（热能工程专业论文）布雷顿及其联合循环的热力学优化分析.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：许亟为 日期：刎年弓月7 e t 东华大学硕士学位论文 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 日期：m 年弓月f 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密 湃爆 日 指导教师签名：蓄跟武 日期：r 年弓月f 日 东华大学硕士学位论文 布雷顿及其联合循环的热力学优化分析 摘要 本文在系统地了解和总结布雷顿热力循环性能优化研究现状的 基础上，同时在恒温热源条件下，考虑了循环系统中换热器的热阻损 失，以压气机和涡轮机的内效率表示循环系统的内不可逆性，不计管 道和燃烧室的压力损失，通过理论分析和数值计算，对三种有关布雷 顿及其联合循环系统的最优化性能进行了研究，得到了一些具有理论 意义和实用价值的结论。 本文主要由以下三部分组成： 第一部分研究了焦耳布雷顿功热并供循环系统的火用性能。考虑 功和热是不同质的量，第二章首先分析了不可逆中冷模型，以无因次 总输出火用为目标函数，分析了主要性能参数与无因次总输出火用及 火用效率的关系。当压气机和涡轮机的效率处在一定范围内时，基本 模型中添加中间冷却过程将提高原系统的火用效率，并通过优化换热 器的热导率分配，得到了最大无因次总输出火用及其对应的火用效 率。然后以火用效率为目标函数，对不可逆再热模型进行了分析，得 到了最佳热导率分配方案和循环系统的最大火用效率以及相关的优 1 、国家自然科学基金“空调用变频制冷系统非平衡态热动力学研究”，项目编号：5 1 0 7 8 0 6 8 2 、上海自然科学基金“变频热泵系统非平衡定态稳定性研究”，项目编号：1 0 z r l 4 0 1 3 0 0 东华大学硕士学位论文 化设计参数。 第二部分研究了太阳能布雷顿热机的热效率性能。第三章首先建 立了太阳能集热器和不可逆回热布雷顿热机组成的不可逆、回热太阳 能布雷顿热机模型，以总效率目标函数，同时考虑了太阳能集热器的 线性损失模型和辐射损失模型，通过优化太阳能集热器的工作温度和 换热器的热导率分配，得到了最佳的太阳能集热器工作温度和热导率 分配方案以及最大的系统总效率。接着建立了由太阳能集热器和内可 逆中冷、回热布雷顿热机组成的内可逆中冷、回热太阳能布雷顿热机 模型，着重研究了太阳能集热器线性损失模型下的总效率，得到了最 佳的太阳能集热器工作温度，在此基础上，还得到了最佳运行中间压 比。 第三部分研究了布雷顿逆布雷顿联合循环的生态学性能。第四章 以生态学性能系数为优化目标，首先对内可逆模型进行了分析，在给 定一级压缩比的情况下，优化了循环总压比，得到最优的生态学性能。 然后对不可逆模型进行了分析，同样在给定一级压缩比的情况下，优 化了一级膨胀比，得到了当一级膨胀比等于二级膨胀比时，该系统具 有最优的生态学性能，并在此基础上，优化了系统的总压比，得到了 双重最优生态学性能。最后讨论了主要性能参数对联合循环的生态学 性能的影响，并与功率、效率、熵性能进行了比较。 关键词：布雷顿循环；联合循环；不可逆过程；优化 东华大学硕士学位论文 t h eo p t 玎汀a i 。t i l e r m o d y n a m i ca n a l y s i s0 f b r a y t o na n di t sc o m b i n e dc y c l e a b s t r a c t o nt h eb a s i so fu n d e r s t a n d i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fb r a y t o n t h e r m o d y n a m i cc y c l e s ，b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s ，t h i sp a p e rf o c u so nt h e s t u d i e so ft h e r m o d y n a m i co p t i m a lp e r f o r m a n c eo ft h r e et y p e so fb r a y t o n sc o m b i n e dc y c l ew i t h t h ec o n s t a n t - t e m p e r a t u r eh e a t r e s e r v o i r sa n dt h ec o n s i d e r a t i o no f t h eh e a tr e s i s t a n c eo f e x c h a n g e r 、 i r r e v e r s i b l el o s s e si nt h ec o m p r e s s o r sa n dt u r b i n e i tc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gt h r e em a i np a r t s ： t h ef i r s tp a r tc o n c e n t r a t e so nt h ee x e r g yo p t i m i z a t i o no ft h ej o u l e b r a y t o nc o g e n e r a t i o n c y c l e c o n s i d e r i n gt h ew o r ka n dt h eh e a ti s d i f f e r e n c ei nq u a l i t y a tf i r s t ，c h a p t e r2a n a l y z et h e i r r e v e r s i b l ei n t e r c o o l e dm o d e l ，n o n - d i m e n s i o n l e s st o t a lo u t p u to ft h ee x e r g ya st h eo b j e c t i v e f u n c t i o n , t h ei n f l u e n c eo fs o m es p e c i f i cp a r a m e t e r so ft h ec o g e n e r a t i o ns y s t e mo ni t st o t a lo u t p u t o fn o n - d i m e n s i o n a le x e r g ya n de x e r g ye f f i c i e n c yi sd i s c u s s e d w i t h i nt h er a t i o n a lr a n g eo f c o m p r e s s o r se f f i c i e n c ya n dt u r b i n ee f f i c i e n c y , s i m p l em o d e la d dt ot h ei n t e r c o o l e dp r o c e s sw i l l i m p r o v et h ee x e r g ye f f i c i e n c yo ft h eo r i g i n a ls y s t e m t h r o u g ho p t i m i z i n gt h ed i s t r i b u t i o no f t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h eh e a te x c h a n g e lt h em a x i m u mn o n - d i m e n s i o n a le x e r g ya n dt h e c o r r e s p o n d i n g e x e r g ye f f i c i e n c y a r ed e t e r m i n e d t h e na n a l y z et h er e h e a t e dm o d e l ，e x e r g y e f f i c i e n c ya st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n , t h eo p t i m a ld i s t r i b u t i o no ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h eh e a t e x c h a n g e r 、t h ec o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r sa n dt h em a x i m u me x e r g ye f f i c i e n c ya r ed e t e r m i n e d t h es e c o n dp a r tc o n c e n t r a t e so nt h et h e r m a le f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o no ft h es o l a r - d r i v e n b r a y t o nh e a te n g i n e a tf i r s t , c h a p t e r3b u i l d su pt h em o d e l so fs o l a rc o l l e c t o r sa n da ni r r e v e r s i b l e r e g e n e r a t e db r a y t o n h e a t e n g i n e ，o v e r a l le f f i c i e n c y a s t h eo b j e c t i v ef u n c t i o nw i t ht h e c o n s i d e r a t i o no ft h el i n e a rh e a tl o s sa n dt h er a d i a t e dh e a tl o s sm o d e lo fs o l a rc o l l e c t o r s b y o p t i m i z i n gt h eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h es o l a rc o l l e c t o r sa n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h e r m a l c o n d u c t i v i t y , t h eo p t i m u mo p e r a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h es o l a rc o l l e c t o r s 、t h eo p t i m u md i s t r i b u t i o n o ft h e r m a lc o n d u c t i v i t ) rv a l u e sa n dt h em a x i m u mo v e r a l le f f i c i e n c ya r ed e t e r m i n e d t h e nt h e m o d e l so fs o l a rc o l l e c t o r sa n da ne n d o - r e v e r s i b l ei n t e r c o o l e dr e g e n e r a t e db r a y t o nh e a te n g i n ei s 1 1 1 东华大学硕士学位论文 b u i l tu p a n a l y z i n gt h eo v e r a l le f f i c i e n c yu n d e rt h el i n e a rh e a t1 0 s sm o d e lo fs o l a rc o l l e c t o r s ，t h e o p t i m a lo p e r a t i n gt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r er a t i oa r ed e t e r m i n e d t 1 1 et h i r dp a r tc o n c e n t r a t e so nt h ee c o l o g i c a lo p t i m i z a t i o no ft h ec o m b i n e db r a y t o na n d i n v e r s eb r a y t o nc y c l e s c h a p t e r4u s e st h ee x e r g y b a s e de c o l o g i c a lc o e f f i c i e n ta sa no b j e c t i v e f u n c t i o n , a tf i r s t , a n a l y z i n gt h ee n d o - r e v e r s i b l em o d e l t h eo p t i m a le c o l o g i c a lp e r f o r m a n c ei s d e t e r m i n e dt h r o u g ho p t i m i z i n gt h et o t a lp r e s s u r er a t i ow h e nt h ef i r s tl e v e lc o m p r e s s i o nr a t i oa ta g i v e n t h e na n a l y z i n gt h ei r r e v e r s i b l em o d e l ，t h em a x i m u me c o l o g i c a lc o e f f i c i e n ti sd e t e r m i n e d w h e nt h ef i r s tl e v e le x p a n s i o nr a t i oe q u a lt h es e c o n dl e v e l a n do nt h i sb a s i s ，t h ed o u b l eo p t i m a l e c o l o g i c a lp e r f o r m a n c ei s d e t e r m i n e db yo p t i m i m n gt h et o t a lp r e s s u r er a t i o 1 1 1 ee f f e c t so ft h e a b o v ef a c t o r so nt h ee c o l o g i c a lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r ed i s c u s s e d , a n dt h er e s u l t sc o m p a r e 、析t ht h ep o w e r 、t h ee 伍c i e n c ya n dt h ee n t r o p yp e r f o n u a n c e 许益霖( 热能工程) s u p e r v i s e db y董送煎 k e yw o r d s ：b r a y t o nc y c l e ；c o m b i n e dc y c l e ；i r r e v e r s i b l ep r o c e s s ；o p t i m i z a t i o n i v 东华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 主要符号说明v i i 1 引言1 1 1 选题的背景和意义1 1 1 。1 热力循环研究的意义1 1 1 2 热力循环研究的内容2 1 1 3 热力循环研究的新思路3 1 2 布雷顿循环的研究现状3 1 2 1 布雷顿热机的循环模型3 1 2 2 有限时间热力学在热机优化中的应用4 1 2 3 研究方式5 1 2 4 布雷顿及其联合循环的研究现状5 1 3 本文的主要工作8 2 焦耳布雷顿功热并供系统火用优化分析1 0 2 1 引言1 0 2 2 火用分析方法介绍1 0 2 2 1 火用分析的起源及发展1 0 2 2 2 火用的定义及应用11 2 3 不可逆中冷模型火用分析1 1 2 3 1 循环模型1 2 2 3 2 数值算例与讨论1 5 2 3 3 优化1 9 2 4 不可逆再热模型火用分析2 1 2 4 1 循环模型2 1 2 4 2 数值算例与讨论2 4 2 4 3 优化2 7 2 5 本章小结2 9 3 太阳能布雷顿热机优化分析3 0 3 1 引言3 0 3 1 1 太阳能集热器简介3 0 3 1 2 太阳能集热器热效率3 l 3 2 不可逆回热模型分析3 2 3 2 1 循环模型3 2 3 2 2 数值算例与讨论3 4 3 3 内可逆中冷回热模型分析3 9 v 东华大学硕士学位论文 3 3 1 循环模型3 9 3 3 2 集热器的最佳工作温度4 2 3 3 3 数值算例与讨论4 2 3 4 本章小结4 5 4 布雷顿逆布雷顿联合循环生态学优化分析4 6 4 1 引言4 6 4 2 内可逆循环模型分析4 7 4 2 1 循环模型4 7 4 2 2 数值算例与讨论4 9 4 3 不可逆循环模型分析5 3 4 3 1 循环模型5 3 4 3 2 数值算例与讨论5 5 4 4 本章小结6 0 5 结论6 1 5 1 总结6 1 5 2 课题展望6 2 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的论文7 0 致 射7 1 v i 东华大学硕士学位论文 主要符号说明 英文符号 a太阳能集热器面积( m 2 ) c w f热容率( 嘲 c p 定压比热( 1 【j ( k g k ) ) e火用生态学指标 i k 太阳辐射强度( w m 2 ) 集热器损失系数 ( w ( m 2 k ) ) 质量流率( k g s ) 传热单元数 功率( w ) 换热率( w ) 熵( j ( k g k ) ) 热力学温度( k ) 热导率( k w g ) 希腊字母符号 叩 t o 换热有效度 效率 光学效率 v 压比 熵产率s t e f a n - b o l t z m a 常数 5 6 7x10 一w ( m 2 k 4 1 温比 下标 c压气机 t涡轮机 日高温端热源 剧再热器端热源 三低温端热源 三j 中冷器端热源 m a x最大 o环境参数 上标 一无量纲 砌 p q s 丁 u 东华大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 1 引言 工程热力学是研究能源的转化、利用、节约等规律及其与环境等方面的相互 关系的科学。今天，工程热力学已经渗透到各种科学和技术领域，并形成许多新 的分支学科。其研究内容包括两个方面：在能源与动力工程领域研究热能与机械 之间的相互转换规律和方法，提高其转换效率的途径，以及新能源与可再生能源 的利用方法与技术。其中以封闭式过程的热力循环作为工程热力学研究的重点， 特别是新的热力循环和相应的新工质研究成为永恒的研究方向。 1 1 1 热力循环研究的意义 热力循环在热力学和动力机械发展史上占有重要位置【l 捌，它是热机发展的 理论基础和能源动力系统的核心，也是热力学学科开拓发展的一个重点与推动 力。历史表明，每一次新的热力循环及其动力机械发展应用都带动了能源利用的 飞跃，因而大大推动了社会进步和生产力的发展。十一世纪，走马灯的应用为热 机最早的雏形；1 7 9 8 年， c o u n tr 利用炮膛试验进行了热与功的相互转换的定 量研究；一直到十八世纪蒸汽机的出现，人类才找到了将化石能源转化为功的方 法，以代替人的体力难以胜任的劳动，促进了第一次产业革命与资本主义的发展， 也推动了工程热力学研究的全面开展；随后石油的应用推广，出现了以石油为燃 料的往复式内燃机( d i e s e l 、o t t o 循环) 、汽轮机( r a n k i n e 循环) 和燃气轮机( b r a y t o n 循环) 的发明和应用，这为二十世纪开始的现代社会的机械化、电气化创造了条 件。 工程热力学【3 】是在生产实践的基础上发展起来的，而其理论研究的成就又反 过来推动能源动力领域的科技创新。一些基本定律奠定了工程热力学的基础，它 在工程中起着重要的指导作用。随着人类对自然界探索的不断深化，工程热力学 研究发展体现以下研究特点：学科的交叉、综合；与社会、经济和环境等领 域的渗透与综合更加强化；采用新理论、新方法和新手段；与能源科学相互 促进、相互发展。但是值得注意的是，热力循环始终是工程热力学研究的重点， 热与功的相互转换规律和方法，以及提高热机效率途径的研究一直是工程热力学 东华大学硕士学位论文 的主要对象，因而热力循环研究一直是工程热力学开拓发展的推动力与重要前 沿。 1 1 2 热力循环研究的内容 长期以来，热力循环 4 1 的开拓性研究成为经久不衰的课题，许多学者一直在 孜孜不倦地从不同途径去探索。然而，没有新技术、新材料、新工质和新概念也 就没有新的热力循环和动力装置的更新换代及性能的大幅度提高。一个新概念的 提出或新技术的突破，常常会产生新的热力循环的构思从而开发出新的动力装置 与能源系统。近半个世纪以来，热力循环的探索开拓主要就是围绕新技术、新工 质、新材料及新概念等“四新”的核心科技问题而展开的。 ( 1 ) 新技术 美籍华人c h e n gd a h - y u 于19 7 6 年获得专利的程氏循环( 又称s t i g 循环) b 6 | ， 是在常规的b r a y t o n 循环基础上采用注蒸汽技术来有效回收涡轮机排热、增加涡 轮机工质流量和相对减少工质压缩耗功而形成高效率、高功比的新循环。而在 1 9 8 3 年由日本ym o r i 教授等人提出的湿空气透平( h a t ) 循环 7 , 8 1 可称作是采 用湿化技术的b r a y t o n 回热循环。它利用系统的废热和余热产生热水用于工质湿 化，利用涡轮机排热加热湿空气以节约燃料。 ( 2 ) 新工质 美籍俄罗斯人k a l i n aa i 于1 9 8 2 年提出了混合工质的k a l i n a 循环【9 】。2 1 世 纪的新一代核电技术其最突出之处在于采用惰性气体( 氦h e ) 作为工质。另外探索 合适的有机新工质也是研究的重点，以适应中低温热源的固有特点并获得更高 的热转功效率。 ( 3 ) 新材料 高温材料是热机研发的基础，因而基于高温材料的热力循环研究也是一个重 要的方面。目前燃气轮机循环的初温已提高到1 4 3 0 ，高温部件的材料仍以超 级合金为主，部分部件也采用了陶瓷材料。而对更高循环初温( 1 6 0 0 * c 1 8 0 0 。c 以 上) 的燃气轮机的构思将基于采用革命性新材料，重点在于开发有更好的综合高 温性能、更高熔点以及更小密度的新高温材料，以实现无冷却或少冷却。 ( 4 ) 新概念 二十世纪七八十年代总能系统概念【1o 】的提出，使得热力循环研究思路发生 重大变化。人们不再局限于单一循环的优势，而更重视对把不同循环有机结合起 来的各种高性能联合循环的探讨，从而把能量转换利用过程提高到系统高度来认 识，以联合循环、功热并供、三联供、多联产等多种形式广泛推广应用。 2 东华大学硕士学位论文 1 1 3 热力循环研究的新思路 面向2 1 世纪可持续发展的绿色能源战略的背景，热力循环研究 1 1 】的总目标 是要解决能源利用与环境相容的协调难题，即要大幅度提高能源利用率和减少有 害污染物排放。为此，尝试热力循环创新手段可以达到这一目的。如通过多层次 不同品位能的梯级利用；再有打破独立循环系统各自发展造成的提高热力与环保 性能的障碍，以实现不同功能的循环系统的有机联合；或是寻求关键技术、材料、 工质等的突破，以实现更高层次的循环系统集成。围绕这些核心科学问题形成了 许多新世纪热力循环研究的前沿与热点：不同功量输出机理整合的联合循环、化 石能源多联产联合循环、多能源综合利用的热力学循环、无公害的化石能源热力 循环、中低温热源热力循环、高温核能联合循环、正、逆向耦合循环、循环分析 的新理论与方法等。 1 2 布雷顿循环的研究现状 自从工程专家加入有限时间热力学领域研究后，在内可逆和不可逆条件下， 人们的研究对象逐渐从理想的c a m o t 循环转向实际工程循环，为实际装置提供 设计指导，由此也开始了对布雷顿循环系统的优化分析。 1 2 1 布雷顿热机的循环模型 最早由美国科学家gbb r a y t o n 提出，并于1 8 7 6 年，制造了使用布雷顿循 环的内燃机。布雷顿循环是以气体为工质的热力循环，其理想工作过程包括等熵 压缩、等压吸热、等熵膨胀和等压冷却四个过程。 压 空气废气 布雷顿循环系统图 图1 1 ( a ) 布雷顿循环邢图 s 图1 - l ( b ) 东华大学硕士学位论文 图1 - 1 ( b ) 中1 - 2 为绝热压缩过程，2 - 3 和4 - 1 分别为等压加热过程和等压冷 却过程，3 4 为绝热膨胀过程。图1 1 ( a ) 为对应的系统图。 1 2 2 有限时间热力学在熟机优化中的应用 有限时间热力学是经典热力学的延伸和推广，是现代热力学理论的一个新分 支。主要研究非平衡系统在有限时间中能流和熵流的规律。它既不同于2 0 世纪 3 0 年代建立起来的不可逆热力学，又不同于工程热力学，有它自己鲜明的理论 特征。现已广泛地应用于物理、化学和工程热物理等许多学科领域。建立了一系 列相应的新理论在有限时间热力学的发展过程【1 2 】中，内可逆卡诺循环模型、 最大功率输出时的效率、基本优化关系、内可逆循环统一理论、不可逆循环理论 等方面的研究起到了极其重要的作用。 a 内可逆模型 所谓内可逆模型，指的是系统内部过程是可逆的，而所有的不可逆性都发生 在系统与外部环境之间。经典热力学研究可逆循环，所需的运动周期( 或所需要 换热面积) 为无限大，因而对时间平均的输出率( 或对总面积平均的比输出率) 为零。有限时间热力学强调性能系数和输出特性的协调，内可逆循环是有限时间 热力学研究的基本物理模型。在该模型中工质经历准静态过程，循环中系统唯一 的不可逆损失是热源与工质问热阻损失的。这是n o v i k o v 1 引，c h a m b a d a l 1 4 1 ， c u r z o n 和a h l b o m t l 5 】最早应用，r u b i n 1 6 】最早定名的理论模型。在这一模型中， 认为工质与热源之间的传热服从牛顿定律，且热源为无限热容，即等温热源。这 样的热力系统称为无限热源牛顿定律系统。 b 不可逆模型 ( 1 ) 热阻模型 工质与热源间的换热过程由于存在热阻，考虑不同的传热规律可以求出内可 逆热机的循环性能界限和基本优化关系。g u t o w i c z k r u s i n 1 7 】等最先开始用 9 0 c ( d n 来代替牛顿传热定律g 。c ( d 导出c a m o t 热机的性能界限，陈林根 等则导出了此时的基本优化关系。另有大量文献 1 9 - 2 4 1 研究了热辐射定律、 g o c ( d n 传热和混合热阻传热条件下，内可逆c a m o t 热机的功率和效率的优化关 系，生态学优化性能和火用经济优化性能等。陈林根【2 5 1 等和o r l o v l 2 6 】贝0 研究了导 热规律对循环最优构型的影响。 ( 2 ) 内部不可逆模型 最早由a n d r e s e n 等7 j 提出了三循环概念，分析了含有热阻、摩擦等损失的 c a m o t 热机性能。f a k e n 等【2 8 l 研究了惯性对热机最优构型及其性能的影响。r i t h t e r 等【2 9 】研究了存在摩擦、惯性和远离平衡态时的热机性能，d e l g a d o 3 0 】贝0 研究了此 种热机的最优构造。由于摩擦、涡流等不可逆因素使得工质经历了不可逆过程。 4 东华大学硕士学位论文 根据热力学熵增原理，不可逆过程存在熵产，系统熵输出与熵输入的差不为零， 矗n 即l 警0 。文献 31 3 3 】采用一常数项表征卡诺热机循环中除热阻外的所有不可 。口 逆性，包括热漏、摩擦、非平衡等。 ( 3 ) 热漏模型 在实际情况下，由于存在热量从高温热源直接向低温热源的传递， b e j a r l a 3 4 , 3 5 】提出用常量g 来表征热源间的热漏量，推导出了热漏对系统性能界 限以及对优化参数的影响。并且热漏对系统的影响不同于热阻和内不可逆性，影 响比较显著。 ( 4 ) 热源模型 在内可逆模型中，认为热源和工质的热交换是在一定温差下进行的，并且热 源和工质温度都是恒定的。即使在内可逆热力学范围内，实际热机的效率也受到 有限热源的影响。有限热容热源是实际装置中常见的现象，因此吸引了众多学者 研究其对热机性能的影响。对有限热源的研究可分为两类，一是给定循环形式， 如求c a r n o t 循环【3 矾、r a n k i n e 循环【3 7 1 和b r a y t o n 循环网在有限热源时的最优性能， 而这又可以分为吸热量固定和吸热量可以变化两种情形；另一是求给定热源条件 下的循环最优构型，如恒温热源时的内可逆循环最优构型为c a 热机，变温热源 牛顿定律系统中的最优构型为工质与热源温度均随时间呈指数规律变化的广义 内可逆卡诺循环【3 9 】，而传热规律p 0 1 和热漏【4 1 】均对有限源热机的最优构型有影响。 1 2 3 研究方式 一般对热力循环系统进行热力学优化分析，首先得确定一个目标函数，而目 标函数包括：功率、效率、火用效率、熵产率、利润率、功率密度和生态学性能 系数等。然后依据相应的假设条件建立模型，得到目标函数的表达式，在给定标 准或者已有实验初始值的情况下，运用商业软件求出最优设计参数和目标函数以 及对应的最佳热力过程。 1 2 4 布雷顿及其联合循环的研究现状 在面向二十一世纪可持续发展的绿色能源战略背景下，布雷顿及其联合循环 系统得到了很大的发展。如不同功量输出机理整合的并供循环、太阳能驱动的循 环以及正、逆向耦合循环等。这里，只介绍本论文将要分析的几种联供系统。 ( 1 ) 焦耳布雷顿功热并供系统 随着总能系统概念的提出，使得热力循环的研究思路发生了重大变化。人们 不再拘泥于单一循环的优势，而是更加重视不同循环机理结合起来的各种高性能 东华大学硕士学位论文 联供循环的探讨，从局部的能量转换利用过程提高到整体的系统高度来认识，综 合考虑循环系统中功和热的梯级利用，将不同品位和形式的能量合理安排以及各 系统构成的优化匹配等，以获得最好的效果。 近年来，有关燃气轮机热力循环( 循环模式为布雷顿循环) 的研究，特别是 在热电联供和废热利用即功热并供方面，得到了许多有实用价值的理论模型哗j 。 在国内，蔡睿贤【4 3 】最早论证了燃气轮机功热并供系统运用火用分析的合理性； 张娜【4 4 舶l 等人分析了特殊情况下，燃气轮机功热并供系统的火用和火用经济性 能；随后k o n g 4 7 】等分析了以燃气轮机为原动机的微型热电联产系统，其能量系 统由燃气轮机、吸收式制冷装置和锅炉组成。h a o 和z h a n g 4 8 1 基于内可逆简单布 雷顿循环构成的热电联产装置模型，以火用输出率为目标，优化了压比，并分析 了功热比、循环热源温比、用户侧温度对最优性能的影响；陶桂生等 4 9 - 5 3 1 对恒温 热源内可逆和不可逆、简单和回热式燃气轮机热电联产装置的有限时间火用经济 性能进行了研究，优化了压比和热导率分配。王俊华等1 5 4 j 建立了内可逆等温加 热修正的布雷顿热电联产装置模型，用有限时间火用经济分析法研究了其性能， 讨论了循环各参数对火用经济性能的影响。在国外，s a h i nb 5 5 , 5 6 1 以功率、功率 密度为目标，对焦耳布雷顿功热并供系统进行了热力学优化分析。r o s e r l 5 7 1 对某 区域的功热并供能量系统分别进行了能效率和火用效率分析。他发现利用火用效 率对能量系统进行分析更能反映系统的运行状况，更具有实际指导意义。 y i l m a z t 5 8 1 以火用输出率和火用效率为目标，对内可逆简单布雷顿热电联产装置进 行了优化，并研究了循环热源温比、用户侧温度对循环性能的影响；u s t 【5 9 】等人 提出了火用性能系数e p c ( e x e r g e t i cp e r f o r m a n c ec o e f f i c i e n t ) ，并以e p c 为目标 对不可逆回热式布雷顿热电联产装置进行了优化，分析了各联产设计参数对装置 性能的影响，并与以火用输出率为目标时的结果作了比较。另外还有一些学者 6 0 - 6 3 1 也对燃气轮机中的布雷顿型功热并供系统进行了研究。 ( 2 ) 太阳能热机系统 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源【6 4 】，也是清洁能源，不产生 任何的环境污染，如何有效的开发利用这一清洁能源已成为人们关注的一个热点 问题。目前，太阳能系统主要有两种形式：一种是光伏电池( p v ) ，直接把太阳能 转化成电能，同时可以储存部分电能备用；第二种形式即为间接的太阳能利用形 式一太阳能热动力系统( s d ) ，它的工作原理为通过一个太阳能聚能装置( 如抛物 面) 将太阳能收集起来，加热流体工质，通过一个热力循环驱动传统的热机系统， 利用发电机来发电，是一种间接的太阳能利用形式。这种利用太阳能替代常规能 源驱动热机动力装置的系统对于减少燃料消耗，降低污染物排放都具有十分重要 的意义。 苏萨姆1 9 6 4 年发表的一个研究报告，对太阳能光伏发电、太阳热离子发电、 6 东华大学硕士学位论文 r a n k i n e 循环、s t i f l i n g 循环和b r a y t o n 循环太阳能热动力装置等各种载人空间站 电源系统进行了比较。热动力装置无论在总面积( 聚能器加辐射器) 和总质量指标 方面都占优势，成本也较光电池和热离子发电系统低。未来能源结构的组合在充 分开发利用地球上的自然能源资源外，还同时利用空间太阳能。空间太阳能发电 s p a c es o l a rp o w e r ，s s p ) 概念1 9 6 8 年由美国工程师p e t e rg l a s e r 提出。空间电站 不仅从空间采集太阳能，也可在平衡输送地区间能源需求方面发挥作用，国际上 提出的电力传输卫星p r s ( p o w e rr e l a ys a t e l l i t e ) 就是基于这一设想。适用于空间 s d 系统的热机循环有r a n k i n e 循环( r c ) 、闭式b r a y t o n 循环( c b c 和s t i f l i n g 循 环( s c ) 。三种循环中斯特林循环转换效率高，但技术上不如r a n k i n e 循环和 b r a y t o n 循环成熟。应用于空间站电力系统时，r a n k i n e 循环的流体工作介质在循 环程中发生相变，在微重力空间，相变流体的控制分离是一个比较复杂的技术问 题，目前己被淘汰。闭式b r a ”o n 热机装置不受空间微重力甚至零重力条件的影 响，该装置的涡轮、压气机等不仅在航空发电机中有数十年的应用经验，技术水 平和可靠性都很高，采用b r a y t o n 循环的地面燃气轮机电站也为数不少，而且循 环热效率高，质量轻，使用寿命长，随着空间站电力需求的增长，这些优点将更 加突出。 能源是新世纪人类所面临的全球问题，而太阳能作为一种丰富的清洁能源， 受到普遍关注。其中有不少学者对太阳能驱动的热机进行了研究和分析。在国内， 最早严子俊5 1 、陈林根 6 6 , 6 7 、陈金灿【6 8 7 0 1 等人考虑了太阳能集热器的性能，即 太阳能集热器的线性损失和辐射损失，建立了由太阳能集热器和c a m o t 循环组 成的太阳能热机模型，以系统总效率为目标函数，通过优化太阳能集热器的工作 温度，得到了最大总效率和最佳的太阳能集热器工作温度。随后z h a n gy u e 7 1 , 7 2 1 等分别应用太阳能集热器的线性损失模型和辐射热损失模型对太阳能布雷顿热 机进行了性能优化分析，在总传热面积一定的情况下，导出了太阳能布雷顿热机 最大效率与其他参数的优化关系。在国外，t ck a n d p a l 7 3 】以总效率为目标函数， 考虑了太阳能集热器的工作温度在中低温情况下的线性损失和高温情况下的辐 射损失，对内可逆太阳能卡诺热机模型进行了优化分析：os o g u tr 7 4 】等人对太阳 能卡诺热机做了生态学优化分析；y a s i nu s t 7 5 , 7 6 1 庵- 时考虑了太阳能集热器的线性 损失模型和辐射损失模型，对可逆和不可逆两种情况下的太阳能热机做了经济学 优化分析。除此之外，还有学者分析了太阳能驱动的e r i c s s o n 热机【7 7 1 、b r a y s s o n 热机【7 8 以1 1 、s t i r l i n g 热机蚴以及其它形式的热机 8 3 8 7 1 。虽然关于太阳能热机的理 论研究很多，但是有关太阳能驱动的布雷顿热机，应用于实际当中还有一段时间， p e t e rs c h w a r z b o z l l 8 8 1 等人对各种类型的太阳能布雷顿原型热机做了实验检测分 析，p e t e rh e l l e r 8 9 】等人则对太阳能布雷顿原型热机做了检测和评估分析，这些分 析将为以后的应用提供设计参考。 7 东华大学硕士学位论文 ( 3 ) 布雷顿一逆布雷顿联合循环系统 随着电能需求量的增加和环境热污染的加剧，迫切需要更高效率的能源系 统。燃气轮机排放到环境当中的废气含有可以使用的能量，加强废气的利用可以 降低能源的消耗，减小对环境的污染以及增加系统的功输出。燃气蒸汽联合循 环系统被确认为是高效率的能源系统，其热效率可以达到5 5 ，近年来其应用越 来越广泛。其组成为顶循环为燃气轮机循环，底循环为蒸汽循环。改变底部循环 形式，以其它循环形式代替，已有很多研究。例如，为了获得同燃气蒸汽联合 循