工程流體力學(xué)

SAM工程熱力學(xué)Engineering

ThermodynamicsChapter

9Power

Cycles動力循環(huán)SAM能夠?qū)⑷剂先紵尫懦鰜淼臒崃恐械囊徊糠?，連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換成機械能的整套熱工設(shè)備，稱為熱能動力裝置，簡稱動力裝置。經(jīng)過簡化之后，動力裝置的實際工作循環(huán)，就可看作是由一系列基本熱力過程所組成的正向可逆循環(huán)，即該動力裝置的理想循環(huán)，簡稱動力循環(huán)。動力裝置熱力學(xué)分析的意義：①熱力學(xué)分析方法的結(jié)論是在最理想的可逆條件得出的，是該動力裝置工作性能的最高標準。它可作為比較同類動力裝置工作完善程度的客觀標準，實際工作性能越接近它，則該裝置的工作就越完善；實際工作性能與最高標準之間的差距，反映了該裝置可以進一步改進的前景。②熱力學(xué)分析方法是針對動力裝置中最基本的特征來進行分析的，可找出影響動力裝置工作性能的主要因素，明確進一步改進方向。③在熱力學(xué)分析基礎(chǔ)上可以進一步分析各種實際因素的影響程度，確定相應(yīng)的修正系數(shù)?；蛘?，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)對理想循環(huán)的分析結(jié)論加

以修正，就可以應(yīng)用到實際循環(huán)的分析計算中去。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM分析動力循環(huán)的一般步驟：Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3①把實際工作循環(huán)簡化成理想循環(huán)，確定表征循環(huán)特征的循環(huán)特性參數(shù)，并表示在p-v圖及T-s圖上。②進行參數(shù)分析，確定理想循環(huán)中各典型點的狀態(tài)參數(shù)，可將它們表示為工質(zhì)的初態(tài)參數(shù)和循環(huán)特性參數(shù)的函數(shù)。③進行能量分析，確定各個基本熱力過程的能量關(guān)系，計算出相應(yīng)的熱量、功量及熱力學(xué)能變化（或焓值變化）。④進行循環(huán)性能的分析，確定表征循環(huán)整體性能的各種指標（如循環(huán)吸熱量、循環(huán)放熱量、循環(huán)凈熱、循環(huán)凈功、熱效率等），分析影響循環(huán)性能的因素及改進措施。工質(zhì)性質(zhì)可以分為氣體動力循環(huán)及蒸汽動力循環(huán)兩大類。SAM9.1

Gas

Power

Systems

氣體動力系統(tǒng)Thermal

Energy

Engineering

Department

9-1Internal

Combustion

Engines

內(nèi)燃機Dual

CycleOtto

CycleDiesel

CycleGas

Turbine

Plant

燃氣輪機裝置Brayton

Cycle布雷頓循環(huán)Regenerative

Gas

Turbines

燃氣輪機回熱循環(huán)Regenerative

Gas

Turbines

with

Reheat

and

Intercooling其他氣體動力循環(huán)渦輪增壓內(nèi)燃機Turbocharged

Engine活塞式熱氣發(fā)動機自由活塞式燃氣輪機裝置噴氣式發(fā)動機Jet

engineVapor

Power

Systems

蒸汽動力系統(tǒng)Vapor

PowerSystems蒸汽動力系統(tǒng)Rankline

Cycle

郎肯循環(huán)Reheat

Cycle再熱循環(huán)Regenerative

Vapor

Power

Cycle

回熱循環(huán)Cogeneration

System

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)SummarySAMNomenclature

for

reciprocatingpiston–cylinder

enginesPressure–volume

diagram

for

areciprocating

internal

combustion

engine9.1.1

Internal

Combustion

Engines9.1

Gas

Power

SystemsThermal

Energy

Engineering

Department

9-2Dual

CycleSAM(混合加熱循環(huán)，薩巴特循環(huán)Sabathe

cycle)實際循環(huán)：0-1

進氣過程1-2

壓縮過程2-3-4

燃燒過程4-5

膨脹(作功)過程5-1

自由排氣過程＋強制排氣過程柴油機的實際示功圖Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3Dual

CycleSAM(混合加熱循環(huán)，薩巴特循環(huán)Sabathe

cycle)實際循環(huán)的理想化：1.把熱力過程理想化→理論示功圖①進氣過程→0-1定壓吸氣②壓縮過程→1-2定熵壓縮③燃燒過程→2-3定容加熱＋3-4定壓加熱④膨脹過程→4-5定熵膨脹⑤排氣過程→5-1定容排氣＋1-0定壓排氣理論示功圖Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM3.

把開口系統(tǒng)簡化為閉口系統(tǒng)（進排氣功近似相等，相互抵消）2.

把工質(zhì)看做理想氣體混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）理論示功圖混合加熱循環(huán)的p-v圖、T-s圖Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3DualCycle壓縮比compression

ratiov2e

=

v1p2壓力升高比

pressurestep-upratio

l

=

p3預(yù)脹比pre-expandratio3vr

=

v4SAM特性參數(shù)：Thermal

Energy

Engineering

Department

9-4SAM參數(shù)分析：T1,

p1εlT2

=

T1ek

-1T3

=

T2l

=

T1lek

-1ρT4

=

T3r

=

T1lrek

-1kr5lr(

)

=

T1lre=

T1eT

=

T4

(

e

)k

-1k

-1r

k

-1能量分析：k

-1=

p1v1

{ek

-1[(l

-1)

+

kl(r

-1)]

-(lrk

-1)}e

?,

l

?Th,errmal?Enefirgy

Ewngi0neer?ing

Department

9-3q23

=

Du23

=

cV

(T3

-T2

)q34

=

Dh34

=

cp

(T4

-T3)1

23

34q

=

q

+

qq2

=

q51

=

Du51

=

cV

(T1

-T5

)w0

=

q23

+

q34

+

q51吸熱量放熱量循環(huán)凈功SAM熱效率thermal

efficiency12qqth

=1-cV

0

(T3

-T2

)

+

cp0

(T4

-T3

)cp0

(T5

-T1)=1-DualCycle=

f

(e,

l,

r,

k

)1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3lrk

-1=

1

-ek

-1

(l

-1)

+

kl(r

-1)SAM1qq2th

=1-（1）壓縮比的影響Question：How

to

improve

the

thermal

efficiency

?1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3lrk

-1=

1

-

=

f

(e,

l,

r,k)ek

-1

(l

-1)

+

kl(r

-1)如果λ與ρ不變，提高ε可提高混合加熱循環(huán)的熱效率，但隨著壓縮比的逐漸增大，熱效率增長的速率逐漸減緩。實際上，當壓縮比數(shù)值較高時，提高壓縮比不僅熱效率增長較少，而且由于壓縮終了壓力及燃燒終了壓力太高，發(fā)動機的機件摩擦消耗的功太多，以致發(fā)動機的實際效率無明顯增加，甚至反而減小。另外，隨著溫度的升高，CO2分解成CO增多，燃燒產(chǎn)物中NO增多，使排放氣體的毒性加劇。因此，一般柴油機的壓縮比主要按燃料可靠地起燃和正常燃燒來確定，一般在14～20之間。SAMDualCycle1qq2th

=1-=

f

(e,

l,

r,

k

)1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3lrk

-1=

1

-ek

-1

(l

-1)

+

kl(r

-1)SAMOtto

Cycle奧托循環(huán)，定容加熱循環(huán)Qtto

four-strok

cycle:To

overcome

engine’s

shortcomings

of

low

thermal

efficiency

andexcessive

weight,

Qtto

proposed

an

engine

cycle

with

four

piston

strokes:an

intake

strake,

then

a

compression

stroke

before

ignition,

an

expansionor

power

strake

where

work

was

delivered

to

the

crankshaft,

andfinallyanexhauststrake.The

ideal

cycle

for

spark-ignition

engines.r=1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-6SAMOtto

Cycler=1但ε=6.5～11

.compression

ratio奧托循環(huán)，定容加熱循環(huán)=

f

(e,

k

)2Thermal

Energy

Engineering

Department

9-6t1T=

1

-

T1ek

-1thermal

efficiency

h

=

1

-Why?Diesel

Cyclethermal

efficiencyThe

ideal

cycle

for

compression-ignition

engines.l

=1SAM狄塞爾循環(huán)，定壓加熱循環(huán)1

rk

-1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-7ht

=

1

-

ek

-1

k(r

-1)>

q1,

p>ht

,

pq1,v

>

q1,cht

,v

>ht

,cheat

absorption

capacitythermal

efficiency①

When

compression

ratio

is

sameIf

make

heat

discharge

process

same,thenWhen

compression

ratio

is

same,

the

thermalefficiency

of

Otto

Cycle

is

the

greatest.Conclusion:comparisons-1SAMThermal

Energy

Engineering

Department

9-8②When

the

maximum

temperature

andmaximum

pressure

are

sameThe

point

3

is

same,

and

make

process34

and

process

41

be

same.So

heat

absorption

capacitythermal

efficiencyq1,

p

>

q1,c

>

q1,vht

,

p

>ht

,c

>ht

,vConclusion:The

thermal

efficiency

of

Diesel

Cycle

is

the

greatest

whenthe

maximumtemperature

and

maximum

pressure

are

same.Comparisons-2SAMThermal

Energy

Engineering

Department

9-9SAM例9-1

(p199)活塞式內(nèi)燃機混合加熱循環(huán)的參數(shù)為：p1＝0.1MPa，T1＝17℃；壓縮比ε＝16，壓力升高比λ＝1.4，預(yù)脹比ρ＝1.7。假定工質(zhì)為空氣且比熱為定值，試計算循環(huán)各點的基本狀態(tài)參數(shù)及循環(huán)的凈功和熱效率，并表示在p-v圖及T-s圖上。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM（補充例題）內(nèi)燃機定容加熱循環(huán)，初始狀態(tài)為p1=0.

1MPa、t1=27

C。壓縮比ε=8，單位質(zhì)量工質(zhì)的加熱量q1=780kJ/kg，工質(zhì)視為空氣。要求（1）畫出該循環(huán)的p-v圖及T-s圖；（2）求循環(huán)各節(jié)點壓力與溫度、循環(huán)熱效率及循環(huán)凈功量。=

300

·81.4

-1

=

689.2KThermal

Energy

Engineering

Department

9-3p2

=

p1ek

=

0.1·81.4

=1.827MPaT2

=

T1ek

-1SAMp3

=

p2

T3

=1.837

·1778.6

=

4.741MPaT2

689.2為最高壓力1180.4=

774.2K=1778.6

·=

T3

v1

=

T3

2

v4

T4

=

T3

3

v

k

-1

v

k

-1ek

-11181.4=

0.258MPa=

4.741·=

p3

v1

v

k=

p3

2

v4

v

kp4

=

p3

3

ek780Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3+

689.2

=1778.6KT3

=

q1

+

T2

=cv

0.716定容加熱過程的加熱量

q1

=

q23

=

cv

(T3

-T2

)則為最高溫度SAM10tq

780w

440.5= =

0.565循環(huán)熱效率

h

=q2

=

q41

=

cv

(T1

-T4

)=

0.716·(300

-

774.2)

=

-339.5

kJ/kg循環(huán)凈功

w0

=

q1

+

q2

=

780

-

339.5

=

440.5

kJ/kg=

0.565Thermal

Energy

Engineering

Department

9-31

=1

-

300T2

689.2ek

-1ht

=1

-

T1

=1

-w0

=

q1ht

=

780

·0.565

=

440.7kJ循環(huán)熱效率循環(huán)凈功或

放熱量SAM分析：活塞式內(nèi)燃機的余隙容積比與壓縮比之間滿足什么關(guān)系?111===e

-1v2v1

-1V2V1

-1V1

-V2V2c

=理論示功圖Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3答:余隙容積比=

0.716

kJ(/kg

K)R

=

0.2871

kJ(/kg

K)k

=

1.4SAM（補充例題）狄塞爾循環(huán)的壓縮比ε＝20，做功沖程的4%作為定壓加熱過程，壓縮沖程的初始狀態(tài)為p1＝0.1

MPa、t1＝20℃。求（1）循環(huán)各節(jié)點的溫度與壓力；（2）循環(huán)熱效率；（3）平均有效壓力。循環(huán)中工質(zhì)均按空氣處理，cvThermal

Energy

Engineering

Department

9-3

v2

T2

=

T1

1

=

T1ek

-1

=

293·

201.4-1

=

971.1

K

v

kp2

=

p1

1

=

p1ek

=

0.1·

201.4

=

6.629

MPav1

-

v2

v1

-

v2v3

=

v2

+

0.04(v1

-

v2

)

=

v2[1+

0.04(e

-1)]=

v2

[1+

0.04

·(20

-1)]

=1.76v2SAM解：12定熵過程

v

k

-1

v2

因做功沖程的4%作為定壓加熱過程，則v4

-

v3

=

v1

-

v3

=

0.04v2Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3r

=

v3則 預(yù)脹比＝1.76SAM2233 2

vv1.76

=1709.1

KT

=

T=

T

r

=

971.1·23為定壓過程，

p3

=

p2

=

6.629

MPa33

4 2

4

k

-1k

-1k

-1=

Tv

v

v3

v2

=

Tv

v3

T4

=

T3e

r

=

646.5K

=1709.1·

20

1.76

1.4-1v

=

p

p

=

pe

r

k3

4

k

v3

34

1.76

1.4=

6.629

·

20

=

0.2207MPa1

1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3tk(T3

-

T2

)T4

-

T1q

q

cp

(T3

-

T2

)=1-

cv

(T4

-

T1

)

=1-h

=

w0

=1

-

q2=1

-

646.5

-

293

=

0.6581.4

·(1709.1-

971)34為定熵過程，循環(huán)熱效率SAMmv

v

-

vp

=

w0

=

ht

q1h

1

2q1

=

cp

(T3

-

T2

)

=

kcv

(T3

-

T2

)

=1.4

·0.716·(1709.1-

971)

=

739.9kJ/kg3111pRT=

0.841m

kg0.2871·

293100=v

=2v

=

v1

=

0.841

=

0.042

m3

kge

2021mhv

v

-

vp

=

w0

=

ht

q10.841

-

0.042=

0.658

·

739.9

=

609.3kPa

=

0.6093Mpa平均有效壓力則Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM內(nèi)燃機的理想循環(huán)與實際循環(huán)的比較：混合加熱循環(huán)的p-v圖、T-s圖1.內(nèi)燃機的理想循環(huán)是閉式循環(huán)，工質(zhì)循環(huán)工作，沒有任何換氣過程和流動阻力損失。內(nèi)燃機的實際循環(huán)是開式循環(huán)，每個循環(huán)的工質(zhì)均更新，存在換氣過程和流動阻力損失。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM2.壓縮過程的比較Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3內(nèi)燃機理想的壓縮過程為可逆絕熱（可逆定熵）過程，而實際的壓縮過程中有散熱，但散熱量不大，十分接近絕熱過程。實際循環(huán)的壓縮過程為變指數(shù)多變過程，可用一個平均多變指數(shù)

n1=1.32～1.39代替。周壁散熱強度、氣流擾動強度、氣缸尺寸、曲軸轉(zhuǎn)速等是影響多變指數(shù)大小的主要因素。根據(jù)有關(guān)資料，推薦n1的經(jīng)驗數(shù)據(jù)：Thermal

Energy

Engineering

DepartmeSAM4.膨脹過程的比較內(nèi)燃機理想的膨脹過程為可逆絕熱（可逆定熵）過程，而實際的膨脹壓縮過程存在換熱、漏氣損失、后然和裂解物質(zhì)的混合等因素，工質(zhì)成分也變化，是一個復(fù)雜的變指數(shù)多變過程，可用一個平均多變指數(shù)n2代替。轉(zhuǎn)速、燃燒速度、氣缸尺寸及負荷等是影響多變指數(shù)大小的主要因素。根據(jù)有關(guān)資料，推薦n2的經(jīng)驗數(shù)據(jù)：3.燃燒過程的比較內(nèi)燃機理想的燃燒過程看成定容、定壓或定容+定壓燃燒過程。實際燃燒過程是一個比較復(fù)雜的物理化學(xué)過程。nt

9-3Brayton

Cycle

布雷頓循環(huán)9.1.2

Gas-Turbine

Engines

Plant燃氣輪機裝置SAM開式燃氣輪機循環(huán)Thermal

Energy

Engineering

Department

9-10閉式燃氣輪機循環(huán)它以氦氣為工質(zhì)。由于它采用外部加熱，因此可燃用劣質(zhì)的固體燃料或應(yīng)用原子能反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量來加熱工質(zhì)。SAM燃氣輪機裝置相應(yīng)的理想循環(huán)由下列四個可逆過程組成：

12定熵壓縮過程（在壓氣機中完成）；23定壓加熱過程（在燃燒室或加熱器中完成）；34定熵膨脹過程（在氣輪機中完成）；41定壓冷卻過程（在大氣中或冷卻器中完成）。Brayton

cycle=2定熵+2定壓Thermal

Energy

Engineering

Department

9-322t=

1

-2

TT

(T3

-

1)T1T1(T4

-

1)h

=

1

-q1q2cp0

(T4-

T1

)cp0

(T3

-

T2

)h

=

1

-T2

=

(

p2

)(k

-1)/

k

=

(

p3

)(k

-1)/

k

=

T3

=

p

(k

-1)/

kT1

p1

p4

T4thermal

efficiencyT1升溫比temperature

ratio

t

=T3p1p

=

p2增壓比pressure

ratioSAMBrayton

Cycle循環(huán)中最高溫度與最低溫度（初態(tài)溫度）的比值。循環(huán)最高溫度受耐高溫材料的制約，是一個必須加以控制的重要參數(shù)。目前一般采用的循環(huán)最高溫度為1000～1300K。若選用較好的耐熱合金，并采取氣膜冷卻等措施，已能使T3高達1800K，甚至更高。T1

T2T4

=

T32T=

1

-

T11=

1

-p

(k

-1)/

k定壓加熱燃氣輪機循環(huán)的熱效率，主要隨增壓比的提高而增大，此外也和等熵指數(shù)的數(shù)值有關(guān)。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-11SAM(ws

)T

=

h3

-

h4

=

cp0

(T3

-

T4

)(ws

)c

=

h2

-

h1

=

cp0

(T2

-T1)w0

=

(ws

)T

-

(ws

)c循環(huán)凈功Thermal

Energy

Engineering

Department

9-12在選擇增壓比時，應(yīng)同時兼顧熱效率及循環(huán)凈功，不能單純追求高熱效率。SAM110tqqw(ws

)T

-

(ws

)c=h

=1

-thermal

efficiencyThe actual

gas-turbine

Cycle（書上無）燃氣輪機裝置的實際循環(huán)1-2'：不可逆絕熱壓縮過程；2'-3：可逆的定壓加熱過程；3-4'：不可逆絕熱膨脹過程；4'-1：可逆的定壓放熱過程。當比熱容取為定值時，燃氣輪機裝置實際循環(huán)的熱效率：渦輪機效率(ws

)T

=hT(h3

-

h4

)(ws

)c

=hc,s(h2

-

h1)Thermal

Energy

Engineering

Department

9-13hs,c

=

0.80

~

0.90hT

=

0.88

~

0.92壓氣機絕熱效率SAM增大升溫比τ可以提高循環(huán)熱效率,是提高循環(huán)熱效率的主要方向。限制燃氣溫度提高的主要因素是輪機葉片的耐熱強度，所以，研制并采用能承受高溫的耐熱材料來提高循環(huán)最高溫度，仍是改善燃氣輪機裝置工作性能的一個主要方向。當τ、ηc,s、ηT一定時，隨著增壓比π的提高，循環(huán)熱效率有一個極大值。當升溫比τ增大時，與熱效率的極大值相對應(yīng)的增壓比π的數(shù)值也提高。在選擇增壓比π時，應(yīng)同時兼顧循環(huán)熱效率及循環(huán)凈功，不能單純追求高熱效率。(3)提高壓氣機絕熱效率及渦輪機效率時，循環(huán)熱效率也隨著增加。當比熱容取為定值時，燃氣輪機裝置實際循環(huán)的熱效率：Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3Regenerative

Gas

TurbinesThermal

Energy

Engineering

Department

9-14（1）燃氣輪機裝置的回熱循環(huán)SAM提高燃氣輪機裝置的熱效率的措施Measures

to

improve

the

thermal

efficiency

of

gas

turbine提高循環(huán)熱效率的主要途徑是提高平均加熱溫度及降低平均放熱溫度。(2)采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回熱循環(huán)Regenerative

Gas

Turbines

with

Reheat

and

IntercoolingSAMRegenerative

Gas

Turbines（1）燃氣輪機裝置的回熱循環(huán)燃氣輪機的排氣溫度往往高于進入燃燒室的壓縮后空氣的溫度，因此可以利用廢氣的高溫余熱對燃燒前空氣進行預(yù)熱，以減少燃料消耗，提高裝置的熱效率。這種措施稱為回熱。在壓氣機和燃燒室之間設(shè)置了一個回熱器，用于燃氣輪機排出的廢氣和壓氣機送出的高壓氣體之間的換熱。回熱度μ：空氣在回熱器中實際所得熱量與理想情況下所得熱量之比。m

=

q

=

h6

-

h2q

h4

-

h2回熱度一般在0.50～0.80之間。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-14SAMt((

k

-1)/

kmt(1

-

)

-(1

-

m)pp

(

k

-1)/

k-

1)(p

(

k

-1)/

k

-

1)p

(

k

-1)/

kth

=③當回熱度增大時，與熱效率極大值相對應(yīng)的增壓比的數(shù)值不斷降低。Effectiveness

μ↑→

π

(ht)m↓a.xthermal

efficiencyThermal

Energy

Engineering

Department

9-15Ifτand

μare

constant

，π↑→ht.

maxRegenerative

Gas

Turbines①增大升溫比，可提高燃氣輪機回熱循環(huán)的熱效率；Temperature

ratio

τ↑→

↑h.

t②當升溫比及回熱度一定時，隨著增壓比的提高，回熱循環(huán)的熱效率有一個極大值。SAM(2)采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回熱循環(huán)Thermal

Energy

Engineering

Department

9-16Regenerative

Gas

Turbines

with

Reheat

and

Intercooling如果在采用回熱措施的基礎(chǔ)上，再采用多級壓縮中間冷卻措施，以及多級膨脹中間再熱措施，則可把回熱循環(huán)的平均加熱溫度進一步提高，以及把平均放熱溫度進一步降低，從而提高循環(huán)熱效率。多級壓縮中間冷卻可使壓縮終了溫度降低，多級膨脹中間再熱可使膨脹終了溫度提高，從而提高平均吸熱溫度及降低平均放熱溫度，使循環(huán)熱效率得到較大的提高。但該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，因而常單獨采用多級壓縮中間冷卻，或采用多級膨脹中間再熱。實際應(yīng)用上這種裝置尚不普遍。SAM

9.1.3

其他氣體動力循環(huán)渦輪增壓器與內(nèi)燃機聯(lián)合工作，預(yù)壓縮空氣，提高進氣密度，強化內(nèi)燃機的做功能力。由氣缸排出的廢氣在廢氣渦輪中絕熱膨脹輸出軸功，用于驅(qū)動增壓器。在增壓器中，從大氣吸入的空氣經(jīng)絕熱壓縮提高壓力及提高焓值后，送往內(nèi)燃機作為內(nèi)燃機的工質(zhì)。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-17增壓內(nèi)燃機及其循環(huán)Turbocharged

Engine

and

its

cycleSAM廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán):該循環(huán)相當于由一個內(nèi)燃機的混合加熱循環(huán)和一個燃氣輪機定壓加熱循環(huán)疊加而成。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3斯特林循環(huán)包括下列四個可逆過程：

ab為定溫壓縮過程，并向低溫熱庫放熱；

bc為定容吸熱過程（從回熱器中吸熱）；cd為定溫膨脹過程，并從高溫熱庫吸熱；

da為定容放熱過程（向回熱器放熱）。SAM

?活塞式熱氣發(fā)動機回熱器Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3斯特林循環(huán)Stirling

cycle:早在1816年，卡諾循環(huán)問世之前，斯特林(RobertStirling)就提出了采用空氣回熱措施的活塞式熱空氣發(fā)動機，這種發(fā)動機稱為斯特林發(fā)動機?；钊綗釟獍l(fā)動機的理想循環(huán)稱為斯特林循環(huán).SAM點氣的器和預(yù)斯特林循環(huán)Stirling

cycle.(1)定溫壓縮過程：配氣活塞2停留在氣缸中相應(yīng)于其上死點的位置不動，而動力活塞1從其下死點向上死點移動。這時，在兩個活塞之間氣缸的壓縮腔內(nèi)的工質(zhì)受到壓縮而壓力升高，同時工質(zhì)通過壓縮腔的氣缸壁向冷卻水放熱而實現(xiàn)定溫壓縮過程。當動力活塞升高到其上死點位置時壓縮過程結(jié)束。(2)定容預(yù)熱過程：這時動力活塞1停留在氣缸中其上死的位置不動，而配氣活塞2從其上死點向下移動。迫使缸壓縮腔內(nèi)的工質(zhì)經(jīng)氣缸外的連通管流入配氣活塞上方氣缸膨脹腔。這時工質(zhì)的容積保持不變，并在流過回熱

3時受到回熱器的加熱而溫度升高。當配氣活塞下降到動力活塞相靠時，工質(zhì)全部進入了氣缸的膨脹腔，定容熱過程結(jié)束。定溫膨脹過程：如圖c所示，這時利用外部燃燒系統(tǒng)通過氣缸頂部向膨脹腔內(nèi)的工質(zhì)加熱，使工質(zhì)在定溫下容積膨脹，推動配氣活塞和動力活塞一起向下移動，輸出容積變化功。當活塞到達下死點時，定溫膨脹過程結(jié)束。定容回熱過程：如圖d所示，這時動力活塞1停留在氣缸中其下死點不動，而配氣活塞2從其下死點向上移動。迫使氣缸膨脹腔內(nèi)的工質(zhì)經(jīng)氣缸外的連通管流入兩活塞間的氣缸壓縮腔。這時工質(zhì)的容積保持不變，并在流過回熱器3時向回熱器放熱，降低溫度，把熱量儲存于回熱器內(nèi)儲熱物質(zhì)中。當配氣活塞2移動到其上死點時，工質(zhì)全部進入了氣缸的壓縮腔，定容回熱過程即結(jié)束。然后又重復(fù)上述循環(huán)。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAMc2TmaxTcvcRT

ln

vdRTa

ln

vbq1qt=1

-

va

=1

-

Ta

=1

-

Tminh

=1

-在相同溫度范圍內(nèi)，理想的定容回熱循環(huán)（斯特林循環(huán)）和卡諾循環(huán)具有相同的熱效率。斯特林循環(huán)的突出優(yōu)點是熱效率高、污染少，對加熱方式的適應(yīng)性強。近年由于科技的發(fā)展以及環(huán)境保護日益為人們所重視，為斯特林循環(huán)的應(yīng)用創(chuàng)造了有利的前景。斯特林循環(huán)Stirling

cycle.定容回熱Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3q2

=

qabab為定溫壓縮過程，并向低溫熱庫放熱bc為定容吸熱過程（從回熱器中吸熱）；cd為定溫膨脹過程，并從高溫熱庫吸熱q1

=qcdda為定容放熱過程（向回熱器放熱）。cThermal

Energy

Engineering

Department

9-32TmaxTcpbRT

ln

pcRTaln

pdq1qtpa

=1

-

Ta

=1

-

Tmin=1

-h

=1

-bc為定溫膨脹過程，并從高溫熱庫吸熱cd為定壓放熱過程（向回熱器中放熱）；da為定溫壓縮過程，并向低溫熱庫放熱q1

=

qbcq2

=

qdaSAM艾利克松循環(huán)Ericsson

Cycle1883年，艾利克松（JohnEricsson）提出了理想的定壓回熱循環(huán)。它是一種開式的循環(huán)，用定壓回熱代替了斯特林循環(huán)中的定容回熱。ab為定壓吸熱過程（從回熱器中吸熱）；在相同溫度范圍內(nèi)理想定壓回熱循環(huán)（艾利克松循環(huán)）和卡諾循環(huán)具有相同的熱效率。理想回熱循環(huán)（斯特林循環(huán)及艾利克松循環(huán)）通常稱為概括性卡諾循環(huán)。實踐證明，采用回熱措施可以提高循環(huán)熱效率，也是余熱回收的一種重要的節(jié)能途徑。SAM自由活塞式燃氣輪機裝置在發(fā)動機氣缸2中有兩個相對放置的自由活塞3，它們的外端分別與壓氣機活塞直接連成一體。當發(fā)動機氣缸內(nèi)的氣體燃燒后進行膨脹時，推動兩活塞分別向兩端外移，并壓縮兩端氣墊氣缸7內(nèi)的空氣，將發(fā)動機所發(fā)出的全部有效功儲存在空氣中。在活塞外移的過程中，隨著壓氣機氣缸6容積的增大，壓氣機通過進氣閥5從大氣中吸進空氣。當活塞外移接近端部時，右邊的活塞首先把氣缸上的排氣孔8打開，氣缸中的高溫燃氣立即經(jīng)排氣口流入儲氣罐9，接著左邊的活塞又把氣缸上的掃氣口11打開，掃氣箱12內(nèi)的壓縮空氣進入氣缸，把殘留在氣缸中的燃氣驅(qū)入燃氣儲氣罐，并使氣缸內(nèi)充滿新鮮的壓縮空氣。由于這時發(fā)動機氣缸內(nèi)壓力較低，因而在兩端氣墊氣缸內(nèi)高壓空氣的推動下，活塞由兩端向氣缸中間內(nèi)移。當兩個活塞分別把排氣孔及掃氣孔關(guān)閉后，發(fā)動機氣缸內(nèi)的空氣即在絕熱條件下進行壓縮。同時壓氣機氣缸內(nèi)的空氣也被壓縮而提高壓力，當其壓力達到掃氣箱內(nèi)壓力時，輸氣閥4打開，壓縮空氣在活塞推動下輸入掃氣箱12。當兩活塞移動到接近中間位置時，由噴油器1把燃料噴入發(fā)動機氣缸中進行燃燒。燃燒結(jié)束后就又開始膨脹過程，進行新的工作循環(huán)。由發(fā)動機送入儲氣罐9中的高溫高壓的燃氣，不斷地送入燃氣輪機10中，在其中絕熱膨脹推動葉輪輸出軸功。由于自由活塞發(fā)動機中燃氣膨脹所作的功全部通過活塞用于壓氣機的壓縮功，所以燃氣輪機所輸出的功也就是整個裝置唯一對外輸出的功。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM自由活塞式燃氣輪機裝置的理想循環(huán)：1-2-3-4-5-1：工質(zhì)在自由活塞發(fā)動機氣缸中的混合加熱循環(huán)。1-6：定壓下向儲氣罐充氣的過程；6-7：燃氣在燃氣輪機中的絕熱膨脹過程；7-8：廢氣在大氣中的定壓放熱過程；8-1：空氣在壓氣機氣缸中的絕熱壓縮過程?！邏簹鈾C消耗的軸功等于自由活塞發(fā)動機的循環(huán)凈功，∴p-v圖上循環(huán)1-2-3-4-5-1的面積應(yīng)和面積8-1-a-b-8相等。面積6-7-b-a-6表示整個裝置輸出的功，即燃氣輪機輸出的軸功。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3該循環(huán)相當于由一個在自由活塞發(fā)動機中的混合加熱循環(huán)和一個燃氣輪機定壓加熱循環(huán)疊加而成。SAM噴氣式發(fā)動機Jet

engineThermal

Energy

Engineering

Department

9-18當它以一定飛行速度前進時，空氣就以相等的速度進入噴氣發(fā)動機。這時，高速空氣流首先在發(fā)動機前端的擴壓管1中降低流速提高壓力，然后進入壓氣機2，在其中經(jīng)絕熱壓縮進一步提高壓力。壓縮后的空氣在燃燒室3中和噴入的燃料一起進行定壓燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫燃氣首先在燃氣輪機4中絕熱膨脹產(chǎn)生軸功用于帶動壓氣機，然后進入尾部噴管5中，在其中繼續(xù)膨脹獲得高速，最后從尾部噴向大氣。SAMComponents

of

a

simple

vapor

power

plant9.2

Vapor

Power

SystemsVapor

Power

SystemsThermal

Energy

Engineering

Department

9-19Thermal

Energy

Engineering

Department

0-9BoilerTurbineCondenserPumpQuestion:Doesthermal

energycanall

changeintomechanicalenergy?SAMSAMIdeal

Rankine

CycleProcess

12:

Isentropic

expansion

of

the

working

fluid

through

the

turbinefromsaturated

vapor

at

state

1

to

the

condenser

pressure.Process

23:

Heat

transfer

from

the

working

fluid

as

it

flows

at

constant

pressurethrough

the

condenser

with

saturated

liquid

at

state

3.Process

34:

Isentropic

compression

in

the

pump

to

state

4in

the

compressedliquidregion.Process

41:

Heat

transfer

to

the

working

fluid

as

it

flows

at

constantpressurethrough

the

boiler

to

complete

the

cycle.Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAMIdeal

Rankine

Cycle過程12：絕熱膨脹過程過程23：定壓放熱過程過程34：絕熱加壓過程過程41：定壓吸熱過程Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAMIdeal

Rankine

Cycle循環(huán)凈功：朗肯循環(huán)的熱效率：若忽略給水泵消耗的軸功，則Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAMIdeal

Rankine

Cycle二、提高朗肯循環(huán)的熱效率的措施提高循環(huán)的平均加熱溫度及降低循環(huán)的平均放熱溫度。提高蒸汽的初溫t1初壓p1，以及降低乏汽的壓力p2

。①平均加熱溫度提高，而放熱溫度不變。②絕熱膨脹終了狀態(tài)干度提高，這有利于減少汽輪機

內(nèi)部的功耗散，也有利于改善汽輪機葉片的工作條件。③為提高蒸汽的初溫，則要求鍋爐過熱器所用材料具有較好的耐熱性。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAM二、提高朗肯循環(huán)的熱效率的措施2.提高蒸汽的初壓p1（初溫t1以及乏汽壓力p2不變）。在蒸汽初溫t1以及乏汽的壓力p2不變條件下，提高蒸汽的初壓p1，會使熱效率提高!①蒸汽的初壓升高，則加熱過程相變溫度升高，進而平均加熱溫度提高。②隨著初壓的提高，使汽輪機出口乏氣的干度降低，會影響汽輪機

的工作性能、降低汽輪機葉片的使用壽命，是不能忽視的重要問題。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAM二、提高朗肯循環(huán)的熱效率的措施3.降低乏汽的壓力p2（蒸汽的初壓p1以及初溫t1不變）。①在蒸汽的初壓p1,初溫t1不變的條件下,降低背壓p2可以提高朗肯循環(huán)的熱效率及循環(huán)凈功。②汽輪機排氣干度χ2隨背壓p2的下降而降低，這對汽輪機是不利的。但背壓取決于冷凝器中所能維持的冷凝溫度，背壓就是這個冷凝溫度的飽和壓力。降低冷凝器中的溫度，就能降低背壓。冷凝溫度受周圍環(huán)境溫度（或冷卻水溫度）的限制，其降低是有限的。通常冷凝溫度在25～32℃之間，所以背壓在0.003～0.005MPa的范圍內(nèi)。提高蒸汽的初溫t1初壓p1，以及降低乏汽的壓力p2

,均可提高朗肯循環(huán)熱效率。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAM例9-4

（p209）Temperature–entropy

diagram

showing

the

effects

of

turbine

and

pump

irreversibilities:Thermal

Energy

Engineering

Department

9-21SAM

?Reheat

cycle

再熱循環(huán)在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上，采用兩極膨脹、中間再熱的措施。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-22采用再熱措施時，不僅可以提高蒸汽初壓，還可以提高乏汽干度，使循環(huán)的熱效率得到進一步提高。由于再熱循環(huán)的管路系統(tǒng)比較復(fù)雜，投資增大，運行維護也不方便，一般在

10萬kw以上、蒸汽初壓高于13MPa的大容量機組中才采用再熱措施，而且都用一次再熱，所以，性能的改善也是有限的。SAMRegenerative

VaporPower

Cycle

具有回熱的蒸汽動力循環(huán)朗肯循環(huán)熱效率不高的一個重要原因是給水溫度較低，壓縮水的定壓預(yù)熱階段是在較低的范圍內(nèi)進行的。這不僅降低了水蒸氣定壓產(chǎn)生過程的平均吸熱溫度，使熱效率下降；而且增加了鍋爐內(nèi)高溫煙氣與水之間溫差傳熱的不可逆性損失。如果對低溫下壓縮水的預(yù)熱階段加以改進，則定能取得明顯的節(jié)能效果。采用回熱措施來提高給水溫度，是提高循環(huán)熱效率的一條重要途徑。所謂回熱，是利用從汽輪機中抽出部分蒸汽來加熱鍋爐給水，使壓縮水的低溫預(yù)熱階段在鍋爐外的回熱器中進行，把水加熱到預(yù)期的溫度之后再送到鍋爐中去。這樣，在鍋爐中水蒸氣定壓產(chǎn)生過程的平均吸熱溫度就明顯地提高了，并降低了溫差傳熱的不可逆性損失，使整個裝置的工作性能得到改善。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-22SAMRegenerative

VaporPower

Cycle

具有回熱的蒸汽動力循環(huán)下面是一個僅有一級中間抽汽回熱措施的蒸汽動力裝置的示意圖。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-22當蒸汽在汽輪機中經(jīng)初步膨脹作功而壓力降低到某個中間壓力時，從中抽出少量蒸汽送至回熱器作回熱用，其余所有蒸汽仍繼續(xù)在汽輪機中膨脹到乏汽壓力作出軸功。當乏汽在冷凝器中凝結(jié)成水后用水泵加壓到等于中間抽汽的壓力，送入回熱器和從汽輪機抽出的蒸汽相接觸，兩者混合回熱而形成與中間抽汽壓力所對應(yīng)的飽和水，最后經(jīng)給水泵加壓后重新送入鍋爐。SAM再熱-回熱循環(huán)一次再熱和兩次回熱的蒸汽動力裝置示意圖從熱力學(xué)觀點來看，采用回熱措施總是有利的，故現(xiàn)代大中型蒸汽動力裝置無一例外地都采用回熱循環(huán)。顯然，采用回熱措施必然要增加設(shè)備投資并使運行更加復(fù)雜，因此，在選擇回熱循環(huán)的回熱級數(shù)及抽氣系數(shù)時，必須經(jīng)過全面的技術(shù)經(jīng)濟比較來確定。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-23SAMCogeneration

System

熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)Thermal

Energy

Engineering

Department

9-24SAM背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)Thermal

Energy

Engineering

Department

9-25為了利用汽輪機乏氣中的熱能，必須適當提高乏氣的壓力，乏氣參數(shù)應(yīng)根據(jù)大多數(shù)用戶的需要來確定，一旦確定之后，汽輪機就在這個確定的背壓下工作。通常將乏氣壓力超過1bar的汽輪機稱為背壓式汽輪機。重要參數(shù)：循環(huán)熱效率熱量利用系數(shù)電熱比對于背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)來說，當t1、p1及p2一定時，循環(huán)熱效率、熱量利用系數(shù)及電熱比都是確定的，供電量與供熱量的配比是固定的，不能單獨調(diào)節(jié)，難于適應(yīng)熱用戶、電用戶的不同要求。這是背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)的特點，也是其嚴重缺點。SAM抽氣式熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)抽氣式熱電聯(lián)產(chǎn)循環(huán)是在回熱循環(huán)的基礎(chǔ)上，再增加一些廠外的熱用戶。可通過調(diào)節(jié)總供氣量及抽氣量來進行供熱量與供電量的調(diào)節(jié)。該裝置既能充分利用熱量，還有利于環(huán)境保護，采用集中供熱的熱電廠是現(xiàn)在及未來蒸汽動力裝置發(fā)展的方向。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-26水的臨界參數(shù)是:22.12MPa、374.15℃；鍋爐內(nèi)工質(zhì)壓力低于臨界壓力的鍋爐就叫亞臨界鍋爐，大于臨界壓力就是超臨界鍋爐。目前,國內(nèi)將工質(zhì)壓力大于26MPa被稱為超超臨界鍋爐,準確的說應(yīng)該叫高效超臨界鍋爐。在超臨界鍋爐內(nèi)隨著壓力的提高，水的飽和溫度也隨之提高，汽化潛熱減少，水和汽的密度差也隨之減少。當壓力達到或高于臨界壓力時，汽化潛熱為零，汽和水的密度差也等于零，水在該壓力下加熱到臨界溫度時即全部汽化成蒸汽。因此超臨界壓力下水變成蒸汽不再存在汽水兩相區(qū)，由此可知，超臨界壓力直流鍋爐由水變成過熱蒸汽經(jīng)歷了兩個階段即加熱和過熱，而工質(zhì)狀態(tài)由水逐漸變成過熱蒸汽。SAM

超臨界鍋爐Thermal

Energy

Engineering

Department

9-26超臨界火電技術(shù)由于參數(shù)本身的特點決定了超臨界鍋爐只能采用直流鍋爐，且沒有汽包，啟停速度快。與一般亞臨界汽包爐相比，超臨界直流鍋爐啟動到滿負荷運行，變負荷速度可提高1倍左右。變壓運行的超臨界直流鍋爐存在工質(zhì)的熱膨脹現(xiàn)象，并且在亞臨界壓力范圍內(nèi)可能出現(xiàn)膜態(tài)沸騰；在超臨界壓力范圍內(nèi)可能出現(xiàn)類膜態(tài)沸騰。超臨界直流鍋爐要求的汽水品質(zhì)高，要求凝結(jié)水進行100%除鹽處理。由于超臨界直流鍋爐水冷壁的流動阻力全部依靠給水泵克服，所需的

壓頭高，即提高了制造成本、又增加了運行耗電量，且直流鍋爐普遍

存在著流動不穩(wěn)定性、熱偏差和脈動水動力問題。另外，為了達到較

高的質(zhì)量流速，必須采用小管徑水冷壁，較相同容量的自然循環(huán)鍋爐

超臨界直流鍋爐本體金屬耗量最少，鍋爐重量輕，但由于蒸汽參數(shù)高，要求的金屬等級高，其成本高于自然循環(huán)鍋爐。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-26SAM

超臨界鍋爐的特點SAM超超臨界鍋爐技術(shù)于上個世紀90年代初在歐洲問世，是國際上最為先進的燃煤發(fā)電技術(shù)，具有無可比擬經(jīng)濟性，單臺機組發(fā)電熱效率最高可達50%，每kW/h煤耗最低僅有255g（丹麥BWE公司），較亞臨界壓力機組（每kW/h煤耗最低約有327g左右）煤耗低；同時采用低氧化氮技術(shù)，在燃燒過程中減少65%的氮氧化合物及其它有害物質(zhì)的形成，且脫硫率可超98%，可實現(xiàn)節(jié)能降耗、環(huán)保的目的。未來火電建設(shè)將主要是發(fā)展高效率高參數(shù)的超臨界和超超臨界火電機組，它們在發(fā)達國家已得到廣泛的研究和應(yīng)用。超超臨界機組的發(fā)電效率比我國近期主要采用的亞臨界機組高出

10%，比超臨界機組高出6～8%。1998年，最早投入運行的超超臨界機組安裝在丹麥的Nordjyllands發(fā)電廠，由丹麥BWE公司設(shè)計生產(chǎn)，發(fā)電效率創(chuàng)造了新的世界記錄，達到47%。Thermal

Energy

Engineering

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9-26我國于2002年把開發(fā)超超臨界鍋爐列為國家863重大項目攻關(guān)計劃，2003年原國家經(jīng)貿(mào)委和科技部都把超超臨界鍋爐列入國家重大技術(shù)裝備研制計劃。2004年11月23日凌晨1時17分,由中國東方電氣集團公司東方鍋爐為華能沁北電廠提供的國產(chǎn)首臺60萬千瓦超臨界鍋爐順利通過168小時試運行并投入商業(yè)運行。該項目成功填補60萬千瓦超臨界鍋爐國產(chǎn)化空白。東方電氣由此躋身為全球大容量電站鍋爐品種最齊全的鍋爐制造商。國產(chǎn)首臺60萬千瓦超臨界示范機組鍋爐的研制成功和投入運行,用事

實證明60萬千瓦超臨界鍋爐、100萬千瓦超超臨界機組鍋爐硬件制造

100%國產(chǎn)化完全可以實現(xiàn)。這一國產(chǎn)化重大技術(shù)裝備的研制成功,將大大降低60萬千瓦超臨界機組鍋爐的采購成本,為全國范圍內(nèi)普及高效率、低煤耗、低污染排放的60萬千瓦超臨界機組創(chuàng)造了條件。據(jù)測算,如果今后全國60萬千瓦及以上超臨界機組能占到發(fā)電設(shè)備的50以上,

每年就可節(jié)省煤炭幾億噸。這將對我國電力工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。SAMThermal

Energy

Engineering

Department