1、第十、十一、十二章 熱力裝置及其循環(huán)氣（氣體動(dòng)力循環(huán)、蒸汽循環(huán)、制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)）氣 體動(dòng)力循環(huán) 一、目的及要求了解各種內(nèi)燃機(jī)的熱力過(guò)程， 掌握朗肯循環(huán)的熱力循環(huán)過(guò)程， 了解制冷循環(huán)及熱泵循環(huán)的熱力 過(guò)程。二、內(nèi)容：10.1 分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法10.2 活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡(jiǎn)化10.3 活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)10.4 活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較10.5 燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)10.6 燃?xì)廨啓C(jī)裝置的定壓加熱實(shí)際循環(huán)10.7 簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)朗肯循環(huán)10.8 再熱循環(huán)及回?zé)嵫h(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)

2、三、重點(diǎn)及難點(diǎn)：10.1 掌握各種裝置循環(huán)的實(shí)施設(shè)備及工作流程。10.2 掌握將實(shí)際循環(huán)抽象和簡(jiǎn)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(guò)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(jì)算的方法。10.4 會(huì)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(jì)性的具體方法和途徑。四、主要外語(yǔ)詞匯：sabeander cycle, diesel cycle, otto cycle, spark ignition, brayton cycle, gas turbine, rankine cycle, vapor, air standard assu

3、mptions, refrigerator cycle, heat pump cycle 五、本章節(jié)采用多媒體課件六、復(fù)習(xí)思考題及作業(yè)：1、試以活塞式內(nèi)燃機(jī)和定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)裝置為例，總結(jié)分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法。2、活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)理論上能否利用回?zé)醽?lái)提高熱效率？實(shí)際中是否采用？為什么？3、燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)中，壓縮過(guò)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(méi)有回?zé)岬那闆r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(guò)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(shí)際循環(huán)的熱效率，無(wú)論是內(nèi)燃機(jī)循環(huán)、燃?xì)?/p>

4、輪機(jī)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(shí)是否與卡諾定理相矛盾？6、蒸汽動(dòng)力循環(huán)中，在動(dòng)力機(jī)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皇强梢员苊庠诶淠髦蟹抛叽罅繜?量，從而減少對(duì)新汽的加熱量 q1,大大提高熱效率嗎？這樣的想法對(duì)不對(duì)？為什么？7、壓縮蒸氣制冷循環(huán)采用節(jié)流閥來(lái)代替膨脹機(jī)，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?zé)岽胧┖笫欠裉岣咂淅碚撝评湎禂?shù)？能否提高其實(shí)際制冷系數(shù)？為什么？作業(yè)：102， 103， 107， 112， 114， 116， 123， 125第十章

5、 氣體動(dòng)力循環(huán)在學(xué)習(xí)本章過(guò)程中需要掌握三個(gè)問(wèn)題：1）余隙容積對(duì)壓氣機(jī)產(chǎn)生什么影響？2）壓縮比n的影響如何？如有矛盾采用什么方法解決？3）請(qǐng)說(shuō)明多級(jí)壓縮級(jí)間冷卻原理？§101 分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法動(dòng)力裝置，制冷裝置和熱泵裝置統(tǒng)稱為熱力裝置。動(dòng)力裝置的任務(wù)是將熱量通過(guò) 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。在本章中主要給大家介紹動(dòng)力循環(huán)中的內(nèi)燃機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)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

6、響其性能的主要因素。動(dòng)力裝置的實(shí)際工作循環(huán)是很復(fù)雜的，定量的燃料究竟能產(chǎn)生多少機(jī)械能，這與 很多實(shí)際因素有關(guān)。例如，燃燒狀況，溫差傳熱，摩擦損失，流動(dòng)阻力，散熱損失等 等，這些不可逆因素都會(huì)影響動(dòng)力裝置的工作性能。對(duì)于各種動(dòng)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(shí)際意義。在氣體動(dòng)力循環(huán)中目前所采用的步驟及方法可歸納如下：1）將實(shí)際循環(huán)抽象成理想循環(huán)； 例：將不可逆燃燒過(guò)程用可逆的吸熱過(guò)程來(lái)代替；將工質(zhì)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的不可逆膨脹過(guò) 程用可逆膨脹過(guò)程來(lái)代替，等等。2）將簡(jiǎn)化的理想可逆循環(huán)表示有 p-v圖及T-s圖上；3）對(duì)理想循環(huán)進(jìn)行分析計(jì)算，即計(jì)算循環(huán)中有關(guān)狀

7、態(tài)點(diǎn)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(duì)理想循環(huán)的吸熱量，放熱量，凈功量的影響，進(jìn)而分析對(duì)循 環(huán)熱效率的影響，提出提高熱效率的主要措施；5）對(duì)理想循環(huán)的主要特點(diǎn)結(jié)果引入必要的修正；6）對(duì)實(shí)際循環(huán)進(jìn)行第一及第二定律分析，重點(diǎn)是第一定律分析。Ti在4）中，可利用適用于理想氣體可逆循環(huán)的熱效率的平均溫度表達(dá)式來(lái)探討提高 循環(huán)熱效率的途徑，即：(10 1)即要使熱效率n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(xué)第一定律進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換量的分析時(shí)有：其中：n 不可逆循環(huán)中實(shí)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;Ti

8、以Ti為高溫?zé)嵩矗琓o為低溫?zé)嵩磿r(shí)卡諾循環(huán)熱效率;n 與實(shí)際循環(huán)相應(yīng)的內(nèi)部可逆循環(huán)的熱效率；n （=）相對(duì)熱效率，是考慮了內(nèi)部可逆理論循環(huán)因與高、低溫?zé)嵩创?/ n在溫差時(shí)造成的損失；n 循環(huán)相對(duì)內(nèi)部效率，是循環(huán)中實(shí)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(shí)，采用熵產(chǎn)及有效能損失的分析方法：n即：I 二T。' Sg（10 2）i d過(guò)程的熵產(chǎn)能反映過(guò)程不可逆性的程度及作功能力損失的大小，因此，對(duì)整個(gè)動(dòng)力 裝置逐一分析各設(shè)備的熵產(chǎn)，即可找出不可逆性程度最大的薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)實(shí)際循環(huán) 的改善。同時(shí)，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：Inm a x分析

9、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b表示:有效用提供的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?jī)煞矫鎭?lái) 評(píng)價(jià)熱力系統(tǒng)熱力學(xué)完善程度的參數(shù)。§0 2活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡(jiǎn)化1活塞式內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際循環(huán)以四沖程的柴油機(jī)為例：在實(shí)際過(guò)程中，柴油機(jī)活塞運(yùn)行如下：0 1:活塞右行的吸氣過(guò)程，到達(dá)1點(diǎn)（下死點(diǎn)），進(jìn)氣閥關(guān)閉；1 2'活塞左行到上死點(diǎn)之前的2'柴油噴入汽缸；2'-2:噴入的柴油需有一個(gè)滯燃期后才燃燒，且柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較高，所以當(dāng)活塞運(yùn)行到接近上止點(diǎn) 2時(shí)柴油燃燒；2 3:燃料燃燒過(guò)程，接近定容過(guò)程，且活塞到達(dá) 上死點(diǎn)3

10、點(diǎn)后，準(zhǔn)備右行；3 4:燃燒繼續(xù)進(jìn)行，氣缸的內(nèi)壓力幾乎不變，接近定容，在4點(diǎn)氣體溫度可達(dá)1700°Co1800 C ；4 5:活塞右行膨脹，實(shí)現(xiàn)高壓氣體膨脹作功，同時(shí)向氣缸夾套的冷卻水放熱，因此 為不完全絕熱過(guò)程。51' 5點(diǎn)，氣體壓力約為0.30.5MPa, t500°C,排氣閥打開(kāi)，此時(shí)氣缸內(nèi)的壓力 突然下降，因此接近定容過(guò)程；1'-0:活塞左行，廢氣在壓力稍高于大氣壓時(shí)排向大氣，并完成一個(gè)循環(huán)。所以從以上分析看，實(shí)際的柴油機(jī)循環(huán)是比較復(fù)雜的，為了便于理論分析，必須 忽略一些將要因素，引入“空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)”對(duì)實(shí)際循環(huán)加以合理的抽象和概括，并按 照不同的燃燒

11、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(shuō)的“空氣 標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)”是指：把實(shí)際開(kāi)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(jī)的合理簡(jiǎn)化歸納起來(lái)主要為：1）將燃料燃燒回執(zhí)工質(zhì)的過(guò)程看成是自然熱源吸入同樣數(shù)量的可逆加熱過(guò)程；排氣放 熱過(guò)程看成向冷源放出同樣數(shù)量熱量的可逆放熱過(guò)程；2）忽略實(shí)際過(guò)程中的摩阻及進(jìn)、排氣閥的節(jié)流損失； 以上將實(shí)際循環(huán)就理想化為一個(gè)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(guò)程作可逆絕熱處理，以 空氣性質(zhì)代替燃?xì)庑再|(zhì)，按定比熱容的理想氣體作 熱力分析。所以理想的四沖程

12、柴油機(jī)循環(huán)就簡(jiǎn)化成右圖所示（薩巴德循環(huán)）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：入二23P2定壓預(yù)脹比：V±V3（2）循環(huán)中各過(guò)程的熱量及功量：1 2:絕熱壓縮過(guò)程：q 二 0 T2 二（Vl）k-1 二.t2 二 T1 eT1V22 3:定容吸熱過(guò)程：q1（2-3） =5仃3-丁2）3 4:定壓吸熱過(guò)程：q1(3-4) = Cp 仃4-T3)T4V4k-11 4 p 3 pA| TT3V34 5:絕熱膨脹過(guò)程：q = 051:定容放熱過(guò)程：q 2(5-1) =cv 仃5-T1)循環(huán)凈功：Wnet二qm-q1(2-3)'

13、; q 1(3-4) - q 2(5-1)Wnet1n卜Cv (T5-T1 )T5-T1- 1 -qiqiCv(T3-T2 ) ' Cp (T4-T3)(T3-T2) k(T4-T3)若用特征參數(shù)表示，則進(jìn)一步對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化: 1 2及4 5為定熵過(guò)程：kP1V1k二 P2V2kP4V4:k二 P5V5又P4 二 P3V1 *5V2=V3/ P5 Vs k/ P4、kP5P4V4 kP5P3 Va k()()=()() >（一）二-()_ 入P1V1P2V2P1P2V2P1P2V35 1時(shí)：T5P5,人T1P1k -P =T5 二7 k .入 p將以上各溫度代入-n表達(dá)式中有：n

14、 = 1-k-1k-1(A£ - T )入P1k( pr£-入1 -k-1T)入k-1T-1 (入-1) k X p-1 )亦即，柴油機(jī)混合理想循環(huán)熱效率隨壓縮比 汙V和定容增壓比 店色的增大而提高,V2P2隨預(yù)脹比p二V±的增大而降低。另外，受強(qiáng)度機(jī)械效率等實(shí)際因素的影響，柴油機(jī)的V3壓縮比不能任意提高，實(shí)際柴油機(jī)的壓縮比一般在& =1320范圍內(nèi)變化。2、定壓加熱理想循環(huán)（狹塞爾循環(huán)）（無(wú)定容加熱過(guò)程）如§10-2中介紹的高增壓柴油機(jī)，一邊膨脹，一邊燃燒，整個(gè)燃燒過(guò)程氣體壓力 基本保持不變，省去1中2 3定容吸熱過(guò)程。如下圖所示。1 2,絕熱

15、壓縮：q = 0T2Vi k-1k-1k-1() 二 £= I 2 = l £T1V22 3,定壓加熱： q1 =Cp(T3-T2)T3T2V1= p_： 丁3= pT=p£V23 4,絕熱膨脹:cT4/v 3 k-1q =0-=(一)T3v-4 1,定容放熱:q2 - Cv(T4-T1)Cp(T3-T2) -Cv(T4-T1)MT3-T2)-(T4-T1)T4-T1Cp(T3-T2)k(T3-T2)=1 -k(T3-T2)用特征參數(shù)可表示為:即日隨£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(jī)、汽油機(jī)的燃燒過(guò)程可近似看成定容加

16、熱在循環(huán)中2 3為定容加熱過(guò)程：q Cv (T3-T2)3 4為定熵膨脹過(guò)程：q = 04 1為定容放熱過(guò)程：q2二5 (T4-T1)1 2為定熵壓縮過(guò)程:2qiik-1£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 于汽油機(jī)在吸氣過(guò)程中吸入氣缸的是空氣 汽油的混合物，受混合氣體自燃溫度 的限制，壓縮比又不能任意提高，一般限定在 & = 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 n減低例：內(nèi)燃機(jī)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(dá)到最大 時(shí)T2、T4及此時(shí)熱效率

17、各為多少？解：先尋找未知溫度 T2、T4與已知溫度Ti、T3 之間的關(guān)系。過(guò)程1 2和過(guò)程3 4是定熵過(guò)程，于是：1-2 :（今1T2V13 4:上珂竺廣1T4V3過(guò)程2 3及過(guò)程4 1為定容過(guò)程,V2 = V3 V4 = v有T4（1）而定容加熱循環(huán)時(shí)，循環(huán)凈功Wnet為:t3Wnet - q1 -q2 = Cv（T3-T2）- Cv（T4-T1 ） = Cv（T3-T2 ） - Cv（T1-T1）T2將（1）式代入上式，并要使循環(huán)凈功Wnet為最大時(shí)，則有:有:dWnetdT2=0，即:-CvCvT 1T3=0即：T = T1T3將此結(jié)果代入（1）式得:T4 二 T1T3則此循環(huán)熱效率為:

18、1-q1T4-T1T3-T2§0 4活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較對(duì)各種理想循環(huán)熱效率作比較時(shí)，必須要有一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)，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(jiǎn)便。1、相同壓縮比&，相同吸熱量qi時(shí)的比較在右圖中：1 2 3 4 1為定容加熱，1 2 2' 3' 4' 1為混合加熱，1 2 3' 4' 1為定壓加定壓過(guò)程：q2p -鋼4''5''61在上述結(jié)論中，回避了不同機(jī)型應(yīng)彩不同壓縮比的問(wèn)題，但實(shí)際上，由于采用不 同的燃料，

19、壓縮比£應(yīng)取不同值，顯然這一標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際情況不完全符合。2,T022、最高循環(huán)壓力和最高循環(huán)溫度相同時(shí)的比較 這種比較實(shí)質(zhì)上是熱力強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度相同情況下的 比較。在右圖中，1 2 3 4 1是定容加熱理想循環(huán)； 1 2' 3' 3 4 1為混合加熱理想循環(huán)，1 2'3 4 1為定壓加熱理想循環(huán)。從圖中可以看出：2'3642"233652'23651即：q1,p71,m - q1,v而：q2,p二 q2,m 二 q2,v“.，n , m ”，v所以有結(jié)論：在進(jìn)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

20、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(shí)際的。事實(shí)上，柴油機(jī)的熱效率通常高于汽油機(jī)的熱效率。§0- 6燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)1、燃?xì)廨啓C(jī)裝置簡(jiǎn)介燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力裝置由壓氣機(jī)、 燃燒室和燃?xì)?機(jī)三個(gè)基本部件人組成，和內(nèi)燃機(jī)循環(huán)中各個(gè)過(guò)程 都在氣缸內(nèi)不同，燃?xì)廨啓C(jī)裝置中工質(zhì)在不同設(shè)備 間流動(dòng)完成循環(huán)。其簡(jiǎn)單流程如圖所示：空氣首先進(jìn)入壓氣機(jī)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(jìn) 行燃燒，產(chǎn)生高溫燃?xì)猓⑴c燃燒室剩余空氣混合后，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的噴管，膨脹加 速而沖擊燃?xì)廨啓C(jī)的葉片對(duì)外作功。作功后的廢氣排入大氣。而燃?xì)廨啓C(jī)所作功的一 部分用于帶動(dòng)壓氣機(jī)，其余部分（稱為

21、凈功）對(duì)外輸出，用于帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或其它負(fù)載。燃?xì)廨啓C(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件以及由此引起的不平衡性 力，故可以設(shè)計(jì)成很高的轉(zhuǎn)速，并且工作過(guò)程是連續(xù)的。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?xì)廨啓C(jī)裝置在航空器、艦船、機(jī)車、峰負(fù) 電站等部門得到廣泛應(yīng)用。2、燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)一一布雷頓循環(huán)1- 2:絕熱壓縮（壓氣機(jī)）2- 3:定壓加熱（燃燒室）3- 4:絕熱膨脹（燃?xì)廨?機(jī)）4- 1:定壓放熱其熱效率：循環(huán)吸收的熱量：q, =cp（T3-T2）循環(huán)放出的熱量：q2 =Cp（T4-T,）*亞qiT3-T2又P2TiPi則由各過(guò)程特征有:k-1&

22、;k-1/）匸P4T4k-1T4T4-T1T3-T2Ti(T4 -1)11T2*-1)I 2上式表明：布雷頓循環(huán)的熱效率取決于循環(huán)增壓比“衛(wèi)2，且隨n的增大而提高P1而對(duì)于增壓比n的選擇還應(yīng)考慮它對(duì)循環(huán)凈功 Wnet的影響。循環(huán)凈功Wnet的求法如下：Wnet=Cp (T3-T2 ) - Cp(T4-T1 )Wnet =CpT1( T-nk-nk - 1)1-kk-1上式表明：在一定溫度范圍 T1、T3骨，循環(huán)凈功量?jī)H僅是增壓比的函數(shù)，將循環(huán)凈功 對(duì)增壓比求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)為零，即：dWnet = 0則得使循環(huán)凈功達(dá)到最大值時(shí)的最佳增壓比為:nopt 二 Tk/2(k-1)此時(shí)：Wnet,max 二

23、 CpC.T3-.T1)2 二 Cp(、韻)2由此可得：對(duì)布雷頓循環(huán)，n值增大，可使n提高，而為了獲得最大凈功，又存 在最佳的n值。因此，在選擇燃?xì)廨啓C(jī)裝置增壓比 n時(shí)，熱效率與循環(huán)凈功必須兼顧, 以使既有較好的效率，又能提供較多的循環(huán)凈功。§0- 7燃?xì)廨啓C(jī)裝置的定壓加熱實(shí)際循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際循環(huán)的各個(gè)過(guò)程都存在不可逆因素帶來(lái)的損失，這里主要考慮壓氣 機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部的不可逆損失。因?yàn)楣べ|(zhì)流經(jīng)它們時(shí)，通常流速很高，這時(shí)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(guò)程是不可逆絕熱過(guò)程, 其循環(huán)見(jiàn)右圖中1 2' 3 4'所示。為考慮不可逆因素對(duì)循環(huán)性能的

24、影響，弓|入壓氣 機(jī)絕熱效率n,s與燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率 n來(lái)修正。它們的定義分別為：Wch2 -h-|Wt ' 人3比4n,sn :Wc' h2-hiwth3-h4而實(shí)際循環(huán)的吸熱量 qi'為：qi' =h3-h2 =3巾1-匹 =Cp（T3-Ti）-_Cp。2衛(wèi)n , sn , s實(shí)際循環(huán)的放熱量q；為：q?'八4比3二h3- T（h3-h4）-hi二Cp（T3-Ti）-山卩仏兀）實(shí)際循環(huán)的凈功Wnet'為：Wch2-hiWn e =t Wt -Wc = Wt n -（人3巾4）n -n , sn , s實(shí)際循環(huán)的熱效率可利用已求得的q；、q；

25、或Wnet'求得：即：彳 q*Wnet'n 二i-一qi'qi'為了要分析影響循環(huán)熱效率的因素，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，當(dāng)工質(zhì)比熱容為定值時(shí)，實(shí)際循環(huán)的 熱效率又可寫(xiě)成：Tik-i nn k冗n,sT-ink-i從上式可以看出：（i）提高增溫比t可提高循環(huán)熱效率。但Ti取決于大氣溫度, 而T3受金屬材料耐熱性能的限制，與冶金工業(yè)和材料科學(xué)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(dá)i200K到i300K。從循環(huán)特性參數(shù)方面來(lái)講， 這也是提高循環(huán)熱效率的主要方向；（2）提高n,s和n，可提高循環(huán)熱效率。吒&、n主 要取決于壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片之間氣流通

26、道的設(shè)計(jì)及加工，目前水平為n,s =0.850.90、n =0.850.92 ; （3）影響實(shí)際循環(huán)熱效率的因素除 t、n,s外，還有增壓比冗。對(duì)一定的T、n,s、n，開(kāi)始時(shí)循環(huán)熱效率隨n的增加而增大，但達(dá)到某 一最大值后反而隨n的增加而降低。有最佳值問(wèn)題。從以上分析可看出，影響燃?xì)廨啓C(jī)裝置實(shí)際循環(huán)熱效率的因素，與理想循環(huán)有顯 著差別。§0- 8提高燃?xì)廨啓C(jī)熱效率的其它措施在增溫比和增壓比確定后，進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置的循環(huán)熱效率必須改變循環(huán)， 重新組織、安排過(guò)程。其中，最有效的措施有：（1）采用回?zé)幔唬?）在回?zé)峄A(chǔ)上，分級(jí)壓縮中間冷卻，分級(jí)膨脹中間再熱。這些措施，無(wú)論是對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)

27、裝置的實(shí)際循 環(huán)，還是理想循環(huán)，都是有效的。下圖即為具有回?zé)嵫b置的燃?xì)廨啓C(jī)裝置的實(shí)際循環(huán)，分析（ a所示的實(shí)際循環(huán)i 2' 3 4'一 1，注意到燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度 T4'通常總是咼于壓氣機(jī)出口 T2，循環(huán)加熱 和放熱過(guò)程的溫度變化范圍有交叉。禾I用這個(gè)溫度交叉段增設(shè)回?zé)崞鳎M(jìn)行內(nèi)部回?zé)幔?就可以達(dá)到提高循環(huán)平均吸熱溫度和降低循環(huán)平均放熱溫度的目的，從而提高循環(huán)的 熱效率。0 Jll（b）在回?zé)崞髦校羧細(xì)獗焕鋮s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?zé)幔瑯O限回?zé)犭m然對(duì)提高裝置的內(nèi)部效率最為有效，但由于

28、傳熱必須有溫差，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)。我們用回?zé)岫菴來(lái)表示實(shí)際的回?zé)岢潭龋涠x為實(shí)際回?zé)崃颗c理想回?zé)崃康谋戎担矗篽5' -2'h T5 -2'T(X =hj -2'h T4' -2'T通常o=0.50.7。在對(duì)采用了回?zé)岽胧┑难h(huán)進(jìn)行能量分析和計(jì)算時(shí)要注意吸熱過(guò)程、放熱過(guò)程初、 終態(tài)變化，至于計(jì)算方法與不采用回?zé)釙r(shí)相同。為4.5Kg/s。試計(jì)算：在理想極限回?zé)釙r(shí)，及由于回?zé)崞饔袦夭?例：燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)的 Ts圖如下圖所示，若工質(zhì)視為空氣, 空氣進(jìn)入壓氣機(jī)的溫度為 17oC，壓力為100KPa，循環(huán)增壓比n =5，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度為810oC，且壓氣

29、機(jī)絕熱效率 n,s =0.85，燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率 n = 0.88，空氣的質(zhì)量流量傳熱、回?zé)岫?尸0.65時(shí)，實(shí)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(diǎn)的狀態(tài)：點(diǎn)1:=290Kk-1k-10.4點(diǎn)2：T2 =T1( 2)t 二=290 517 =459.3 (K)P1占2'：T2 = T2-T1 T1 = 459.3- 290 290 二 489.2 (K) n,s0.85點(diǎn)3：T3=810 273=1083 (K)點(diǎn)4：1 1T4 二T3F =1083 卞'83.8 (K)c-T.4n5占4：:八、TJ =T3-n(T3-T4)=1083-0.88

30、(1083 -683.8) = 731.7 (K)點(diǎn)5：T5 F=731.7 (K)點(diǎn)5：亠T5'-T2'由 o 二得：T5' -T2'o(T5-T2') =489.2 0.65 (731.7 -489.2) =646.8 (K)T5-T 2點(diǎn)6：T6 二T2' =489.2 (K)點(diǎn)6：:亠T4'-T6'由得：T6' =T4'o(T4'-T6H 731.7 0.65 (731.7 - 489.2) = 574.1 (K)T4 '-T6(2)理想極限回?zé)釙r(shí)，實(shí)際循環(huán)的凈功率及熱效率：循環(huán)吸熱量為：Q

31、i =qmCp(T3-T5) =4.5 1004 (1083-731.7)=1587.2 103 (W) =1587.2 (KW)循環(huán)放熱量為：Q2 二 qmcp(T6-T1 4.5 1004 (489.2- 290) = 900.0 103 (W)二 900(KW)循環(huán)凈功率為：p=1587.2 -900.0 =687.2 (KW)循環(huán)熱效率為:900=43.3%1587.2（3）回?zé)岫葹?.65時(shí)，實(shí)際循環(huán)的凈功率及熱效率:不完全回?zé)釙r(shí)，循環(huán)的吸熱量為：Q； =qmcp 仃3-T5') =4.5 1.004 (1083-646.8) =1970.8 (KW)循環(huán)放熱量為：Q2

32、9; =qmcp仃6'-TJ=4.5 1.004 (574.1 -290) =1283.6 (KW)循環(huán)凈功率為：P = Q1'-Q2' =1970.8 _1283.6 =687.2 (KW)循環(huán)熱效率為：“ =1-乞 詔-竺占=34.9%Q1'1970.8可見(jiàn)采用回?zé)釙r(shí)，循環(huán)凈功率不隨回?zé)岫鹊母淖兌淖儯h(huán)熱效率隨回?zé)岢潭鹊募哟蠖龃蟆５谝徽抡羝麆?dòng)力循環(huán)裝置水蒸氣是工業(yè)上最早使用來(lái)作為動(dòng)力機(jī)的工質(zhì)。在蒸汽動(dòng)力裝置中水時(shí)而處于液 態(tài)，時(shí)而處于氣態(tài)。因而蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)不同于氣體動(dòng)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

33、，因此裝置設(shè)備也不同 于氣體動(dòng)力裝置。由于燃燒產(chǎn)物不參與循環(huán)，故而蒸汽動(dòng)力裝置可利用各種燃料，如 煤、渣油，甚至可燃垃圾。§1-1簡(jiǎn)單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)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(guò)程(加熱及放熱)難以實(shí)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(shí)，由于水的汽化和凝結(jié)，當(dāng)壓力不變時(shí)溫度也不變，因而有 了定溫放熱和定溫吸熱的可能。又因?yàn)槎丶词嵌▔海湓趐-v圖上與絕熱線斜率相差 較大，因而可提高Wi，所以蒸汽機(jī)原則上可采用卡諾循環(huán)，如圖中5-6-7-8-5所

34、示。而實(shí)際的蒸汽動(dòng)力裝置中不采用上凍循環(huán)，其主要原因有以下幾點(diǎn)：2)徨僅局限于飽和區(qū)，上限溫度受臨界溫度的限制，故即使實(shí)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(guò)小，含水分甚多，不利于動(dòng)力機(jī)安全。所以，實(shí)際蒸汽動(dòng)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(jiǎn)單也是最基本的蒸汽動(dòng)力循環(huán)， 它由 鍋爐、汽輪機(jī)、冷凝器和水泵4個(gè)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(guò)熱蒸汽后，進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹作功，作功后 的低壓蒸汽進(jìn)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(gè)循環(huán)。為了突出主要矛盾，

35、分析主要參數(shù)對(duì)循環(huán)的影響，與前述循環(huán)一樣，首先對(duì)實(shí)際 循環(huán)進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)程組成，對(duì)應(yīng)的 T-s圖如圖（b）所示。汽輪機(jī)定點(diǎn)脹定爛壓縮水叢（a）循環(huán)的吸熱量:qi = h1-h4循環(huán)的放熱量:q2 二 h2-h3水蒸氣流經(jīng)汽輪機(jī)時(shí)，對(duì)外作出的功為:Wt 二 hi-h?水在水泵中升壓所消耗的功為:Wp 二 h4-h3朗肯循環(huán)的能量分析與計(jì)算如下:由于水的不可壓縮性，在壓縮過(guò)程中的容積變化可以忽略。水泵中升壓p =卩4巾3二P1-P2，因此泵功可以用下式近似計(jì)算：wp =v ：p那么循環(huán)熱效率n為:Wnet _ WT-Wp

36、_ (IVh2)-(h4-h3)q1d-h4由于水泵耗功相對(duì)于汽輪機(jī)作出的功而言極小，這樣熱效率可近似表示為:hi比2nhi-h4而以上各點(diǎn)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(shí)際循環(huán)實(shí)際上，蒸汽動(dòng)力裝置中全部過(guò)程都是不可逆過(guò)程，尤其是蒸汽經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)的絕 熱膨脹與理想可逆過(guò)程的差別較為顯著，在以下討論中，僅僅考慮到汽輪機(jī)中有摩阻 損耗的實(shí)際循環(huán)。所以在 T s圖中，原來(lái)的可逆絕熱過(guò)程 1-2由不可逆絕熱過(guò)程1 -2act所代替，則蒸汽經(jīng)過(guò)汽輪機(jī)時(shí)實(shí)際所作技術(shù)功為：wt,act = h1-h2act = ( A-h2 ) - ( h2act-h2 )少作的功為冷凝器中多

37、排出的熱量(h2act-h2)用n表示汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽實(shí)際作功 Wt,act與理論作功Wt之比，稱為汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率,即:Wt,actWth1-h2,acth1-h2-h2, a c r h2(1- n )(h1-h2) = h2 ' (1- nr )L hoho 理想絕熱焓降，n =0.850.92實(shí)際循環(huán)凈功Wnet,act為：Wn e t raW4 t -Wpt, a水泵功Wp,act較小，可忽略： w n e t / wtc , t a用n (內(nèi)部循環(huán)熱效率)來(lái)表示蒸汽在實(shí)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：_ Wn e t h <-ht2, a 乞 tT

38、f 仆1比2 )nn nq1h1-h2'h1-h2'用n表示機(jī)械效率，則軸功Ws為：ws = rm wt , a=cnm nwt軸功率 Ps為：Ps = nmnrP.二 nm nD(h-h2)D 蒸汽耗量 (kg/s)4、提高蒸汽動(dòng)力循環(huán)熱效率的途徑和方法(1) 蒸汽參數(shù)對(duì)熱效率的影響可通過(guò)提高蒸汽初態(tài)壓力 pi、初溫Ti，降低終參數(shù)P2的辦法來(lái)提高n。當(dāng)循環(huán)初壓提高(見(jiàn)圖11 4P300)時(shí)，循環(huán)的平均溫差增大。因此熱效率提高。 提高蒸汽初溫Ti (見(jiàn)圖11 3P300),此時(shí)：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T1，可使終態(tài)2的干度X2增大，這對(duì)

39、提高汽輪機(jī)的相 對(duì)內(nèi)效率和延長(zhǎng)汽輪機(jī)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屬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，提高初壓又會(huì)引起排氣干度的降低，危及汽 輪機(jī)的運(yùn)行安全。因此引出再熱循環(huán)和回?zé)嵫h(huán)，希望通過(guò)過(guò)程的合理組織，提高能 量利用的經(jīng)濟(jì)性。(2) 再熱循環(huán)所謂再熱循環(huán)，就是蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹到某一中間壓力時(shí)全部引出，進(jìn)入到鍋爐再熱器中再次加熱，然后再全部回到汽輪機(jī)內(nèi)繼續(xù)膨脹作功， 再循環(huán)的示意圖及在T s圖上的表示如圖所示。忽略泵功時(shí)，再熱循環(huán)所作的功為：Wt =(0巾5)山6巾2)循環(huán)加熱量：q1 =(m-

40、h4)* (h6-h5)再熱循環(huán)熱效率：n =邑=(h1-h5)(h6-h2)q1(0巾4)+(h6-h5)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,而且由于附加循環(huán)2' 5-6-2-2'提高了整個(gè)循環(huán)的平均吸熱溫度，因此還可以使循 環(huán)熱效率n得到提高。依據(jù)計(jì)算及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，最佳中間再熱壓力一般在蒸汽初壓力的 20%30%之間。(3) 回?zé)嵫h(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 高的主要原因在于對(duì)水加熱這一段的溫度較低。為了消除或減少這一不利因素的影響， 可以利用一部分作過(guò)功的蒸汽不加熱給水，即采用抽汽回?zé)岬霓k

41、法回?zé)峤o水。采用一級(jí)抽汽、混合式給水加熱器的回?zé)嵫h(huán)，如圖所示，顯然，由于采用了抽 汽回?zé)幔べ|(zhì)在熱汽(鍋爐)中的吸熱從朗肯循環(huán)的 41變到5- 1,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(jí)抽汽回?zé)嵫h(huán)的熱效率n,R與無(wú)回?zé)岬睦士涎h(huán)熱效率n作比較，同樣可以說(shuō)明采用抽汽回?zé)嵫h(huán)可以提高蒸汽動(dòng)力循 環(huán)的熱效率。0匸旬昨014lkg回?zé)嵫h(huán)的計(jì)算，首先要研究室抽汽量a!，右圖是 混合式回?zé)崞魇疽鈭D，根據(jù)質(zhì)量守恒定律和能量守恒有：則:aiho1 - (1-ai)h4 譏'ai -hoi-h4忽略泵功時(shí)，循環(huán)吸熱量為：q hi-h hi-hoi'循環(huán)所作功：wt =(hi-hoi) (i-ai)(hoi-h2)則循環(huán)熱效率：Wt(hi-hoi) +(i-ai)(hoi-h2)n，R qihi-hs以上對(duì)一級(jí)抽汽回?zé)嵫h(huán)的計(jì)算，原則上同樣適用于多級(jí)抽汽回?zé)嵫h(huán)。各級(jí)抽 汽量依據(jù)上述方法在各級(jí)回?zé)峒訜崞髂芰科胶饣A(chǔ)上確定。另外，回?zé)峒訜岢嘶旌?式的，還有一種是表面式的，即抽汽與冷凝水不直接接觸，通過(guò)換熱器壁面交換熱量例：在朗肯循環(huán)中，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)