工程流体力学

SAM工程热力学Engineering

ThermodynamicsChapter

9Power

Cycles动力循环SAM能够将燃料燃烧释放出来的热量中的一部分，连续不断地转换成机械能的整套热工设备，称为热能动力装置，简称动力装置。经过简化之后，动力装置的实际工作循环，就可看作是由一系列基本热力过程所组成的正向可逆循环，即该动力装置的理想循环，简称动力循环。动力装置热力学分析的意义：①热力学分析方法的结论是在最理想的可逆条件得出的，是该动力装置工作性能的最高标准。它可作为比较同类动力装置工作完善程度的客观标准，实际工作性能越接近它，则该装置的工作就越完善；实际工作性能与最高标准之间的差距，反映了该装置可以进一步改进的前景。②热力学分析方法是针对动力装置中最基本的特征来进行分析的，可找出影响动力装置工作性能的主要因素，明确进一步改进方向。③在热力学分析基础上可以进一步分析各种实际因素的影响程度，确定相应的修正系数。或者，根据经验数据对理想循环的分析结论加

以修正，就可以应用到实际循环的分析计算中去。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM分析动力循环的一般步骤：Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3①把实际工作循环简化成理想循环，确定表征循环特征的循环特性参数，并表示在p-v图及T-s图上。②进行参数分析，确定理想循环中各典型点的状态参数，可将它们表示为工质的初态参数和循环特性参数的函数。③进行能量分析，确定各个基本热力过程的能量关系，计算出相应的热量、功量及热力学能变化（或焓值变化）。④进行循环性能的分析，确定表征循环整体性能的各种指标（如循环吸热量、循环放热量、循环净热、循环净功、热效率等），分析影响循环性能的因素及改进措施。工质性质可以分为气体动力循环及蒸汽动力循环两大类。SAM9.1

Gas

Power

Systems

气体动力系统Thermal

Energy

Engineering

Department

9-1Internal

Combustion

Engines

内燃机Dual

CycleOtto

CycleDiesel

CycleGas

Turbine

Plant

燃气轮机装置Brayton

Cycle布雷顿循环Regenerative

Gas

Turbines

燃气轮机回热循环Regenerative

Gas

Turbines

with

Reheat

and

Intercooling其他气体动力循环涡轮增压内燃机Turbocharged

Engine活塞式热气发动机自由活塞式燃气轮机装置喷气式发动机Jet

engineVapor

Power

Systems

蒸汽动力系统Vapor

PowerSystems蒸汽动力系统Rankline

Cycle

郎肯循环Reheat

Cycle再热循环Regenerative

Vapor

Power

Cycle

回热循环Cogeneration

System

热电联产系统SummarySAMNomenclature

for

reciprocatingpiston–cylinder

enginesPressure–volume

diagram

for

areciprocating

internal

combustion

engine9.1.1

Internal

Combustion

Engines9.1

Gas

Power

SystemsThermal

Energy

Engineering

Department

9-2Dual

CycleSAM(混合加热循环，萨巴特循环Sabathe

cycle)实际循环：0-1

进气过程1-2

压缩过程2-3-4

燃烧过程4-5

膨胀(作功)过程5-1

自由排气过程＋强制排气过程柴油机的实际示功图Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3Dual

CycleSAM(混合加热循环，萨巴特循环Sabathe

cycle)实际循环的理想化：1.把热力过程理想化→理论示功图①进气过程→0-1定压吸气②压缩过程→1-2定熵压缩③燃烧过程→2-3定容加热＋3-4定压加热④膨胀过程→4-5定熵膨胀⑤排气过程→5-1定容排气＋1-0定压排气理论示功图Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM3.

把开口系统简化为闭口系统（进排气功近似相等，相互抵消）2.

把工质看做理想气体混合加热循环（萨巴特循环）理论示功图混合加热循环的p-v图、T-s图Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3DualCycle压缩比compression

ratiov2e

=

v1p2压力升高比

pressurestep-upratio

l

=

p3预胀比pre-expandratio3vr

=

v4SAM特性参数：Thermal

Energy

Engineering

Department

9-4SAM参数分析：T1,

p1εlT2

=

T1ek

-1T3

=

T2l

=

T1lek

-1ρT4

=

T3r

=

T1lrek

-1kr5lr(

)

=

T1lre=

T1eT

=

T4

(

e

)k

-1k

-1r

k

-1能量分析：k

-1=

p1v1

{ek

-1[(l

-1)

+

kl(r

-1)]

-(lrk

-1)}e

›,

l

›Th,errmal›Enefirgy

Ewngi0neer›ing

Department

9-3q23

=

Du23

=

cV

(T3

-T2

)q34

=

Dh34

=

cp

(T4

-T3)1

23

34q

=

q

+

qq2

=

q51

=

Du51

=

cV

(T1

-T5

)w0

=

q23

+

q34

+

q51吸热量放热量循环净功SAM热效率thermal

efficiency12qqth

=1-cV

0

(T3

-T2

)

+

cp0

(T4

-T3

)cp0

(T5

-T1)=1-DualCycle=

f

(e,

l,

r,

k

)1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3lrk

-1=

1

-ek

-1

(l

-1)

+

kl(r

-1)SAM1qq2th

=1-（1）压缩比的影响Question：How

to

improve

the

thermal

efficiency

?1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3lrk

-1=

1

-

=

f

(e,

l,

r,k)ek

-1

(l

-1)

+

kl(r

-1)如果λ与ρ不变，提高ε可提高混合加热循环的热效率，但随着压缩比的逐渐增大，热效率增长的速率逐渐减缓。实际上，当压缩比数值较高时，提高压缩比不仅热效率增长较少，而且由于压缩终了压力及燃烧终了压力太高，发动机的机件摩擦消耗的功太多，以致发动机的实际效率无明显增加，甚至反而减小。另外，随着温度的升高，CO2分解成CO增多，燃烧产物中NO增多，使排放气体的毒性加剧。因此，一般柴油机的压缩比主要按燃料可靠地起燃和正常燃烧来确定，一般在14～20之间。SAMDualCycle1qq2th

=1-=

f

(e,

l,

r,

k

)1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3lrk

-1=

1

-ek

-1

(l

-1)

+

kl(r

-1)SAMOtto

Cycle奥托循环，定容加热循环Qtto

four-strok

cycle:To

overcome

engine’s

shortcomings

of

low

thermal

efficiency

andexcessive

weight,

Qtto

proposed

an

engine

cycle

with

four

piston

strokes:an

intake

strake,

then

a

compression

stroke

before

ignition,

an

expansionor

power

strake

where

work

was

delivered

to

the

crankshaft,

andfinallyanexhauststrake.The

ideal

cycle

for

spark-ignition

engines.r=1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-6SAMOtto

Cycler=1但ε=6.5～11

.compression

ratio奥托循环，定容加热循环=

f

(e,

k

)2Thermal

Energy

Engineering

Department

9-6t1T=

1

-

T1ek

-1thermal

efficiency

h

=

1

-Why?Diesel

Cyclethermal

efficiencyThe

ideal

cycle

for

compression-ignition

engines.l

=1SAM狄塞尔循环，定压加热循环1

rk

-1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-7ht

=

1

-

ek

-1

k(r

-1)>

q1,

p>ht

,

pq1,v

>

q1,cht

,v

>ht

,cheat

absorption

capacitythermal

efficiency①

When

compression

ratio

is

sameIf

make

heat

discharge

process

same,thenWhen

compression

ratio

is

same,

the

thermalefficiency

of

Otto

Cycle

is

the

greatest.Conclusion:comparisons-1SAMThermal

Energy

Engineering

Department

9-8②When

the

maximum

temperature

andmaximum

pressure

are

sameThe

point

3

is

same,

and

make

process34

and

process

41

be

same.So

heat

absorption

capacitythermal

efficiencyq1,

p

>

q1,c

>

q1,vht

,

p

>ht

,c

>ht

,vConclusion:The

thermal

efficiency

of

Diesel

Cycle

is

the

greatest

whenthe

maximumtemperature

and

maximum

pressure

are

same.Comparisons-2SAMThermal

Energy

Engineering

Department

9-9SAM例9-1

(p199)活塞式内燃机混合加热循环的参数为：p1＝0.1MPa，T1＝17℃；压缩比ε＝16，压力升高比λ＝1.4，预胀比ρ＝1.7。假定工质为空气且比热为定值，试计算循环各点的基本状态参数及循环的净功和热效率，并表示在p-v图及T-s图上。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM（补充例题）内燃机定容加热循环，初始状态为p1=0.

1MPa、t1=27

C。压缩比ε=8，单位质量工质的加热量q1=780kJ/kg，工质视为空气。要求（1）画出该循环的p-v图及T-s图；（2）求循环各节点压力与温度、循环热效率及循环净功量。=

300

·81.4

-1

=

689.2KThermal

Energy

Engineering

Department

9-3p2

=

p1ek

=

0.1·81.4

=1.827MPaT2

=

T1ek

-1SAMp3

=

p2

T3

=1.837

·1778.6

=

4.741MPaT2

689.2为最高压力1180.4=

774.2K=1778.6

·=

T3

v1

=

T3

2

v4

T4

=

T3

3

v

k

-1

v

k

-1ek

-11181.4=

0.258MPa=

4.741·=

p3

v1

v

k=

p3

2

v4

v

kp4

=

p3

3

ek780Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3+

689.2

=1778.6KT3

=

q1

+

T2

=cv

0.716定容加热过程的加热量

q1

=

q23

=

cv

(T3

-T2

)则为最高温度SAM10tq

780w

440.5= =

0.565循环热效率

h

=q2

=

q41

=

cv

(T1

-T4

)=

0.716·(300

-

774.2)

=

-339.5

kJ/kg循环净功

w0

=

q1

+

q2

=

780

-

339.5

=

440.5

kJ/kg=

0.565Thermal

Energy

Engineering

Department

9-31

=1

-

300T2

689.2ek

-1ht

=1

-

T1

=1

-w0

=

q1ht

=

780

·0.565

=

440.7kJ循环热效率循环净功或

放热量SAM分析：活塞式内燃机的余隙容积比与压缩比之间满足什么关系?111===e

-1v2v1

-1V2V1

-1V1

-V2V2c

=理论示功图Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3答:余隙容积比=

0.716

kJ(/kg

K)R

=

0.2871

kJ(/kg

K)k

=

1.4SAM（补充例题）狄塞尔循环的压缩比ε＝20，做功冲程的4%作为定压加热过程，压缩冲程的初始状态为p1＝0.1

MPa、t1＝20℃。求（1）循环各节点的温度与压力；（2）循环热效率；（3）平均有效压力。循环中工质均按空气处理，cvThermal

Energy

Engineering

Department

9-3

v2

T2

=

T1

1

=

T1ek

-1

=

293·

201.4-1

=

971.1

K

v

kp2

=

p1

1

=

p1ek

=

0.1·

201.4

=

6.629

MPav1

-

v2

v1

-

v2v3

=

v2

+

0.04(v1

-

v2

)

=

v2[1+

0.04(e

-1)]=

v2

[1+

0.04

·(20

-1)]

=1.76v2SAM解：12定熵过程

v

k

-1

v2

因做功冲程的4%作为定压加热过程，则v4

-

v3

=

v1

-

v3

=

0.04v2Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3r

=

v3则 预胀比＝1.76SAM2233 2

vv1.76

=1709.1

KT

=

T=

T

r

=

971.1·23为定压过程，

p3

=

p2

=

6.629

MPa33

4 2

4

k

-1k

-1k

-1=

Tv

v

v3

v2

=

Tv

v3

T4

=

T3e

r

=

646.5K

=1709.1·

20

1.76

1.4-1v

=

p

p

=

pe

r

k3

4

k

v3

34

1.76

1.4=

6.629

·

20

=

0.2207MPa1

1Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3tk(T3

-

T2

)T4

-

T1q

q

cp

(T3

-

T2

)=1-

cv

(T4

-

T1

)

=1-h

=

w0

=1

-

q2=1

-

646.5

-

293

=

0.6581.4

·(1709.1-

971)34为定熵过程，循环热效率SAMmv

v

-

vp

=

w0

=

ht

q1h

1

2q1

=

cp

(T3

-

T2

)

=

kcv

(T3

-

T2

)

=1.4

·0.716·(1709.1-

971)

=

739.9kJ/kg3111pRT=

0.841m

kg0.2871·

293100=v

=2v

=

v1

=

0.841

=

0.042

m3

kge

2021mhv

v

-

vp

=

w0

=

ht

q10.841

-

0.042=

0.658

·

739.9

=

609.3kPa

=

0.6093Mpa平均有效压力则Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM内燃机的理想循环与实际循环的比较：混合加热循环的p-v图、T-s图1.内燃机的理想循环是闭式循环，工质循环工作，没有任何换气过程和流动阻力损失。内燃机的实际循环是开式循环，每个循环的工质均更新，存在换气过程和流动阻力损失。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM2.压缩过程的比较Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3内燃机理想的压缩过程为可逆绝热（可逆定熵）过程，而实际的压缩过程中有散热，但散热量不大，十分接近绝热过程。实际循环的压缩过程为变指数多变过程，可用一个平均多变指数

n1=1.32～1.39代替。周壁散热强度、气流扰动强度、气缸尺寸、曲轴转速等是影响多变指数大小的主要因素。根据有关资料，推荐n1的经验数据：Thermal

Energy

Engineering

DepartmeSAM4.膨胀过程的比较内燃机理想的膨胀过程为可逆绝热（可逆定熵）过程，而实际的膨胀压缩过程存在换热、漏气损失、后然和裂解物质的混合等因素，工质成分也变化，是一个复杂的变指数多变过程，可用一个平均多变指数n2代替。转速、燃烧速度、气缸尺寸及负荷等是影响多变指数大小的主要因素。根据有关资料，推荐n2的经验数据：3.燃烧过程的比较内燃机理想的燃烧过程看成定容、定压或定容+定压燃烧过程。实际燃烧过程是一个比较复杂的物理化学过程。nt

9-3Brayton

Cycle

布雷顿循环9.1.2

Gas-Turbine

Engines

Plant燃气轮机装置SAM开式燃气轮机循环Thermal

Energy

Engineering

Department

9-10闭式燃气轮机循环它以氦气为工质。由于它采用外部加热，因此可燃用劣质的固体燃料或应用原子能反应堆产生的热量来加热工质。SAM燃气轮机装置相应的理想循环由下列四个可逆过程组成：

12定熵压缩过程（在压气机中完成）；23定压加热过程（在燃烧室或加热器中完成）；34定熵膨胀过程（在气轮机中完成）；41定压冷却过程（在大气中或冷却器中完成）。Brayton

cycle=2定熵+2定压Thermal

Energy

Engineering

Department

9-322t=

1

-2

TT

(T3

-

1)T1T1(T4

-

1)h

=

1

-q1q2cp0

(T4-

T1

)cp0

(T3

-

T2

)h

=

1

-T2

=

(

p2

)(k

-1)/

k

=

(

p3

)(k

-1)/

k

=

T3

=

p

(k

-1)/

kT1

p1

p4

T4thermal

efficiencyT1升温比temperature

ratio

t

=T3p1p

=

p2增压比pressure

ratioSAMBrayton

Cycle循环中最高温度与最低温度（初态温度）的比值。循环最高温度受耐高温材料的制约，是一个必须加以控制的重要参数。目前一般采用的循环最高温度为1000～1300K。若选用较好的耐热合金，并采取气膜冷却等措施，已能使T3高达1800K，甚至更高。T1

T2T4

=

T32T=

1

-

T11=

1

-p

(k

-1)/

k定压加热燃气轮机循环的热效率，主要随增压比的提高而增大，此外也和等熵指数的数值有关。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-11SAM(ws

)T

=

h3

-

h4

=

cp0

(T3

-

T4

)(ws

)c

=

h2

-

h1

=

cp0

(T2

-T1)w0

=

(ws

)T

-

(ws

)c循环净功Thermal

Energy

Engineering

Department

9-12在选择增压比时，应同时兼顾热效率及循环净功，不能单纯追求高热效率。SAM110tqqw(ws

)T

-

(ws

)c=h

=1

-thermal

efficiencyThe actual

gas-turbine

Cycle（书上无）燃气轮机装置的实际循环1-2'：不可逆绝热压缩过程；2'-3：可逆的定压加热过程；3-4'：不可逆绝热膨胀过程；4'-1：可逆的定压放热过程。当比热容取为定值时，燃气轮机装置实际循环的热效率：涡轮机效率(ws

)T

=hT(h3

-

h4

)(ws

)c

=hc,s(h2

-

h1)Thermal

Energy

Engineering

Department

9-13hs,c

=

0.80

~

0.90hT

=

0.88

~

0.92压气机绝热效率SAM增大升温比τ可以提高循环热效率,是提高循环热效率的主要方向。限制燃气温度提高的主要因素是轮机叶片的耐热强度，所以，研制并采用能承受高温的耐热材料来提高循环最高温度，仍是改善燃气轮机装置工作性能的一个主要方向。当τ、ηc,s、ηT一定时，随着增压比π的提高，循环热效率有一个极大值。当升温比τ增大时，与热效率的极大值相对应的增压比π的数值也提高。在选择增压比π时，应同时兼顾循环热效率及循环净功，不能单纯追求高热效率。(3)提高压气机绝热效率及涡轮机效率时，循环热效率也随着增加。当比热容取为定值时，燃气轮机装置实际循环的热效率：Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3Regenerative

Gas

TurbinesThermal

Energy

Engineering

Department

9-14（1）燃气轮机装置的回热循环SAM提高燃气轮机装置的热效率的措施Measures

to

improve

the

thermal

efficiency

of

gas

turbine提高循环热效率的主要途径是提高平均加热温度及降低平均放热温度。(2)采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环Regenerative

Gas

Turbines

with

Reheat

and

IntercoolingSAMRegenerative

Gas

Turbines（1）燃气轮机装置的回热循环燃气轮机的排气温度往往高于进入燃烧室的压缩后空气的温度，因此可以利用废气的高温余热对燃烧前空气进行预热，以减少燃料消耗，提高装置的热效率。这种措施称为回热。在压气机和燃烧室之间设置了一个回热器，用于燃气轮机排出的废气和压气机送出的高压气体之间的换热。回热度μ：空气在回热器中实际所得热量与理想情况下所得热量之比。m

=

q

=

h6

-

h2q

h4

-

h2回热度一般在0.50～0.80之间。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-14SAMt((

k

-1)/

kmt(1

-

)

-(1

-

m)pp

(

k

-1)/

k-

1)(p

(

k

-1)/

k

-

1)p

(

k

-1)/

kth

=③当回热度增大时，与热效率极大值相对应的增压比的数值不断降低。Effectiveness

μ↑→

π

(ht)m↓a.xthermal

efficiencyThermal

Energy

Engineering

Department

9-15Ifτand

μare

constant

，π↑→ht.

maxRegenerative

Gas

Turbines①增大升温比，可提高燃气轮机回热循环的热效率；Temperature

ratio

τ↑→

↑h.

t②当升温比及回热度一定时，随着增压比的提高，回热循环的热效率有一个极大值。SAM(2)采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环Thermal

Energy

Engineering

Department

9-16Regenerative

Gas

Turbines

with

Reheat

and

Intercooling如果在采用回热措施的基础上，再采用多级压缩中间冷却措施，以及多级膨胀中间再热措施，则可把回热循环的平均加热温度进一步提高，以及把平均放热温度进一步降低，从而提高循环热效率。多级压缩中间冷却可使压缩终了温度降低，多级膨胀中间再热可使膨胀终了温度提高，从而提高平均吸热温度及降低平均放热温度，使循环热效率得到较大的提高。但该装置结构复杂，体积大，因而常单独采用多级压缩中间冷却，或采用多级膨胀中间再热。实际应用上这种装置尚不普遍。SAM

9.1.3

其他气体动力循环涡轮增压器与内燃机联合工作，预压缩空气，提高进气密度，强化内燃机的做功能力。由气缸排出的废气在废气涡轮中绝热膨胀输出轴功，用于驱动增压器。在增压器中，从大气吸入的空气经绝热压缩提高压力及提高焓值后，送往内燃机作为内燃机的工质。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-17增压内燃机及其循环Turbocharged

Engine

and

its

cycleSAM废气涡轮增压内燃机的理想循环:该循环相当于由一个内燃机的混合加热循环和一个燃气轮机定压加热循环叠加而成。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3斯特林循环包括下列四个可逆过程：

ab为定温压缩过程，并向低温热库放热；

bc为定容吸热过程（从回热器中吸热）；cd为定温膨胀过程，并从高温热库吸热；

da为定容放热过程（向回热器放热）。SAM

•活塞式热气发动机回热器Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3斯特林循环Stirling

cycle:早在1816年，卡诺循环问世之前，斯特林(RobertStirling)就提出了采用空气回热措施的活塞式热空气发动机，这种发动机称为斯特林发动机。活塞式热气发动机的理想循环称为斯特林循环.SAM点气的器和预斯特林循环Stirling

cycle.(1)定温压缩过程：配气活塞2停留在气缸中相应于其上死点的位置不动，而动力活塞1从其下死点向上死点移动。这时，在两个活塞之间气缸的压缩腔内的工质受到压缩而压力升高，同时工质通过压缩腔的气缸壁向冷却水放热而实现定温压缩过程。当动力活塞升高到其上死点位置时压缩过程结束。(2)定容预热过程：这时动力活塞1停留在气缸中其上死的位置不动，而配气活塞2从其上死点向下移动。迫使缸压缩腔内的工质经气缸外的连通管流入配气活塞上方气缸膨胀腔。这时工质的容积保持不变，并在流过回热

3时受到回热器的加热而温度升高。当配气活塞下降到动力活塞相靠时，工质全部进入了气缸的膨胀腔，定容热过程结束。定温膨胀过程：如图c所示，这时利用外部燃烧系统通过气缸顶部向膨胀腔内的工质加热，使工质在定温下容积膨胀，推动配气活塞和动力活塞一起向下移动，输出容积变化功。当活塞到达下死点时，定温膨胀过程结束。定容回热过程：如图d所示，这时动力活塞1停留在气缸中其下死点不动，而配气活塞2从其下死点向上移动。迫使气缸膨胀腔内的工质经气缸外的连通管流入两活塞间的气缸压缩腔。这时工质的容积保持不变，并在流过回热器3时向回热器放热，降低温度，把热量储存于回热器内储热物质中。当配气活塞2移动到其上死点时，工质全部进入了气缸的压缩腔，定容回热过程即结束。然后又重复上述循环。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAMc2TmaxTcvcRT

ln

vdRTa

ln

vbq1qt=1

-

va

=1

-

Ta

=1

-

Tminh

=1

-在相同温度范围内，理想的定容回热循环（斯特林循环）和卡诺循环具有相同的热效率。斯特林循环的突出优点是热效率高、污染少，对加热方式的适应性强。近年由于科技的发展以及环境保护日益为人们所重视，为斯特林循环的应用创造了有利的前景。斯特林循环Stirling

cycle.定容回热Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3q2

=

qabab为定温压缩过程，并向低温热库放热bc为定容吸热过程（从回热器中吸热）；cd为定温膨胀过程，并从高温热库吸热q1

=qcdda为定容放热过程（向回热器放热）。cThermal

Energy

Engineering

Department

9-32TmaxTcpbRT

ln

pcRTaln

pdq1qtpa

=1

-

Ta

=1

-

Tmin=1

-h

=1

-bc为定温膨胀过程，并从高温热库吸热cd为定压放热过程（向回热器中放热）；da为定温压缩过程，并向低温热库放热q1

=

qbcq2

=

qdaSAM艾利克松循环Ericsson

Cycle1883年，艾利克松（JohnEricsson）提出了理想的定压回热循环。它是一种开式的循环，用定压回热代替了斯特林循环中的定容回热。ab为定压吸热过程（从回热器中吸热）；在相同温度范围内理想定压回热循环（艾利克松循环）和卡诺循环具有相同的热效率。理想回热循环（斯特林循环及艾利克松循环）通常称为概括性卡诺循环。实践证明，采用回热措施可以提高循环热效率，也是余热回收的一种重要的节能途径。SAM自由活塞式燃气轮机装置在发动机气缸2中有两个相对放置的自由活塞3，它们的外端分别与压气机活塞直接连成一体。当发动机气缸内的气体燃烧后进行膨胀时，推动两活塞分别向两端外移，并压缩两端气垫气缸7内的空气，将发动机所发出的全部有效功储存在空气中。在活塞外移的过程中，随着压气机气缸6容积的增大，压气机通过进气阀5从大气中吸进空气。当活塞外移接近端部时，右边的活塞首先把气缸上的排气孔8打开，气缸中的高温燃气立即经排气口流入储气罐9，接着左边的活塞又把气缸上的扫气口11打开，扫气箱12内的压缩空气进入气缸，把残留在气缸中的燃气驱入燃气储气罐，并使气缸内充满新鲜的压缩空气。由于这时发动机气缸内压力较低，因而在两端气垫气缸内高压空气的推动下，活塞由两端向气缸中间内移。当两个活塞分别把排气孔及扫气孔关闭后，发动机气缸内的空气即在绝热条件下进行压缩。同时压气机气缸内的空气也被压缩而提高压力，当其压力达到扫气箱内压力时，输气阀4打开，压缩空气在活塞推动下输入扫气箱12。当两活塞移动到接近中间位置时，由喷油器1把燃料喷入发动机气缸中进行燃烧。燃烧结束后就又开始膨胀过程，进行新的工作循环。由发动机送入储气罐9中的高温高压的燃气，不断地送入燃气轮机10中，在其中绝热膨胀推动叶轮输出轴功。由于自由活塞发动机中燃气膨胀所作的功全部通过活塞用于压气机的压缩功，所以燃气轮机所输出的功也就是整个装置唯一对外输出的功。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3SAM自由活塞式燃气轮机装置的理想循环：1-2-3-4-5-1：工质在自由活塞发动机气缸中的混合加热循环。1-6：定压下向储气罐充气的过程；6-7：燃气在燃气轮机中的绝热膨胀过程；7-8：废气在大气中的定压放热过程；8-1：空气在压气机气缸中的绝热压缩过程。∵压气机消耗的轴功等于自由活塞发动机的循环净功，∴p-v图上循环1-2-3-4-5-1的面积应和面积8-1-a-b-8相等。面积6-7-b-a-6表示整个装置输出的功，即燃气轮机输出的轴功。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-3该循环相当于由一个在自由活塞发动机中的混合加热循环和一个燃气轮机定压加热循环叠加而成。SAM喷气式发动机Jet

engineThermal

Energy

Engineering

Department

9-18当它以一定飞行速度前进时，空气就以相等的速度进入喷气发动机。这时，高速空气流首先在发动机前端的扩压管1中降低流速提高压力，然后进入压气机2，在其中经绝热压缩进一步提高压力。压缩后的空气在燃烧室3中和喷入的燃料一起进行定压燃烧。燃烧产生的高温燃气首先在燃气轮机4中绝热膨胀产生轴功用于带动压气机，然后进入尾部喷管5中，在其中继续膨胀获得高速，最后从尾部喷向大气。SAMComponents

of

a

simple

vapor

power

plant9.2

Vapor

Power

SystemsVapor

Power

SystemsThermal

Energy

Engineering

Department

9-19Thermal

Energy

Engineering

Department

0-9BoilerTurbineCondenserPumpQuestion:Doesthermal

energycanall

changeintomechanicalenergy?SAMSAMIdeal

Rankine

CycleProcess

12:

Isentropic

expansion

of

the

working

fluid

through

the

turbinefromsaturated

vapor

at

state

1

to

the

condenser

pressure.Process

23:

Heat

transfer

from

the

working

fluid

as

it

flows

at

constant

pressurethrough

the

condenser

with

saturated

liquid

at

state

3.Process

34:

Isentropic

compression

in

the

pump

to

state

4in

the

compressedliquidregion.Process

41:

Heat

transfer

to

the

working

fluid

as

it

flows

at

constantpressurethrough

the

boiler

to

complete

the

cycle.Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAMIdeal

Rankine

Cycle过程12：绝热膨胀过程过程23：定压放热过程过程34：绝热加压过程过程41：定压吸热过程Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAMIdeal

Rankine

Cycle循环净功：朗肯循环的热效率：若忽略给水泵消耗的轴功，则Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAMIdeal

Rankine

Cycle二、提高朗肯循环的热效率的措施提高循环的平均加热温度及降低循环的平均放热温度。提高蒸汽的初温t1初压p1，以及降低乏汽的压力p2

。①平均加热温度提高，而放热温度不变。②绝热膨胀终了状态干度提高，这有利于减少汽轮机

内部的功耗散，也有利于改善汽轮机叶片的工作条件。③为提高蒸汽的初温，则要求锅炉过热器所用材料具有较好的耐热性。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAM二、提高朗肯循环的热效率的措施2.提高蒸汽的初压p1（初温t1以及乏汽压力p2不变）。在蒸汽初温t1以及乏汽的压力p2不变条件下，提高蒸汽的初压p1，会使热效率提高!①蒸汽的初压升高，则加热过程相变温度升高，进而平均加热温度提高。②随着初压的提高，使汽轮机出口乏气的干度降低，会影响汽轮机

的工作性能、降低汽轮机叶片的使用寿命，是不能忽视的重要问题。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAM二、提高朗肯循环的热效率的措施3.降低乏汽的压力p2（蒸汽的初压p1以及初温t1不变）。①在蒸汽的初压p1,初温t1不变的条件下,降低背压p2可以提高朗肯循环的热效率及循环净功。②汽轮机排气干度χ2随背压p2的下降而降低，这对汽轮机是不利的。但背压取决于冷凝器中所能维持的冷凝温度，背压就是这个冷凝温度的饱和压力。降低冷凝器中的温度，就能降低背压。冷凝温度受周围环境温度（或冷却水温度）的限制，其降低是有限的。通常冷凝温度在25～32℃之间，所以背压在0.003～0.005MPa的范围内。提高蒸汽的初温t1初压p1，以及降低乏汽的压力p2

,均可提高朗肯循环热效率。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-20SAM例9-4

（p209）Temperature–entropy

diagram

showing

the

effects

of

turbine

and

pump

irreversibilities:Thermal

Energy

Engineering

Department

9-21SAM

•Reheat

cycle

再热循环在朗肯循环基础上，采用两极膨胀、中间再热的措施。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-22采用再热措施时，不仅可以提高蒸汽初压，还可以提高乏汽干度，使循环的热效率得到进一步提高。由于再热循环的管路系统比较复杂，投资增大，运行维护也不方便，一般在

10万kw以上、蒸汽初压高于13MPa的大容量机组中才采用再热措施，而且都用一次再热，所以，性能的改善也是有限的。SAMRegenerative

VaporPower

Cycle

具有回热的蒸汽动力循环朗肯循环热效率不高的一个重要原因是给水温度较低，压缩水的定压预热阶段是在较低的范围内进行的。这不仅降低了水蒸气定压产生过程的平均吸热温度，使热效率下降；而且增加了锅炉内高温烟气与水之间温差传热的不可逆性损失。如果对低温下压缩水的预热阶段加以改进，则定能取得明显的节能效果。采用回热措施来提高给水温度，是提高循环热效率的一条重要途径。所谓回热，是利用从汽轮机中抽出部分蒸汽来加热锅炉给水，使压缩水的低温预热阶段在锅炉外的回热器中进行，把水加热到预期的温度之后再送到锅炉中去。这样，在锅炉中水蒸气定压产生过程的平均吸热温度就明显地提高了，并降低了温差传热的不可逆性损失，使整个装置的工作性能得到改善。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-22SAMRegenerative

VaporPower

Cycle

具有回热的蒸汽动力循环下面是一个仅有一级中间抽汽回热措施的蒸汽动力装置的示意图。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-22当蒸汽在汽轮机中经初步膨胀作功而压力降低到某个中间压力时，从中抽出少量蒸汽送至回热器作回热用，其余所有蒸汽仍继续在汽轮机中膨胀到乏汽压力作出轴功。当乏汽在冷凝器中凝结成水后用水泵加压到等于中间抽汽的压力，送入回热器和从汽轮机抽出的蒸汽相接触，两者混合回热而形成与中间抽汽压力所对应的饱和水，最后经给水泵加压后重新送入锅炉。SAM再热-回热循环一次再热和两次回热的蒸汽动力装置示意图从热力学观点来看，采用回热措施总是有利的，故现代大中型蒸汽动力装置无一例外地都采用回热循环。显然，采用回热措施必然要增加设备投资并使运行更加复杂，因此，在选择回热循环的回热级数及抽气系数时，必须经过全面的技术经济比较来确定。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-23SAMCogeneration

System

热电联产系统Thermal

Energy

Engineering

Department

9-24SAM背压式热电联产循环Thermal

Energy

Engineering

Department

9-25为了利用汽轮机乏气中的热能，必须适当提高乏气的压力，乏气参数应根据大多数用户的需要来确定，一旦确定之后，汽轮机就在这个确定的背压下工作。通常将乏气压力超过1bar的汽轮机称为背压式汽轮机。重要参数：循环热效率热量利用系数电热比对于背压式热电联产循环来说，当t1、p1及p2一定时，循环热效率、热量利用系数及电热比都是确定的，供电量与供热量的配比是固定的，不能单独调节，难于适应热用户、电用户的不同要求。这是背压式热电联产的特点，也是其严重缺点。SAM抽气式热电联产循环抽气式热电联产循环是在回热循环的基础上，再增加一些厂外的热用户。可通过调节总供气量及抽气量来进行供热量与供电量的调节。该装置既能充分利用热量，还有利于环境保护，采用集中供热的热电厂是现在及未来蒸汽动力装置发展的方向。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-26水的临界参数是:22.12MPa、374.15℃；锅炉内工质压力低于临界压力的锅炉就叫亚临界锅炉，大于临界压力就是超临界锅炉。目前,国内将工质压力大于26MPa被称为超超临界锅炉,准确的说应该叫高效超临界锅炉。在超临界锅炉内随着压力的提高，水的饱和温度也随之提高，汽化潜热减少，水和汽的密度差也随之减少。当压力达到或高于临界压力时，汽化潜热为零，汽和水的密度差也等于零，水在该压力下加热到临界温度时即全部汽化成蒸汽。因此超临界压力下水变成蒸汽不再存在汽水两相区，由此可知，超临界压力直流锅炉由水变成过热蒸汽经历了两个阶段即加热和过热，而工质状态由水逐渐变成过热蒸汽。SAM

超临界锅炉Thermal

Energy

Engineering

Department

9-26超临界火电技术由于参数本身的特点决定了超临界锅炉只能采用直流锅炉，且没有汽包，启停速度快。与一般亚临界汽包炉相比，超临界直流锅炉启动到满负荷运行，变负荷速度可提高1倍左右。变压运行的超临界直流锅炉存在工质的热膨胀现象，并且在亚临界压力范围内可能出现膜态沸腾；在超临界压力范围内可能出现类膜态沸腾。超临界直流锅炉要求的汽水品质高，要求凝结水进行100%除盐处理。由于超临界直流锅炉水冷壁的流动阻力全部依靠给水泵克服，所需的

压头高，即提高了制造成本、又增加了运行耗电量，且直流锅炉普遍

存在着流动不稳定性、热偏差和脉动水动力问题。另外，为了达到较

高的质量流速，必须采用小管径水冷壁，较相同容量的自然循环锅炉

超临界直流锅炉本体金属耗量最少，锅炉重量轻，但由于蒸汽参数高，要求的金属等级高，其成本高于自然循环锅炉。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-26SAM

超临界锅炉的特点SAM超超临界锅炉技术于上个世纪90年代初在欧洲问世，是国际上最为先进的燃煤发电技术，具有无可比拟经济性，单台机组发电热效率最高可达50%，每kW/h煤耗最低仅有255g（丹麦BWE公司），较亚临界压力机组（每kW/h煤耗最低约有327g左右）煤耗低；同时采用低氧化氮技术，在燃烧过程中减少65%的氮氧化合物及其它有害物质的形成，且脱硫率可超98%，可实现节能降耗、环保的目的。未来火电建设将主要是发展高效率高参数的超临界和超超临界火电机组，它们在发达国家已得到广泛的研究和应用。超超临界机组的发电效率比我国近期主要采用的亚临界机组高出

10%，比超临界机组高出6～8%。1998年，最早投入运行的超超临界机组安装在丹麦的Nordjyllands发电厂，由丹麦BWE公司设计生产，发电效率创造了新的世界记录，达到47%。Thermal

Energy

Engineering

Department

9-26我国于2002年把开发超超临界锅炉列为国家863重大项目攻关计划，2003年原国家经贸委和科技部都把超超临界锅炉列入国家重大技术装备研制计划。2004年11月23日凌晨1时17分,由中国东方电气集团公司东方锅炉为华能沁北电厂提供的国产首台60万千瓦超临界锅炉顺利通过168小时试运行并投入商业运行。该项目成功填补60万千瓦超临界锅炉国产化空白。东方电气由此跻身为全球大容量电站锅炉品种最齐全的锅炉制造商。国产首台60万千瓦超临界示范机组锅炉的研制成功和投入运行,用事

实证明60万千瓦超临界锅炉、100万千瓦超超临界机组锅炉硬件制造

100%国产化完全可以实现。这一国产化重大技术装备的研制成功,将大大降低60万千瓦超临界机组锅炉的采购成本,为全国范围内普及高效率、低煤耗、低污染排放的60万千瓦超临界机组创造了条件。据测算,如果今后全国60万千瓦及以上超临界机组能占到发电设备的50以上,

每年就可节省煤炭几亿吨。这将对我国电力工业的发展产生深远影响。SAMThermal

Energy

Engineering

Department