变化不大、进出口的高度差也可不考虑时，则动能变化及位能变化均可忽略不计。此时，轴功就等于技术功，可用,在p-v图上可用过程线与p轴包围的面积表示。,技术功又等于工质膨胀功与流动功的代数和：,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,76,流动功是开口系输出和输入的推动功的差，等于p2v2-p1v1，是开口系维持流动必须付出的代价。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,77,在对闭口系列能量方程时，系统与外界交换的功应是膨胀功，在对压气机、燃气轮机、蒸汽轮机这样的开口系进行计算时的功应是技术功。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,78,稳定流动能量方程式的应用,在泵与风机中:上式表明,工质在泵和风机中接受压缩时外界所加给的技术功等于工质焓的增加。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,79,第七节 水蒸汽在定压下的形成过程,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,80,水蒸汽在定压下的形成过程,未饱和水 饱和水 湿蒸汽 干蒸汽 过热蒸汽,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,81,水蒸汽的形成过程在p-v图和T-s图上的表示,Mc饱和水线；Nc干饱和蒸汽线；液体热；汽化潜热；过热热量；c 临界点,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,82,过热度：过热蒸汽的温度 t 超过相应于同一压力下的饱和温度 ts 的数值。干度：湿蒸汽中所含干蒸汽的质量百分数。水的临界点参数：tc=374.15 pc=22.129 MPa vc=0.00326 m3/kg,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,83,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,84,为什么用图表？,1、工程中需要这些数据：h,v,等,已知：汽轮机蒸汽进出口参数，怎样求作功？可由图表根据p1 t1 p2 t2 求出焓降，从而得出作功的大小,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,85,2、水蒸汽不同于理想气体，其状态方程极其复杂。,所以一般按温度和压力编排成类似于数据库的表格，以便查取不同热力状态下水蒸汽的多种热力参数(焓、熵、比容)水和水蒸汽表(离散的点)或将这些数据拟合成曲线 焓熵图(离散与连续的结合),2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,86,水蒸汽表,来源：实验数据 整理,目的：t p h r ts ps v,查取方法:插值法,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,87,饱和水、干蒸汽、未饱和水、过热蒸汽可通过水蒸汽表直接查出。湿蒸汽参数可按下式计算：,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,88,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,89,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,90,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,91,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,92,温熵图,液体热 ql=h汽化潜热 r=h-h过热热量 qsu=h-h所以：h=ql h=ql+r h=ql+r+qsu温熵图上任一点的焓值都可以用通过该点的定压线、垂直线、纵坐标轴和横坐标轴这样四条线为界线的一块面积来表示。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,93,焓熵图,线算图、莫里尔(德),来源：水蒸汽表,目的：直接查取 h,a 定压加热 b 绝热流动,定压线群、定温线群定容线群、干度线,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,94,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,95,焓熵图（h-s 图）,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,96,第九节水蒸汽的典型热力过程,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,97,定压流动过程 工质在设备中进行定压流动时所吸入（或放出）的热量等于其焓的增加（或减小）。绝热流动的作功过程 水蒸汽在绝热情况下流经汽轮机时乃是依靠它的焓降转变为技术功。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,98,通过喷管的绝热流动,能量方程式：工质流经喷管时，如果发生绝热膨胀，则其动能必将增大。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,99,喷管的型式 根据喷管截面形状的不同，喷管可分为两种型式：渐缩喷管和渐缩渐扩喷管。,渐缩喷管 渐缩渐扩喷管（拉伐尔喷管）,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,100,喷管型式的选取：当 p2/p1c 时，采用渐缩喷管，喷管出口能获得亚音速或音速流动；当p2/p1c 时，采用渐缩渐扩喷管，喷管出口能获得超音速流动，在最小界面处的流速理论上等于当地音速。注：c=pc/p1,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,101,绝热节流,节流：流体在管道中流动时，如果流经阀门、挡板、孔板等障碍物，流体则产生涡流和摩擦，即产生局部阻力损失，因而引起压力显著下降，这种现象，称为节流。节流后 h2=h1 p2p1 s2s1,工质通过孔板时的绝热节流,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,102,绝热节流后，工质的作功能力将下降。,绝热节流在 h-s 图上表示,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,103,第十节热力学第二定律,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,104,热力学基本定律,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,105,热力学第二定律的表述,克劳修斯说法：热不可能自发地、不付代价地从低温物体传到高温物体。开尔文-浦朗克说法：任何发动机都不可能只从单一的热源吸热，并把它连续不断地转变为功。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,106,热力过程,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,107,热力循环,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,108,循环及其热效率,循环：工质从某一状态出发，经过一连串的状态变化，而重新回到原来的状态，工质所经历的这些热力过程的综合，称为热力循环，简称循环。若循环的膨胀功大于压缩功，则循环的效果是使热能在一定的条件下连续不断地转变为机械能，这种循环称为“正向循环”或“热力循环”。（如右图所示）每一个循环热机所作的净功为：,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,109,循环的热效率 若工质经过一个循环，从高温热源吸收的热量为q1而向低温热源放出的热量为q2，则 根据热力学第一定律：则循环的热效率：,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,110,卡诺循环,卡诺循环是在一定温度界限内热效率最高的循环，它是由两个可逆的定温过程和两个可逆的绝热过程组成的。12：定温吸热过程；23：绝热膨胀作功过程；34：定温放热过程；41：绝热压缩过程。卡诺循环的热效率,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,111,卡诺定理卡诺循环的热效率仅取决于热源温度T1和冷源温度T2而与工质的性质无关，T1愈高、T2愈低时，热效率愈高；任何热能动力装置的循环效率都不可能达到100%；当T2=T1时，卡诺循环的热效率等于零，这说明，只有单一热源的热力发动机是不可能存在的。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,112,第十一节 朗肯循环,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,113,简单蒸汽动力装置的理想可逆循环称为朗肯循环。,朗肯循环的组成 实现朗肯循环所需的热力设备包括：锅炉、汽轮机、凝汽器、给水泵等。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,114,朗肯循环是由以下热力过程组成的：12：过热蒸汽在汽轮机内的绝热膨胀作功过程23：乏汽在凝汽器中的定压放热过程 34：凝结水在给水泵中的绝热压缩过程4561：给水在省煤器、汽锅和过热器中定压吸热过程,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,115,朗肯循环的热效率 则朗肯循环的热效率为：当p110MPa时，水泵功可忽略不计，此时：,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,116,提高朗肯循环热效率的途径提高初温、初压；降低背压。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,117,提高初压，可以提高平均吸热温度，从而提高循环热效率，但却使乏汽干度降低，对汽轮机内效率、安全运行不利(x0.850.88),发展方向：越来越高中压高压超高压亚临界超临界超超临界,1、提高初压p1,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,118,提高初温可以提高平均吸热温度，并提高乏汽干度，但受到材料耐温性能的限制。,发展方向：不易提高 540-555,2、提高初温t1,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,119,降低终压可以降低平均放热温度，从而提高效率限制：环境温度(真空如何形成?)；循环泵电耗全厂经济性,(凝汽器中的乏汽压力，即汽轮机背压),3、降低终压p2,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,120,朗肯循环由于工质的平均吸热温度比循环的最高温度低得多，因而其循环热效率低。火力发电厂都不直接采用上述简单的朗肯循环，而是采用平均吸热温度比较高的回热循环和再热循环。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,121,朗肯循环现代蒸汽动力装置 的基本循环,实际中对朗肯循环做改进,回热循环+再热循环,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,122,第二章 传热学基础,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,123,传热学是研究热能传递规律的学科。温差的存在，必然会引起热量从高温物体向低温物体进行传递。火电厂的生产过程，很多是和传热过程密切相联系的。热量传递的三种基本方式：导热(热传导)对流换热辐射换热,第一节 概 述,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,124,导热：物体各部分之间不发生相对位移，依靠分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。对流换热：流体和它所接触的固体壁面之间的热量传递方式。辐射换热：物体之间通过电磁波来传递热量，称为辐射换热。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,125,第二节 导热,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,126,导热：物体各部分之间不发生相对位移，依靠分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,127,傅立叶定律,1822，傅立叶假定固体中热的传导率正比于温度梯度。傅立叶定律表示为：,导热系数，W/(m),2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,128,导热系数导热系数表示物质导热能力的大小，它是物质的一个物性参数，可用导热仪来测定。,W/(m),2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,129,导热系数,导热系数小于0.23W/(m.)的材料习惯上称为：“保温材料”或“绝热材料”,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,130,不同的物质具有不同的导热系数，同一物质导热系数的大小也随物质的内部结构、湿度、压力以及温度等因素而变化。,导热系数,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,131,导热系数,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,132,二、通过无限大平壁的导热问题,一维 稳态 无内热源 为常数,类比：欧姆定律,导热热阻,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,133,引入热阻的概念后：可把串、并联的思想用于导热计算,通过多层平壁的稳态导热,总热阻=串联热阻之和：,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,134,对流换热是指流动着的流体和固体壁面接触时，相互间的换热过程。这一过程既包括流体各部分因发生相对位移所引起的热量转移（对流作用），同时也包括流体分子之间的导热作用，其总的结果称为“对流换热”。如果没有流体的运动，则热量的传递将是“导热”,第三节 对流换热,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,135,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,136,两种对流热量转换形式,强迫对流流体的流动是外力的驱动，如：泵或风机自然对流流体内的温差，导致流体的密度不同，冷流体（密度大）将下沉，热流体将上升。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,137,强迫对流换热例子,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,138,自然对流换热例子（一）,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,139,自然对流换热例子（二）,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,140,自然对流换热例子（三）,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,141,牛顿冷却定律,对流换热量 Q 与换热表面积 F 以及固体壁面和流体之间的温度差(tw-tf)成正比。即：,a 对流换热系数，（或放热系数）W/(m2),放热系数 表示流体和固体壁面之间的换热强度,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,142,影响对流换热强度的主要因素,对流换热，热量的传递总是和流体的流动联系在一起，因此使这类问题大为复杂化。一般，对流换热强弱与流动发生的原因、流体的流动状况、流体的热物性以及固体表面的形状、大小等一系列因素有关。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,143,影响对流换热强度的主要因素,1、流动发生的原因（自由流动 受迫流动）,自由流动 受迫流动,密度不同 泵与风机,2、流体的流动状况（层流 紊流）,用雷诺数Re来判定 Re 1104 紊流,层流 紊流,受迫流动换热强度 大于 自由流动,紊流(湍流)换热强度 大于 层流,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,144,3、流体的物理性质,密度 粘度 导热系数 定压比热,4、换热表面的形状、大小和布置,膜式 肋片 鳍片错列 顺列,5、流体集态的变化,凝结、沸腾,凝结换热 或 沸腾换热 大于 非相变的对流,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,145,几种情况下的对流放热系数的大致数值,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,146,放热系数的确定,不同情况下放热系数的数值可以相差很大。利用实验研究的结果来确定放热系数。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,147,第四节 辐射换热,热辐射的基本概念物体对外发射电磁波的过程叫做辐射只有波长为0.4mm到1000mm的电磁波才具有较显著的热效应，称之为“热射线”，热辐射是这种热射线的传播过程。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,148,辐射换热,物体的温度是促使物体内部电子发生 激动从而发射电磁波的基本原因。任何物体，因为它的温度总是高于绝对零度，因此都具有向外放出辐射能的本领。物体之间通过电磁波来传递热量，称为辐射换热。辐射换热与导热和对流换热不同，辐射换热进行时，参与换热的物体相互之间不需要接触。,锅炉炉膛内高温火焰的热量90%以辐射的方式传递给周围的受热面,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,149,辐射能的转换,Q0,Qr,Qa,Qd,A 吸收率R 反射率D 穿透率,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,150,黑体、白体和透热体,A=1的物体，称为“黑体”自然界中，烟炱、黑丝绒和雪最接近黑体R=1的物体，称为“白体”D=1的物体，称为“透热体”氧、氮等双原子气体接近于透热体固体和液态在一般情况下都是不透热的，即D=0，A+R=1，这就是说，凡是善于反射的物体一定不善于吸收辐射能；反之亦然。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,151,斯蒂芬玻尔兹曼定律,黑体的辐射力E0与黑体的绝对温度T的四次方成正比，即,C0称为黑体辐射系数，其值为5.67【W/(m2K4)】称为物体的黑度（黑率）。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,152,黑度：一般物体的辐射力与黑体辐射力的比值称为该物体的黑度，以 表示。即=E/E0,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,153,基尔霍夫定律,在热平衡条件下，物体的吸收率等于同温度下该物体的黑度，即 A=。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,154,某些常用材料的黑度,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,155,辐射换热,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,156,第五节 传热与换热器,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,157,传热过程与传热系数,传热过程与传热系数热量由热流体通过固体壁面传递给冷流体的过程叫做传热过程。单位时间内通过单位面积所传递的热量为：,K:传热系数 R0：总热阻 tf1、t f2热流体和冷流体的温度（）,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,158,总热阻等于三个局部热阻之和,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,159,强化传热,强化传热就是增强传热效果，实质上就是设法减小传热总热阻、增大传热系数。只需减小其中最大的局部热阻,削弱传热,削弱传热就是减弱传热效果，即增大传热热阻。注：对于圆筒壁，有临界绝缘直径,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,160,换热器的基本概念 使热量从一种温度较高的流体传给另一种温度较低的流体的设备，称为换热器。换热器的的类型表面式换热器混合式换热器回热式换热器表面式换热器的的换热量 Q=K F（t1 t2）=K Ftm（W）其中：tm 冷热流体的沿途平均温压。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,161,顺流 逆流 叉流 混合流以上四种方式中，以顺流、逆流最为基本。相同温度条件下，逆流时的平均温压总是比顺流时的大。,表面式换热器的布置方式大致有四种：顺流、逆流、叉流、混合流。,2023年9月24日星期日,动力工程热工基础,162,