燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)

第7章

燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)2024/1/191§7.1循環(huán)分析的目的和一般方法分析動(dòng)力循環(huán)的目的在于評(píng)價(jià)該循環(huán)在熱能對(duì)機(jī)械能的連續(xù)轉(zhuǎn)換及能量有效利用方面的工作性能，并探討影響該循環(huán)特性的主要因素。⑴分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法①對(duì)實(shí)際過程加以抽象和概括，將實(shí)際循環(huán)簡(jiǎn)化為理想的可逆循環(huán)，分析其熱功轉(zhuǎn)換效果及影響因素②在理想可逆循環(huán)根底上再考慮實(shí)際循環(huán)有哪些不可逆損失，及其產(chǎn)生的原因、大小和改進(jìn)的方法對(duì)于實(shí)際循環(huán)，從能量的有效利用考慮，除需要進(jìn)行熱效率分析外，一般還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行熵產(chǎn)或可用能損失方面的分析，以便合理評(píng)估循環(huán)的完善性2024/1/192本課程主要討論相關(guān)熱力裝置的理論循環(huán)，重點(diǎn)在于分析熱力循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)，必要時(shí)也會(huì)涉及一些實(shí)際循環(huán)的問題實(shí)際的氣體動(dòng)力循環(huán)中，在循環(huán)的不同階段工質(zhì)成份不同，有時(shí)是空氣，有時(shí)是燃?xì)馊細(xì)獾臒嵛镄耘c空氣相近理論分析中視工質(zhì)為類同空氣的某種定比熱容理想氣體⑵對(duì)實(shí)際氣體動(dòng)力循環(huán)所作的理想化處理①②實(shí)際裝置的工作循環(huán)是開放式的，每個(gè)工作循環(huán)后均將廢氣排棄，更換新的工質(zhì)理論分析時(shí)抽象成閉式循環(huán)燃燒過程視為對(duì)工質(zhì)的加熱過程排氣過程視為工質(zhì)的放熱過程2024/1/193§7.2燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)1壓縮機(jī)燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)234燃?xì)廨啓C(jī)裝置燃料空氣廢氣燃?xì)猗湃細(xì)廨啓C(jī)裝置工作過程燃?xì)廨啓C(jī)裝置中的主要設(shè)備為透平式空氣壓縮機(jī)燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)軸流式壓氣機(jī)不斷將空氣壓送至燃燒室燃料噴入燃燒室中燃燒產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馑椭寥細(xì)廨啓C(jī)中膨脹作功廢氣排放到大氣中大氣2024/1/194⑵燃汽輪機(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)——布雷敦循環(huán)(Braytoncycle)實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)工作過程理想化為定壓加熱循環(huán)工質(zhì)視為某種定比熱容理想氣體工質(zhì)壓縮過程12為定熵的絕熱過程燃燒過程23視為定壓加熱過程工質(zhì)在燃?xì)廨啓C(jī)中定熵絕熱膨脹34廢氣排放到大氣視同定壓放熱過程41Ts1234PsPsP

4213PsPs布雷頓循環(huán)2024/1/195⑶布雷頓循環(huán)的熱效率循環(huán)的吸熱量循環(huán)的放熱量布雷敦循環(huán)的熱效率Ts1234PsPs2024/1/196Ts1234PsPs由絕熱過程12和34

由定壓過程23和41布雷頓循環(huán)的熱效率僅取決于壓縮過程的始、末態(tài)溫度布雷頓循環(huán)2024/1/197不要與卡諾循環(huán)熱效率表達(dá)式混淆

式中的T1和T2只不過是循環(huán)中1點(diǎn)和2點(diǎn)的溫度，并非吸熱過程和放熱過程的熱源溫度！增壓比Ts1234PsPs布雷頓循環(huán)布雷敦循環(huán)的熱效率僅取決于壓縮過程的增壓比π隨π的增大而提高2024/1/198⑷布雷敦循環(huán)的功輸出燃汽輪機(jī)裝置常用作航空、船艦動(dòng)力裝置，希望自重盡量小，輸出功率最大Ts1234PsPs循環(huán)凈功=兩絕熱過程技術(shù)功代數(shù)和按絕熱過程參數(shù)關(guān)系2024/1/199定義增溫比——循環(huán)的最高溫度與最低溫度之比2024/1/1910當(dāng)工質(zhì)一定、初態(tài)1一定時(shí)假設(shè)一定，循環(huán)凈功wnet僅取決于wnet隨增壓比

提高先增大，到達(dá)極大值后反轉(zhuǎn)減少對(duì)應(yīng)于wnet,max的為最正確增壓比opt燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)的凈功輸出wnet式中cp、k、T1圖中給出了k=1.4的wnet=f(

,

)函數(shù)關(guān)系2024/1/1911最正確增壓比opt可利用按此條件求得的該增壓比為求得增溫比

愈大，

opt也愈大對(duì)應(yīng)的wnet,max值也愈大燃汽輪機(jī)裝置中壓氣機(jī)吸入的為大氣，因而布雷頓循環(huán)的初始溫度T1不可能隨意降低，為了提高循環(huán)的增溫比

，只有提高循環(huán)的最高溫度T3在材料允許的條件下，可盡量采用高的增溫比

，以便獲得盡可能大的循環(huán)熱效率和裝置功率輸出

2024/1/1912⑸實(shí)際(不可逆)定壓加熱循環(huán)分析實(shí)際定壓加熱循環(huán)是不可逆的就熱效率而言，只要吸熱量和放熱量一定那么循環(huán)熱效率一定

與加熱過程和放熱過程是否可逆無關(guān)壓氣機(jī)和燃汽輪機(jī)工作過程的不可逆性那么對(duì)實(shí)際循環(huán)的熱效率有影響實(shí)際定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)12——不可逆絕熱壓縮，非定熵過程34——不可逆絕熱膨脹，非定熵過程23——定壓加熱過程41——定壓放熱過程Ts122s34s4實(shí)際定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)12341布雷頓循環(huán)12s34s12024/1/1913Ts122s34s4實(shí)際定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)12341壓氣機(jī)定熵效率燃?xì)廨啓C(jī)定熵效率(相對(duì)內(nèi)效率)實(shí)際定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)的凈功輸出布雷頓循環(huán)12s34s1初態(tài)1、增壓比相同情況下，實(shí)際循環(huán)的壓氣機(jī)功耗及燃?xì)廨啓C(jī)的功輸出與理想循環(huán)的差異由定熵效率表達(dá)2024/1/1914Ts122s34s4實(shí)際定壓加熱循環(huán)吸熱量實(shí)際定壓加熱循環(huán)熱效率2024/1/1915Ts122s34s42024/1/1916實(shí)際循環(huán)熱效率

t隨

及

的變化關(guān)系如圖示實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)的熱效率(

c,s=

c,s=0.85;T1=290K;k=1.4)2024/1/1917實(shí)際燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)的熱效率(

c,s=

c,s=0.85;T1=290K;k=1.4)初態(tài)、燃?xì)廨啓C(jī)及壓氣機(jī)定熵效率一定的條件下：·增壓比

一定時(shí)，增溫比

越大，循環(huán)的熱效率

t越高·增溫比

一定時(shí)，循環(huán)熱效率

t隨增壓比

增大而變化有一極大值；增溫比

越大該極大值越大，相應(yīng)的增壓比也越大增壓比

對(duì)實(shí)際循環(huán)熱效率的影響與對(duì)布雷頓循環(huán)的影響不一樣2024/1/1918提高循環(huán)增溫比

在于提高燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口處的溫度T3涉及金屬材料耐熱強(qiáng)度極限問題為尋找出路，正在研究使用陶瓷材料作為替代從循環(huán)方式出發(fā)，提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)熱效率的途徑尚有：·實(shí)行回?zé)帷ぴ诨責(zé)岬母咨蠈?shí)行分級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻和分級(jí)膨脹、中間再熱提高增溫比是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)熱效率的主要方向減小壓縮機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部過程的不可逆性，提高其定熵效率也有助于提高循環(huán)的熱效率從

、

兩者對(duì)

t的影響看來2024/1/19191燃燒室234帶回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置燃料空氣廢氣燃?xì)馊細(xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)56§7.3燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱-回?zé)嵫h(huán)帶回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置由以下主要設(shè)備組成：⑴帶回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置壓縮機(jī)回?zé)崞魅紵胰細(xì)廨啓C(jī)裝置的工作過程為：壓縮機(jī)吸入狀態(tài)為1的空氣壓縮至狀態(tài)2，送入回?zé)崞髟诨責(zé)崞髦谢責(zé)嶂翣顟B(tài)5后送入燃燒室燃料噴入燃燒室燃燒生成高溫高壓燃?xì)?，送入汽輪機(jī)燃?xì)庠跉廨啓C(jī)中膨脹作功后(4)排往回?zé)崞髋艢庠诨責(zé)崞髦谢責(zé)崂鋮s至狀態(tài)6成廢氣，排入大氣中回?zé)崞?024/1/1920⑵燃?xì)廨啓C(jī)定壓加熱-回?zé)嵫h(huán)1燃燒室234燃料空氣廢氣燃?xì)馊細(xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)56回?zé)嵫h(huán)可理想化為：回?zé)崞鱐s12s——可逆絕熱(定熵)壓縮2s5——定壓回?zé)?回?zé)崞?53——定壓加熱(燃燒室)34s——可逆絕熱(定熵)膨脹4s6——定壓回?zé)?回?zé)崞?12s534s661——定壓放熱(大氣中)①理想回?zé)嵫h(huán)回?zé)帷桓淖冄h(huán)過程根本性質(zhì)，利用放熱過程的放熱量滿足吸熱過程需要理想回?zé)帷竭_(dá)最大可能的回?zé)岢潭?024/1/19211燃燒室234燃料空氣廢氣燃?xì)馊細(xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)56回?zé)崞鱐s12s534s6理想回?zé)崆闆r下：廢氣排放至大氣時(shí)(6)冷卻到壓縮機(jī)出口處的工質(zhì)溫度T2s新鮮工質(zhì)回?zé)岷?5)到達(dá)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度T4s回?zé)崞髦凶畲罂赡艿幕責(zé)崃繕O限回?zé)?、完全回?zé)崂硐牖責(zé)嵋喾Qq4s6=q2s52024/1/1922Ts12s534s6實(shí)行回?zé)釙r(shí)各過程的根本性質(zhì)不改變12s34s1——布雷頓循環(huán)端點(diǎn)狀態(tài)也不改變無論回?zé)崤c否循環(huán)的凈功輸出不變采用回?zé)釙r(shí)循環(huán)吸熱量循環(huán)放熱量顯然吸熱平均溫度提高了放熱平均溫度降低了極限回?zé)嵫h(huán)的熱效率

t,12s534s61>簡(jiǎn)單布雷頓循環(huán)的熱效率

t,B2024/1/19231燃燒室234燃料空氣廢氣燃?xì)馊細(xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)78回?zé)崞鳍趯?shí)際燃?xì)廨啓C(jī)裝置回?zé)嵫h(huán)實(shí)際換熱器“端差〞——冷流體出口溫度比熱流體的進(jìn)口溫度低熱流體出口溫度比冷流體的進(jìn)口溫度高Ts12345678最大可能回?zé)崃縬46=q25=cp(T4?T6)

極限回?zé)嵫h(huán)為1253461

實(shí)際回?zé)嵫h(huán)為1273481實(shí)際回?zé)崃縬48=q27=cp(T4?T8)回?zé)岫取獙?shí)際回?zé)釋?duì)最大可能回?zé)嶂?024/1/1924燃?xì)廨啓C(jī)裝置回?zé)嵫h(huán)一般

≯0.8回?zé)岫取獙?shí)際回?zé)釋?duì)最大可能回?zé)嶂葓D示的實(shí)際回?zé)嵫h(huán)1273481Ts12345678吸熱量放熱量循環(huán)的熱效率循環(huán)端點(diǎn)狀態(tài)時(shí),據(jù)可確定回?zé)崞鞒隹跍囟萒7、T82024/1/1925值得注意的是，只是在增壓比π較小時(shí)回?zé)岽胧?duì)循環(huán)的熱效率才會(huì)有較明顯的影響Ts12345678隨增壓比

提高，T2將不斷提高當(dāng)增壓比

高至令T2

=T4

時(shí)不可能有回?zé)徇^程存在2

回?zé)岽胧┲荒茉陉懹玫墓潭ㄔO(shè)備中采用船艦和航空動(dòng)力裝置要求有盡量小的設(shè)備自重，因而不會(huì)采用回?zé)岽胧┰赥3不變的情況下T4不斷下降，回?zé)崃坑鷣碛賂33

4

2024/1/1926§7.4多級(jí)壓縮和再熱的燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)Ts12343

TmaxT1圖示為兩級(jí)壓縮，中間冷卻、兩級(jí)膨脹，中間再熱的燃?xì)廨啓C(jī)裝置理想循環(huán)第1級(jí)壓縮冷卻器某中間壓力定壓冷卻至初溫第2級(jí)壓縮絕熱絕熱燃燒室定壓加熱第1級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)絕熱膨脹燃燒室定壓再熱第2級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)絕熱膨脹排大氣定壓放熱某中間壓力至最高溫度2024/1/1927Ts12343

TmaxT1無限多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻至初溫定溫壓縮無限多級(jí)膨脹、級(jí)間再熱至最高溫度定溫膨脹極限極限配以完全回?zé)釙r(shí)，循環(huán)將成為概括性卡諾循環(huán)從熱力學(xué)理論上看來這是燃?xì)廨啓C(jī)裝置工作溫度范圍(T1,T3)內(nèi)所能到達(dá)的最大熱效率！2024/1/1928例7-1(習(xí)題10-18的第一局部)某電廠以燃?xì)廨啓C(jī)裝置產(chǎn)生動(dòng)力，向發(fā)電機(jī)輸出的功率為20MW，循環(huán)簡(jiǎn)圖如圖10-23，循環(huán)最低溫度為290K、最高為1500K,循環(huán)最低壓力為95kPa、最高壓力為950kPa。循環(huán)中設(shè)一回?zé)崞?，回?zé)岫葹?5%。壓氣機(jī)絕熱效率

c,s=0.85，燃?xì)廨啓C(jī)的相對(duì)內(nèi)部效率

T=0.87。試求燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)出的總功率、壓氣機(jī)消耗的功率和循環(huán)熱效率。解：認(rèn)為燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)是空氣，且為定比熱容理想氣體5678Ts122s34s412s34s1為理想循環(huán)——布雷頓循環(huán)考慮壓氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)定熵效率時(shí)的實(shí)際循環(huán)為12341極限回?zé)釙r(shí)T4=T5；T2=T6，考慮回?zé)岫葧r(shí)循