1、第7章燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán),2020/7/29,2,7.1 循環(huán)分析的目的和一般方法,分析動(dòng)力循環(huán)的目的在于評價(jià)該循環(huán)在熱能對機(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。, 分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法,對實(shí)際過程加以抽象和概括，將實(shí)際循環(huán)簡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,在理想可逆循環(huán)基礎(chǔ)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)的辦法,對于實(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，以便合理評估循環(huán)的完善性,2020/7/29,3,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

2、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)?燃?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, 對實(shí)際氣體動(dòng)力循環(huán)所作的理想化處理,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),燃燒過程視為對工質(zhì)的加熱過程,排氣過程視為工質(zhì)的放熱過程,2020/7/29,4,7.2 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),2,3,4,燃?xì)廨啓C(jī)裝置,燃料,空氣,廢氣,燃?xì)? 燃?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,

3、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,2020/7/29,5, 燃汽輪機(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán),布雷敦循環(huán)(Brayton cycle),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41,T,s,1,2,3,4,P,s,P,s,P,4,2,1,3,P,s,P,s,布雷頓循環(huán),2020/7/29,6, 布雷頓循環(huán)的熱效率,循

4、環(huán)的吸熱量,循環(huán)的放熱量,布雷敦循環(huán)的熱效率,T,s,1,2,3,4,P,s,P,s,2020/7/29,7,T,s,1,2,3,4,P,s,P,s,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),2020/7/29,8,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,T,s,1,2,3,4,P,s,P,s,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,隨的增大而提高,2020/7/29,9, 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，

5、希望自重盡量小，輸出功率最大,T,s,1,2,3,4,P,s,P,s,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,2020/7/29,10,定義,增溫比循環(huán)的最高溫度與最低溫度之比,2020/7/29,11,當(dāng)工質(zhì)一定、初態(tài)1一定時(shí),若 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,對應(yīng)于wnet,max的為最佳增壓比opt,燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)的凈功輸出wnet,式中 cp、k、T1已知,圖中給出了k=1.4的wnet=f( ,)函數(shù)關(guān)系,2020/7/29,12,最佳增壓比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,

6、對應(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,2020/7/29,13, 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則循環(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則對實(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,4

7、1定壓放熱過程,T,s,1,2,2s,3,4s,4,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)12s34s1,2020/7/29,14,T,s,1,2,2s,3,4s,4,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)的差別由定熵效率表達(dá),2020/7/29,15,T,s,1,2,2s,3,4s,4,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,2020/7/29,16,T,s,1,2,2s,3,4s,

8、4,2020/7/29,17,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),2020/7/29,18,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 對實(shí)際循環(huán)熱效率的影響與對布雷頓循環(huán)的影響不一樣,2020/7/29,19,提高循環(huán)增溫比 在于提高燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口處的溫

9、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)?在回?zé)岬幕A(chǔ)上實(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t的影響看來,2020/7/29,20,1,燃燒室,2,3,4,帶回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置,燃料,空氣,廢氣,燃?xì)?燃?xì)廨啓C(jī),壓縮機(jī),5,6,7.3 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：, 帶回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置,壓縮機(jī),回

10、熱器,燃燒室,燃?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?在回?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?排氣在回?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?2020/7/29,21, 燃?xì)廨啓C(jī)定壓加熱-回?zé)嵫h(huán),1,燃燒室,2,3,4,燃料,空氣,廢氣,燃?xì)?燃?xì)廨啓C(jī),壓縮機(jī),5,6,回?zé)嵫h(huán)可理想化為：,回?zé)崞?T,s,12s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?,1,2s,5

11、,3,4s,6,61定壓放熱(大氣中),理想回?zé)嵫h(huán),回?zé)岵桓淖冄h(huán)過程基本性質(zhì)，利用放熱過程的放熱量滿足吸熱過程需要,理想回?zé)徇_(dá)到最大可能的回?zé)岢潭?2020/7/29,22,1,燃燒室,2,3,4,燃料,空氣,廢氣,燃?xì)?燃?xì)廨啓C(jī),壓縮機(jī),5,6,回?zé)崞?T,s,1,2s,5,3,4s,6,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)達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度T4s,回?zé)崞髦凶畲罂赡艿幕責(zé)崃?極限回?zé)帷?完全回?zé)?理想回?zé)嵋喾Q,q4s6=q2s5,2020/7/29,23,T,s,1,2s,5,3,4s,6,實(shí)行回?zé)釙r(shí)各過程的基本性質(zhì)不改變,

12、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簡單布雷頓循環(huán)的熱效率t,B,2020/7/29,24,1,燃燒室,2,3,4,燃料,空氣,廢氣,燃?xì)?燃?xì)廨啓C(jī),壓縮機(jī),7,8,回?zé)崞?實(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,T,s,1,2,3,4,5,6,7,8,最大可能回?zé)崃縬46=q25=cp(T4T6),極限回?zé)嵫h(huán)為1253461,實(shí)際回?zé)嵫h(huán)為12734

13、81,實(shí)際回?zé)崃縬48=q27=cp(T4T8),回?zé)岫葘?shí)際回?zé)釋ψ畲罂赡芑責(zé)嶂?2020/7/29,25,燃?xì)廨啓C(jī)裝置回?zé)嵫h(huán)一般0.8,回?zé)岫葘?shí)際回?zé)釋ψ畲罂赡芑責(zé)嶂?圖示的實(shí)際回?zé)嵫h(huán)1273481,T,s,1,2,3,4,5,6,7,8,吸熱量,放熱量,循環(huán)的熱效率,循環(huán)端點(diǎn)狀態(tài)已知時(shí), 據(jù) 可確定回?zé)崞鞒隹跍囟萒7、T8,2020/7/29,26,值得注意的是，只是在增壓比較小時(shí)回?zé)岽胧ρh(huán)的熱效率才會(huì)有較明顯的影響,T,s,1,2,3,4,5,6,7,8,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

14、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?在T3不變的情況下T4不斷下降，回?zé)崃坑鷣碛?T3,3,4,2020/7/29,27,7.4 多級(jí)壓縮和再熱的燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán),T,s,1,2,3,4,3,Tmax,T1,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,2020/7/29,28,T,s,1,2,3,4,3,Tmax,T1,無限多級(jí)壓縮、級(jí)

15、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)所能達(dá)到的最大熱效率！,2020/7/29,29,例7-1(習(xí)題10-18的第一部分),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20 MW，循環(huán)簡圖如圖10-23，循環(huán)最低溫度為290 K、最高為1500 K,循環(huán)最低壓力為95 kPa、最高壓力為950 kPa。循環(huán)中設(shè)一回?zé)崞鳎責(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,5,6,7,8,T,s,1,2,2s,3,4s,4,12s34s1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)循環(huán)為127348