十氣體動力循環(huán)

1、第十、十一、十二章熱力裝置及其循環(huán)氣（氣體動力循環(huán)、蒸汽循環(huán)、制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)）氣體動力循環(huán)一、目的及要求了解各種內(nèi)燃機的熱力過程，掌握朗肯循環(huán)的熱力循環(huán)過程，了解制冷循環(huán)及熱泵循環(huán)的熱力過程。、內(nèi)容：10.1分析動力循環(huán)的一般方法10.2活塞式內(nèi)燃機實際循環(huán)的簡化10.3活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)10.4活塞式內(nèi)燃機各種理想循環(huán)的熱力學比較10.5燃氣輪機裝置循環(huán)10.6燃氣輪機裝置的定壓加熱實際循環(huán)10.7簡單蒸汽動力裝置循環(huán)一一朗肯循環(huán)10.8再熱循環(huán)及回熱循環(huán)10.9制冷循環(huán)概況10.10 壓縮空氣與壓縮蒸汽制冷循環(huán)10.11 制冷劑的性質(zhì)10.12 熱泵循環(huán)、重點及難點：10.1掌握各

2、種裝置循環(huán)的實施設(shè)備及工作流程。10.2掌握將實際循環(huán)抽象和簡化為理想循環(huán)的一般方法，并能分析各種循環(huán)的熱力過程組成。10.3掌握各種循環(huán)的吸熱量、放熱量、作功量及熱效率等能量分析和計算的方法。10.4會分析影響各種循環(huán)熱效率的因素。10.5掌握提高各種循環(huán)能量利用經(jīng)濟性的具體方法和途徑。四、主要外語詞匯:sabeandercycle,dieselcycle,ottocycle,sparkignition,braytoncycle,gasturbine,rankinecycle,vapor,airstandardassumptions,refrigeratorcycle,heatpumpcyc

3、le五、本章節(jié)采用多媒體課件六、復習思考題及作業(yè)：1、試以活塞式內(nèi)燃機和定壓加熱燃氣輪機裝置為例，總結(jié)分析動力循環(huán)的一般方法。2、活塞式內(nèi)燃機循環(huán)理論上能否利用回熱來提高熱效率？實際中是否采用？為什么？3、燃氣輪機裝置循環(huán)中，壓縮過程若采用定溫壓縮可減少壓縮所消耗的功，因而增加了循環(huán)凈功，但在沒有回熱的情況下循環(huán)熱效率為什么反而降低，試分析之。4、干飽和蒸汽朗肯循環(huán)與同樣初壓下的過熱蒸汽朗肯循環(huán)相比較，前者更接近卡諾循環(huán)，但熱效率卻比后者低，如何解釋此結(jié)果？5、各種實際循環(huán)的熱效率，無論是內(nèi)燃機循環(huán)、燃氣輪機裝置循環(huán)或是蒸汽循環(huán)肯定地與工質(zhì)性質(zhì)有關(guān)，這些事實是否與卡諾定理相矛盾？6、蒸汽動力循

4、環(huán)中，在動力機中膨脹作功后的乏氣被排入冷凝器中，向冷卻水放出大量的熱量q2,如果將乏汽直接送入汽鍋中使其再吸熱變?yōu)樾抡羝?，不是可以避免在冷凝器中放走大量熱量，從而減少對新汽的加熱量q1,大大提高熱效率嗎？這樣的想法對不對？為什么？7、壓縮蒸氣制冷循環(huán)采用節(jié)流閥來代替膨脹機，空氣制冷循環(huán)是否也可以采用這種方法？為什么？8、壓縮空氣制冷循環(huán)采用回熱措施后是否提高其理論制冷系數(shù)？能否提高其實際制冷系數(shù)？為什么？作業(yè)：10-2,10-3,10-7,112,114,116,12-3,12-5第十章氣體動力循環(huán)在學習本意過程中需要掌握三個問題：1）余隙容積對壓氣機產(chǎn)生什么影響？2）壓縮比兀的影響如何？如有

5、矛盾采用什么方法解決？3）請說明多級壓縮級問冷卻原理？10-1分析動力循環(huán)的一般方法動力裝置，制冷裝置和熱泵裝置統(tǒng)稱為熱力裝置。動力裝置的任務(wù)是將熱量通過能量不斷地從系統(tǒng)排向環(huán)境以使系統(tǒng)溫度降到所要求的某一低于環(huán)境溫度的水平，并使該系統(tǒng)溫度保持不變。熱泵裝置的任務(wù)則相反，是將熱量不斷地傳給系統(tǒng)以使系統(tǒng)溫度提高到所要求的某一高于環(huán)境溫度的水平，并使該系統(tǒng)溫度保持不變。在本意中主要給大家介紹動力循環(huán)中的內(nèi)燃機及燃氣輪機的循環(huán)，及它們的熱力性能，揭示能量利用的完善程度和影響其性能的主要因素。動力裝置的實際工作循環(huán)是很復雜的，定量的燃料究竟能產(chǎn)生多少機械能，這與很多實際因素有關(guān)。例如，燃燒狀況，溫差傳

6、熱，摩擦損失，流動阻力，散熱損失等等，這些不可逆因素都會影響動力裝置的工作性能。對于各種動力裝置，不可逆轉(zhuǎn)到是普遍存在的，僅是影響程度不同而已，而且必須具體分析，才有實際意義。在氣體動力循環(huán)中目前所采用的步驟及方法可歸納如下：1）將實際循環(huán)抽象成理想循環(huán)；例：將不可逆燃燒過程用可逆的吸熱過程來代替；將工質(zhì)在發(fā)動機中的不可逆膨脹過程用可逆膨脹過程來代替，等等。2）將簡化的理想可逆循環(huán)表示有p-v圖及T-s圖上；3）對理想循環(huán)進行分析計算，即計算循環(huán)中有關(guān)狀態(tài)點的參數(shù)，與外界交換的熱量及功量，以及循環(huán)熱效率或工作系數(shù)等等；4）定性分析各主要參數(shù)對理想循環(huán)的吸熱量，放熱量，凈功量的影響，進而分析對循

7、環(huán)熱效率的影響，提出提高熱效率的主要措施；5）對理想循環(huán)的主要特點結(jié)果引入必要的修正；6）對實際循環(huán)進行第一及第二定律分析，重點是第一定律分析。Ti在4）中，可利用適用丁理想氣體可逆循環(huán)的熱效率的平均溫度表達式來探討提高循環(huán)熱效率的途徑，即：(101)即要使熱效率增大，必須設(shè)法提高平均吸熱溫度、降低平均放熱溫度在6）的討論中，應(yīng)用熱力學第一定律進行能量轉(zhuǎn)換量的分析時有：可=鞏。=允。嚀其中：7不可逆循環(huán)中實際作功量和循環(huán)加熱量之比，為該循環(huán)的內(nèi)部熱效率;1T。-T；以T1為高溫熱源，T。為低溫熱源時卡諾循環(huán)熱效率;吁一一與實際循環(huán)相應(yīng)的內(nèi)部可逆循環(huán)的熱效率；（=乂）相對熱效率，是考慮了內(nèi)部可逆

8、理論循環(huán)因與高、低溫熱源存在溫差時造成的損失；n循環(huán)相對內(nèi)部效率，是循環(huán)中實際功量和理論功量之比，反映了內(nèi)部摩擦引起的損失。應(yīng)用第二定律時，采用嫡產(chǎn)及有效能損失的分析方法：n即：I=T/Sg（102）i=1.過程的嫡產(chǎn)能反映過程不可逆性的程度及作功能力損失的大小，因此，對整個動力裝置逐一分析各設(shè)備的嫡產(chǎn)，即可找出不可逆性程度最大的薄弱環(huán)節(jié)，指導實際循環(huán)的改善。同時，也以作功能力損失與循環(huán)最大作功能力之比表示損失的大小：IWm其中，Wmax=(1-手)QiT1分析循環(huán)的不可逆損失也可采用用方法，設(shè)備或系統(tǒng)的用效率用有效用用效率考慮了從供給能量的最大作功能力中獲得的效果，是從能量的質(zhì)和量兩方面來評

9、價熱力系統(tǒng)熱力學完善程度的參數(shù)。10-2活塞式內(nèi)燃機實際循環(huán)的簡化1、活塞式內(nèi)燃機的實際循環(huán)以四沖程的柴油機為例：在實際過程中，柴油機活塞運行如下：01：活塞右行的吸氣過程，到達1點（下死點），進氣閥關(guān)閉；1-2:活塞左行到上死點之前的2,柴油噴入汽缸；2-2:噴入的柴油需有一個滯燃期后才燃燒，且柴油機轉(zhuǎn)速較高，所以當活塞運行到接近上止點2時柴油燃燒；2-3:燃料燃燒過程，接近定容過程，且活塞到達3- 上死點3點后，準備右行；4:燃燒繼續(xù)進行，氣缸的內(nèi)壓力幾乎不變，接近定容，在4點氣體溫度可達1700C0_1800C;4- 5:活塞右行膨脹，實現(xiàn)高壓氣體膨脹作功，同時向氣缸夾套的冷卻水放熱，因

10、此為不完全絕熱過程。5- 1:5點，氣體壓力約為0.30.5MPa,0500C,排氣閥打開，此時氣缸內(nèi)的壓力突然下降，因此接近定容過程；1-0:活塞左行，廢氣在壓力稍高丁大氣壓時排向大氣，并完成一個循環(huán)。所以從以上分析看，實際的柴油機循環(huán)是比較復雜的，為了便丁理論分析，必須忽略一些將要因素，引入“空氣標準假設(shè)”對實際循環(huán)加以合理的抽象和概括，并按照不同的燃燒方式歸納成三類理想循環(huán)：定容加熱理想循環(huán)、定壓加熱理想循環(huán)和混合加熱理想循環(huán)，也稱為：奧托循環(huán)、狹塞爾循環(huán)、薩巴德循環(huán)。這里所說的“空氣標準假設(shè)”是指：把實際開口循環(huán)看作是閉式的以空氣為工質(zhì)的理想循環(huán)。2、活塞式內(nèi)燃機的合理簡化歸納起來主要

11、為：1）將燃料燃燒回執(zhí)工質(zhì)的過程看成是自然熱源吸入同樣數(shù)量的可逆加熱過程；排氣放熱過程看成向冷源放出同樣數(shù)量熱量的可逆放熱過程；2) 忽略實際過程中的摩阻及進、排氣閥的節(jié)流損失；以上將實際循環(huán)就理想化為一個定質(zhì)量的閉口可逆循環(huán)；。3) 將有熱交換的壓縮及膨脹過程作可逆絕熱處理，以空氣性質(zhì)代替燃氣性質(zhì)，按定比熱容的理想氣體作熱力分析。所以理想的四沖程柴油機循環(huán)就簡化成右圖所示的p-v圖表示的過程:P+.簡代詢算并提供一種往MMEP表示，定義為：復式發(fā)動機的比較手段，工程界引進平均有效壓力的概MEP這里沖程指：上同到下*循環(huán)凈功循環(huán)凈功活塞排量活塞面積沖程止點的距離。10-3活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)

12、1、混合加熱理想循環(huán)(定容燃燒+定壓燃燒)(1) 表征混合加熱循環(huán)的特征參數(shù)壓縮比：=V2定容增壓比：入=墮P2定壓預脹比：p=V4V(2) 循環(huán)中各過程的熱量及功量：1- 2:絕熱壓縮過程：T2vik-1k-12- q=o=()nT2=TT1V23:定容吸熱過程：q1(2-3)=2)34:定壓吸熱過程：(薩巴德循環(huán))入2=入1-14- qi(3-4)-Cp(T4-T3)5:絕熱膨脹過程：5- 1:定容放熱過程：丁4V4K-1=pn14=p3=pAT3V3q2(5-i)=Cv(T5-Ti)循環(huán)凈功：wnet=qi-q2=qi(2-3)qi(3-4)-q2(5-1)Wnet】q2】Cv(T5-T

13、i)】丁5江*=I=I=IqiqiCv(T3-T2)CpEF(T3-T2)NT4-T3)若用特征參數(shù)表示，則進一步對上式進行簡化：.i2及4-5為定嫡過程：kkkkPiVi=P2V2P4V4=P5V5又，p4=p3Vi=V5V2=V3P5V5kP4V4kP5P4V4kP5(55k44k544k5)()=()()()PiViP2V2PiP2V2PiP3P2V4kk，()=入，pV3.5一i時:T5p5.k一=入，p=I5TiPi=Ti、*、將以上各溫度代入咋表達式中有:=i(入ki入k-i入kpi廣)k(p*七-入?yún)s)一-廣(入-i)kXp-i)亦即，柴油機混合理想循環(huán)熱效率隨壓縮比汗當和定容增

14、壓比入=蟲的增大而提高,V2P2隨預脹比p=也的增大而降低。另外，受強度機械效率等實際因素的影響，柴油機的V3壓縮比不能任意提高，實際柴油機的壓縮比一般在c=i320范圍內(nèi)變化。2、定壓加熱理想循環(huán)(狹塞爾循環(huán))(無定容加熱過程)如i0-2中介紹的高增壓柴油機，一邊膨脹，一邊燃燒，整個燃燒過程氣體壓力基本保持不變，省去i中2-3定容吸熱過程。如下圖所示。2,絕熱壓縮：q=011=(里廣1=1nT2=Ti1TiV223,定壓加熱：q=Cp(T3-T2)=pnT3=p5=Tp留T2V23-4,絕熱膨脹:4-1,定容放熱：q2=Cv(T4-L)q1-q2cp(T3-T2)-cv(T4-T1)k(T3

15、-T2)-(T4-T1),T4-T1*=1-q1Cp(T3-T2)S3-T2)旺叫用特征參數(shù)可表小為:k1p-1=1-kk-1(p1)即與隨增大而增大，隨p的增大而減小。3、定容加熱理想循環(huán)（奧托循環(huán)）如煤氣機、汽油機的燃燒過程可近似看成定容加熱。在循環(huán)中2-3為定容加熱過程:q1=Cv(T3-T2)34為定嫡膨脹過程:4-1為定容放熱過程:q2=Cv(T4-L)12為定炳壓縮過程:qiT3-T2k-Ik-13-4:院）k-1.過程23及過程41為定容過程,v2=v3v4=v1上式表明：定容加熱理想循環(huán)的熱效率依壓縮比而定，且隨的增大而提高，但由丁汽油機在吸氣過程中吸入氣缸的是空氣汽油的混合物

16、，受混合氣體自燃溫度的限制，壓縮比乂不能任意提高，一般限定在c=512的范圍內(nèi)；循環(huán)熱效率也與指數(shù)k有關(guān)，且k值隨氣體溫度增大而減小，使減低例：內(nèi)燃機定容加熱理想循環(huán)如圖所示。若已知壓縮初溫和循環(huán)的最高溫度，求循環(huán)凈功達到最大時T2、T4及此時熱效率各為多少?解：先尋找未知溫度T2、T4與已知溫度Ti、之間的關(guān)系。,過程1一2和過程34是定痼過程，于是：1-2:而定容加熱循環(huán)時，循環(huán)凈功wnet為:Wnet=Cv(T32)-Cv(T4-T1)=*2)0=1)T2將（1）式代入上式，并要使循環(huán)凈功wnet為最大時，則有:.有:dWn=0,即:dT2-cv_1-CvE2=T2T22F3即:T2=.

17、T1T3將此結(jié)果代入（1）式得:TT1T3則此循環(huán)熱效率為:*=1虺q1=1-T4-T1T3-T2=1、10-4活塞式內(nèi)燃機各種理想循環(huán)的熱力學比較對各種理想循環(huán)熱效率作比較時，必須要有一個共同的標準，一般在初始狀態(tài)相同的情況下，分別以壓縮比、吸熱量、最高壓力和最高溫度相同作為比較基礎(chǔ)，且在T-s圖上最為簡便。1、相同壓縮比，相同吸熱量qi時的比較在右圖中：123-4-1為定容加熱，122341為混合加熱，123-4-1為定壓加熱。又鞏=1-vAmp=,；.23562q2m=14561定壓過程:q2p=14561在上述結(jié)論中，回避了不同機型應(yīng)彩不同壓縮比的問題，但實際上，由丁采用不同的燃料，壓

18、縮比應(yīng)取不同值，顯然這一標準與實際情況不完全符合。2、最高循環(huán)壓力和最高循環(huán)溫度相同時的比較這種比較實質(zhì)上是熱力強度和機械強度相同情況下的比較。在右圖中，123-4-1是定容加熱理想循環(huán)；1-233-4-1為混合加熱理想循環(huán)，12二3-4-1為定壓加熱理想循環(huán)。從圖中可以看出：.23642233652.：23651即：q,pq1,m3伯而：q2,p=q2,m=q2,v所以有結(jié)論：在進氣狀態(tài)相同、循環(huán)的最高壓力和最高溫度相同的條件下，定壓加熱理想循環(huán)的熱效率最高，混合加熱理想循環(huán)次之，而定容加熱理想循環(huán)最低。這是符合實際的。事實上，柴油機的熱效率通常高丁汽油機的熱效率。10-6燃氣輪機裝置循環(huán)1

19、、燃氣輪機裝置簡介燃燒室燃氣輪機的動力裝置由壓氣機、燃燒室和燃氣機三個基本部件人組成，和內(nèi)燃機循環(huán)中各個過程都在氣缸內(nèi)不同，燃氣輪機裝置中工質(zhì)在不同設(shè)備間流動完成循環(huán)。其簡單流程如圖所示：空氣首先進入壓氣機內(nèi)，壓縮到一定壓力后送入燃燒室，和噴入的燃油混合后進行燃燒，產(chǎn)生高溫燃氣，并與燃燒室剩余空氣混合后，進入燃氣輪機的噴管，膨脹加速而沖擊燃氣輪機的葉片對外作功。作功后的廢氣排入大氣。而燃氣輪機所作功的一部分用丁帶動壓氣機，其余部分（稱為凈功）對外輸出，用丁帶動發(fā)電機或其它負載。燃氣輪機是一種旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機，設(shè)有往復運動部件以及由此引起的不平衡性力，故可以設(shè)計成很高的轉(zhuǎn)速，并且工作過程是連續(xù)的

20、。因此，它可以在重量和尺寸都很小的情況下發(fā)出很大的功率。目前，燃氣輪機裝置在航空器、艦船、機車、峰負電站等部門得到廣泛應(yīng)用。1- 2、燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環(huán)一一布雷頓循環(huán)2:絕熱壓縮（壓氣機）3:定壓加熱（燃燒室）4:絕熱膨脹（燃氣輪機）1:定壓放熱其熱效率：循環(huán)吸收的熱量：q1=cp（T3-T2）循環(huán)放出的熱量：q2=Cp（T4-Ti）=1-=1-T4-T1P1qiT-T1T3-T2則由各過程特征有:=(P2k-1=(P3k-1k-1P4T47tT4I-MT3-T2TiTi(T4-1)=i-4=i-n-lT2(T3-1)丁2/I2上式表明：布雷頓循環(huán)的熱效率取決丁循環(huán)增壓比兀=衛(wèi)2，且

21、隨兀的增大而提局。Pi而對丁增壓比兀的選擇還應(yīng)考慮它對循環(huán)凈功Wnet的影響。循環(huán)凈功Wnet的求法如下:Wnet=qi-q2=Cp(T3-T2)-Cp(T4-Ti)=CpTi(；3-；4-：2i)IiTiTi=CpTi(T3*A,i)TiT3TiTiT3T=TiWnet=CpTi(i-kk-iT-Ttk-Ttk+i)上式表明：在一定溫度范圍Ti、T3骨，循環(huán)凈功量僅僅是增壓比的函數(shù)，將循環(huán)凈功對增壓比求導并令導數(shù)為零，即：dWnet=Qdu則得使循環(huán)凈功達到最大值時的最佳增壓比為:kk財=Y2(k-i)=(?)”)Ti此時:Wnenta云CpRT；-、T)2=CpTi(/；I)2由此可得：對

22、布雷頓循環(huán)，兀值增大，可使咋提高，而為了獲得最大凈功，乂存在最佳的兀值。因此，在選擇燃氣輪機裝置增壓比兀時，熱效率與循環(huán)凈功必須兼顧,以使既有較好的效率，乂能提供較多的循環(huán)凈功。10-7燃氣輪機裝置的定壓加熱實際循環(huán)燃氣輪機實際循環(huán)的各個過程都存在不可逆因素帶來的損失，這里主要考慮壓氣機和燃氣輪機內(nèi)部的不可逆損失。因為工質(zhì)流經(jīng)它們時，通常流速很高，這時流體之間、液體和流道之間的摩擦損失再不能忽略，所以流經(jīng)它們的過程是不可逆絕熱過程,其循環(huán)見右圖中1234所小。為考慮不可逆因素對循環(huán)性能的影響，引入壓氣機絕熱效率加與燃氣輪機相對內(nèi)效率7T來修正。它們的定義分別為:h2-hwcRsw；h2-h1而

23、實際循環(huán)的吸熱量q為:實際循環(huán)的放熱量q2為:實際循環(huán)的凈功wnet為:wne=fWT-wC=wTWth3-h4Wth3-h4h2-h1一Cp(T2-T1)q；=h3-h=h3-h1-21=Cp(T3-l)-pk,sk,sq，=h-h3=h3-T(h3-h4)F=Cp(T31)-TCpE)wh2-h1n-=(h3-h4)n吒，s。，s實際循環(huán)的熱效率可利用已求得的q、q；或wnet求得：即:.q2wnet*=1=1_I_Iq1q1為了要分析影響循環(huán)熱效率的因素，經(jīng)過推導，當工質(zhì)比熱容為定值時，實際循環(huán)的熱效率乂可寫成：T1nn-一11=1-1k-1Z-1吒，s從上式可以看出：（1）提高增溫比i

24、可提高循環(huán)熱效率。但Ti取決丁大氣溫度,而T3受金屆材料耐熱性能的限制，與冶金工業(yè)和材料科學的發(fā)展密切相關(guān)。目前采用高溫合金及氣膜冷卻等措施，T3已高達1200K到1300K。從循環(huán)特性參數(shù)方面來講，這也是提高循環(huán)熱效率的主要方向；（2）提高s和TT,可提高循環(huán)熱效率。TC,s、吁主要取決丁壓氣機和燃氣輪機葉片之間氣流通道的設(shè)計及加工，目前水平為%,s=0.850.90、=0.850.92;（3）影響實際循環(huán)熱效率的因素除I、TC,s外，還有增壓比兀。對一定的I、屁、7T,開始時循環(huán)熱效率隨兀的增加而增大，但達到某一最大值后反而隨兀的增加而降低。有最佳值問題。從以上分析可看出，影響燃氣輪機裝置

25、實際循環(huán)熱效率的因素，與理想循環(huán)有顯著差別。10-8提高燃氣輪機熱效率的其它措施在增溫比和增壓比確定后，進一步提高燃氣輪機裝置的循環(huán)熱效率必須改變循環(huán)，重新組織、安排過程。其中，最有效的措施有：（1）采用回熱；（2）在回熱基礎(chǔ)上，分級壓縮中間冷卻，分級膨脹中間再熱。這些措施，無論是對燃氣輪機裝置的實際循環(huán)，還是理想循環(huán)，都是有效的。下圖即為具有回熱裝置的燃氣輪機裝置的實際循環(huán)，分析（a）所示的實際循環(huán)12341,注意到燃氣輪機排氣溫度丁4通常總是局丁壓氣機出口T2，循環(huán)加熱和放熱過程的溫度變化范圍有交義。利用這個溫度交義段增設(shè)回熱器，進行內(nèi)部回熱，就可以達到提高循環(huán)平均吸熱溫度和降低循環(huán)平均放

26、熱溫度的目的，從而提高循環(huán)的熱效率。0Jll缶）在回熱器中，若燃氣被冷卻到可能的最低溫度T6（=T2），壓縮空氣被加熱到可能的最高溫度T5（=T4），則這種理想情況稱為極限回熱，極限回熱雖然對提高裝置的內(nèi)部效率最為有效，但由丁傳熱必須有溫差，因此無法實現(xiàn)。我們用回熱度b來表示實際的回熱程度，其定義為實際回熱量與理想回熱量的比值，即：(7=h5-2hT5-2Th4-川*-2T通常嚀0.50.7。在對采用了回熱措施的循環(huán)進行能量分析和計算時要注意吸熱過程、放熱過程初、終態(tài)變化，至丁計算方法與不采用回熱時相同。例：燃氣輪機裝置循環(huán)的T-s圖如下圖所示，若工質(zhì)視為空氣,空氣進入壓氣機的溫度為17C，壓

27、力為l00KPa,循環(huán)增壓比兀=5,燃氣輪機進口溫度為810C,且壓氣機絕熱效率為4.5Kg/s。試計算：在理想極限回熱時，及由于回熱器有溫差O,s=0.85，燃氣輪機相對內(nèi)效率0.88,空氣的質(zhì)量流量傳熱、回熱度嚀0.65時，實際循環(huán)輸出凈功率和循環(huán)熱效率各為多少？解：(1)首先確定各點的狀態(tài)：點1：T1=290Kk-1k-10.4點2：T2=T1(業(yè)注=T1H=290514=459.3(K)P1點2:T2=T2T1工=459.3-290290=489.2(K)rt,s0.85點3：T3=810+27噲1083(K)11點4：T4=T3f=183-0r=683.8(K)Z5百點4：T4=丁3

28、-命(丁34)=1083-0.88x(1083-683.8)=731.7(K)點5：T5=T4=731.7(K)一，,T5-T2_點5：由亦52得：T5=T+BT5-T2)=489.2+0.65x(731.7-489.2)=646.8(K)T5-T2點6：T6=T2=489.2(K)，,T4-T6-點6：由b=46得：T；=T；+0(丁46)=731.7+0.65X(731.7-489.2)=574.1(K)T4-T6(2)理想極限回熱時，實際循環(huán)的凈功率及熱效率：循環(huán)吸熱量為：Q1=qmcP(T3-T5)=4.51004(1083-731.7)=1587.2103(W)=1587.2(KW)

29、循環(huán)放熱量為：Q2=qmcP(T6-T1)=4.51004(489.2-290)=900.0103(W)=900(KW)循環(huán)凈功率為：P=Q1-Q2=1587.2-900.0=687.2(KW)循環(huán)熱效率為：吁=1-&=1-900=43.3%tQ11587.2(3)回熱度為0.65時，實際循環(huán)的凈功率及熱效率:不完全回熱時，循環(huán)的吸熱量為：Qi=qmCp(T3-T5)=4.51.004(1083-646.8)=1970.8(KW)循環(huán)放熱量為：Q2=qmCp(T6-Ti)=4.51.004(574.1-290)=1283.6(KW)循環(huán)凈功率為：Q1-Q2=1970.81283.6=687.2

30、(KW)循環(huán)熱效率為：*=1-Q2=1-1283.6=34.9%Q11970.8可見采用回熱時，循環(huán)凈功率不隨回熱度的改變而改變，但循環(huán)熱效率隨回熱程度的加大而增大。第一章蒸汽動力循環(huán)裝置水蒸氣是工業(yè)上最早使用來作為動力機的工質(zhì)。在蒸汽動力裝置中水時而處丁液態(tài)，時而處丁氣態(tài)。因而蒸汽動力裝置循環(huán)不同丁氣體動力循環(huán)。此外，水和水蒸氣不能燃燒，只能從外界吸收熱量，所以蒸汽循環(huán)必須配備鍋爐，因此裝置設(shè)備也不同丁氣體動力裝置。由丁燃燒產(chǎn)物不參與循環(huán)，故而蒸汽動力裝置可利用各種燃料，如煤、渣油，甚至可燃垃圾。11-1簡單蒸汽動力裝置循環(huán)一一朗肯循環(huán)1、工質(zhì)為水蒸氣的卡諾循環(huán)由第二定律可知，在相同溫限內(nèi)卡

31、諾循環(huán)的熱效率最高，而采用氣體作工質(zhì)的循環(huán)中，定溫過程(加熱及放熱)難以實現(xiàn)，并且氣體絕熱線及等溫線在p-v圖上斜率接近，因此有Wi較小。在采用蒸汽做工質(zhì)時，由丁水的汽化和凝結(jié)，當壓力不變時溫度也不變，因而有了定溫放熱和定溫吸熱的可能。乂因為定溫即是定壓，其在p-v圖上與絕熱線斜率相差較大，因而可提高Wi,所以蒸汽機原則上可采用卡諾循環(huán)，如圖中5-6-7-8-5所而實際的蒸汽動力裝置中不采用上凍循環(huán)，其主要原因有以下幾點:1)在壓縮機中絕熱壓縮85過程難以實現(xiàn);2)徨僅局限丁飽和區(qū)，上限溫度受臨界溫度的限制，故即使實現(xiàn)卡諾循環(huán)，其熱效率也不高；3）膨脹末期，濕蒸汽干度過小，含水分甚多，不利丁動

32、力機安全。所以，實際蒸汽動力循環(huán)均以朗肯循環(huán)為其基礎(chǔ)。2、朗肯（Rankine）循環(huán)朗肯循環(huán)是最簡單也是最基本的蒸汽動力循環(huán)，它由鍋爐、汽輪機、冷凝器和水泵4個基本的、也是主要的設(shè)備組成。右圖中為該裝置的示意圖。水在鍋爐中被加熱汽化，直至成為過熱蒸汽后，進入汽輪機膨脹作功，作功后的低壓蒸汽進入冷凝器被冷凝成水，凝結(jié)后的水在水泵中被壓縮升壓后，再回到鍋爐中，完成一個循環(huán)。汽輪機定幡膨脹定快縮水嵬為了突出主要矛盾，分析主要參數(shù)對循環(huán)的影響，與前述循環(huán)一樣，首先對實際循環(huán)進行簡化和理想化，略去摩阻及溫差傳熱等不可逆因素，理想化后的循環(huán)由右圖（a）所示的熱力過程組成，對應(yīng)的T-s圖如圖（b）所示。朗肯

33、循環(huán)的能量分析與計算如下:循環(huán)的吸熱量:q=hi-l%循環(huán)的放熱量:q2=h2-h3水蒸氣流經(jīng)汽輪機時，對外作出的功為：WT=hi-h2水在水泵中升壓所消耗的功為：Wp=h4-h3由丁水的不可壓縮性，在壓縮過程中的容積變化可以忽略。水泵中升壓p=P4-P3=P1-P2,因此泵功可以用下式近似計算:wp=v、p那么循環(huán)熱效率為:_Wnet_WT-WP_(n-h2)-(h4-h3)吁=qiqihi-h4由丁水泵耗功相對丁汽輪機作出的功而言極小，這樣熱效率可近似表示為：h1-h2n=h1-h4而以上各點的參數(shù)可由已知條件查水和水蒸氣熱力性質(zhì)圖或表得到。3、有摩阻的實際循環(huán)實際上，蒸汽動力裝置中全部過

34、程都是不可逆過程，尤其是蒸汽經(jīng)過汽輪機的絕熱膨脹與理想可逆過程的差別較為顯著，在以下討論中，僅僅考慮到汽輪機中有摩阻損耗的實際循環(huán)。所以在T-s圖中，原來的可逆絕熱過程12由不可逆絕熱過程1-2act所代替，則蒸汽經(jīng)過汽輪機時實際所作技術(shù)功為：Wt,act=IVh2actFhi-h2)-(h2act-h2)少作的功為冷凝器中多排出的熱量(h2act-h2)用表示汽輪機內(nèi)蒸汽實際作功Wgt與理論作功Wt之比，稱為汽輪機的相對內(nèi)效率，日H.Wt,acthi-h2,act尺|J：?twtn-h2h2,ac亍h2十(1-IT)(hl-h2)=h2+(1-TT)兒Aho理想絕熱焰降，h=0.850.92

35、實際循環(huán)凈功Wnet,act為：Wnet=aW;t-Wpt,a-水泵功Wp,act較小，可忽略：-Wnet：；Wtc,ta用n(內(nèi)部循環(huán)熱效率)來表示蒸汽在實際循環(huán)中所作的循環(huán)凈功與循環(huán)中熱源所供給的熱量之比：_Wnet血-原，actT(h1-h2)一一一-nnq加也h1-h2用表示機械效率，則軸功Ws為：Ws=rmWt,a=J%小喝軸功率R為：Ps=mPo=mqD(h1-h2)D蒸汽耗量（kg/s）4、提高蒸汽動力循環(huán)熱效率的途徑和方法（1）蒸汽參數(shù)對熱效率的影響可通過提高蒸汽初態(tài)壓力pi、初溫Ti,降低終參數(shù)P2的辦法來提高吁。當循環(huán)初壓提高（見圖114P300）時，循環(huán)的平均溫差增大。因

36、此熱效率提高。提高蒸汽初溫Ti（見圖11-3P300）,此時：增加循環(huán)的高溫加熱段，使循環(huán)溫差增大，提高了熱效率；提高初溫L,可使終態(tài)2的干度X2增大，這對提高汽輪機的相對內(nèi)效率和延長汽輪機的壽命有利，而降低背壓P2,也是為了增加循環(huán)溫差。然而，初溫度的提高受到金屆材料耐高溫性的限制；終壓P2的降低受到環(huán)境溫度的限制；在初溫提高受到限制的條件下，提高初壓乂會引起排氣干度的降低，危及汽輪機的運行安全。因此引出再熱循環(huán)和回熱循環(huán)，希望通過過程的合理組織，提高能量利用的經(jīng)濟性。（2）再熱循環(huán)所謂再熱循環(huán)，就是蒸汽在汽輪機中膨脹到某一中間壓力時全部引出，進入到鍋爐再熱器中再次加熱，然后再全部回到汽輪機

37、內(nèi)繼續(xù)膨脹作功，再循環(huán)的示意圖及在Ts圖上的表小如圖所小0忽略泵功時，再熱循環(huán)所作的功為：Wt=（h-h5）（h6-h2）循環(huán)加熱量：q=（h-h4）（h6-h5）再熱循環(huán)熱效率：.=性業(yè)舶抑土）q（加-1%）h-l%）從上圖的T-s圖中可以看出，選擇合適的再熱壓力，不僅可以使乏汽干度得到提高,而且由丁附加循環(huán)25-6-2-2提高了整個循環(huán)的平均吸熱溫度，因此還可以使循環(huán)熱效率鞏得到提高。依據(jù)計算及運行經(jīng)驗，最佳中間再熱壓力一般在蒸汽初壓力的20%30%之間。(3) 回熱循環(huán)分析朗肯循環(huán)熱效率不高的原因，主要是平均吸熱溫度不高。而平均吸熱溫度不高的主要原因在丁對水加熱這一段的溫度較低。為了消除

38、或減少這一不利因素的影響,可以利用一部分作過功的蒸汽不加熱給水，即采用抽汽回熱的辦法回熱給水。則:ai-hoihhoi-h4采用一級抽汽、混合式給水加熱器的回熱循環(huán)，如圖所示，顯然，由丁采用了抽汽回熱，工質(zhì)在熱汽(鍋爐)中的吸熱從朗肯循環(huán)的4-1變到51,從而使平均吸熱溫度得到了提高。另外，還可用解析的方法，把一級抽汽回熱循環(huán)的熱效率耳r與無回熱的朗肯循環(huán)熱效率作比較，同樣可以說明采用抽汽回熱循環(huán)可以提高蒸汽動力循環(huán)的熱效率?；責嵫h(huán)的計算，首先要研究室抽汽量ai,右圖是混合式回熱器示意圖，根據(jù)質(zhì)量守包定律和能量守包有：aihoi(l-ag=&忽略泵功時，循環(huán)吸熱量為：q=國也=hi-hoi循環(huán)所作功：Wt=(hi-hoi)(i-ai)(hoi-h2)則循環(huán)熱效率：_W(hi-hoi)(i-ai)(hoi-h2)Tt,R-.qihi-h5以上對一級抽汽回熱循環(huán)的計算，原則上同樣適用丁多級抽汽回熱循環(huán)。各級抽汽量依據(jù)上述方法在各級回熱加熱器能量平衡基礎(chǔ)上確定。另外，回熱加熱除了混合式的，還有一種是表