氣體動(dòng)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(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。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)三、重點(diǎn)及難

2、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(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、主要外語詞匯：sabeander cycle, diesel cycle, otto cycle, spark ignition, brayton cycle, gas turbine, rankine cycle, vapor, air standard assumption

3、s, 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)醽硖岣邿嵝?？?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?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，無論是內(nèi)燃機(jī)循環(huán)、燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)或是蒸

4、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髦蟹抛叽罅繜崃?，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(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 氣體動(dòng)力循環(huán)在學(xué)習(xí)本章過程中需要掌握三個(gè)問題

5、：1） 余隙容積對壓氣機(jī)產(chǎn)生什么影響？2） 壓縮比的影響如何？如有矛盾采用什么方法解決？3） 請說明多級壓縮級間冷卻原理？§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

6、，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：將不可逆燃燒過程用可逆的吸熱過程來代替；將工質(zhì)在發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行分析計(jì)算，即計(jì)算循環(huán)中有關(guān)狀態(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

7、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(jìn)而分析對循環(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(diǎn)結(jié)果引入必要的修正；6） 對實(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。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(xué)第一定律進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換量的分析時(shí)有：其中： 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； 以T1為高溫?zé)嵩?，To為低溫?zé)嵩磿r(shí)卡諾循環(huán)熱效率； 與實(shí)際循環(huán)相應(yīng)的

8、內(nèi)部可逆循環(huán)的熱效率； ()相對熱效率，是考慮了內(nèi)部可逆理論循環(huán)因與高、低溫?zé)嵩创嬖跍夭顣r(shí)造成的損失； 循環(huán)相對內(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：即： （102）過程的熵產(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(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?。浩渲校治鲅h(huán)的不可逆損失也可采用用方法，設(shè)備或系統(tǒng)的用效率用表示：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

9、評價(jià)熱力系統(tǒng)熱力學(xué)完善程度的參數(shù)。§102活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡化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)際過程中，柴油機(jī)活塞運(yùn)行如下：01：活塞右行的吸氣過程，到達(dá)1點(diǎn)（下死點(diǎn)），進(jìn)氣閥關(guān)閉；12：活塞左行到上死點(diǎn)之前的2，柴油噴入汽缸；22：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；23：燃料燃燒過程，接近定容過程，且活塞到達(dá)上死點(diǎn)3點(diǎn)后，準(zhǔn)備右行；34：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)1700oC1800oC；45：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

10、此為不完全絕熱過程。51：5點(diǎn)，氣體壓力約為0.30.5MPa，t500oC，排氣閥打開，此時(shí)氣缸內(nèi)的壓力突然下降，因此接近定容過程；10：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)”對實(shí)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(biāo)準(zhǔn)假設(shè)”是指：把實(shí)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(jī)的合理簡化歸納起來主要為：

11、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(shí)際過程中的摩阻及進(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。所以理想的四沖程柴油機(jī)循環(huán)就簡化成右圖所示的p-v圖表示的過程：為簡化計(jì)算并提供一種往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的比較手段，工程界引進(jìn)平均有效壓力的概念，用MEP表示，定義為：這里沖程指：上止點(diǎn)到下止點(diǎn)的距離。§103活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)1、混合加熱理想循環(huán)（定容燃燒定壓

12、燃燒）（薩巴德循環(huán)）（1）表征混合加熱循環(huán)的特征參數(shù)壓縮比：定容增壓比：定壓預(yù)脹比：（2）循環(huán)中各過程的熱量及功量：12：絕熱壓縮過程： 23：定容吸熱過程： 34：定壓吸熱過程： 45：絕熱膨脹過程：51：定容放熱過程：循環(huán)凈功： 若用特征參數(shù)表示，則進(jìn)一步對上式進(jìn)行簡化：12及45為定熵過程： 又 51時(shí)：將以上各溫度代入表達(dá)式中有：亦即，柴油機(jī)混合理想循環(huán)熱效率隨壓縮比和定容增壓比的增大而提高，隨預(yù)脹比的增大而降低。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)）（無定容加熱過程）如

13、7;102中介紹的高增壓柴油機(jī)，一邊膨脹，一邊燃燒，整個(gè)燃燒過程氣體壓力基本保持不變，省去1中23定容吸熱過程。如下圖所示。12，絕熱壓縮： 23，定壓加熱： 34，絕熱膨脹：41，定容放熱：用特征參數(shù)可表示為：即隨增大而增大，隨的增大而減小。3、定容加熱理想循環(huán)（奧托循環(huán)）如煤氣機(jī)、汽油機(jī)的燃燒過程可近似看成定容加熱。在循環(huán)中23為定容加熱過程：34為定熵膨脹過程：41為定容放熱過程：12為定熵壓縮過程：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

14、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(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)熱效率各為多少？解：先尋找未知溫度T2、T4與已知溫度T1、T3之間的關(guān)系。過程12和過程34是定熵過程，于是：12：34：過程23及過程41為定容過程， 有 (1)而定容加熱循環(huán)時(shí)，循環(huán)凈功為：將（1）式代入上式，并要使循環(huán)凈功為最大時(shí)，則有：，即：有： 即： (2)將此結(jié)果代入（1）式得： 則此循環(huán)熱效率為：§104活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較對各種理想循環(huán)熱效率作比較時(shí)，必須要有一個(gè)共同的標(biāo)準(zhǔn)，一

15、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Ts圖上最為簡便。1、相同壓縮比，相同吸熱量q1時(shí)的比較在右圖中：12341為定容加熱，122341為混合加熱，12341為定壓加熱。q1相同，即比較q2：定容過程：，混合過程：，定壓過程： 又 在上述結(jié)論中，回避了不同機(jī)型應(yīng)彩不同壓縮比的問題，但實(shí)際上，由于采用不同的燃料，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、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，12341是定容加熱理想循環(huán)；123341為混合加熱理想循環(huán)，12341為定壓加

16、熱理想循環(huán)。從圖中可以看出：.即：而： 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。§106燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)1、燃?xì)廨啓C(jī)裝置簡介燃?xì)廨啓C(jī)的動(dòng)力裝置由壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)鈾C(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)?，并與燃燒室剩余空氣混合后，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的噴管，

17、膨脹加速而沖擊燃?xì)廨啓C(jī)的葉片對外作功。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（稱為凈功）對外輸出，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) 布雷頓循環(huán)12：絕熱壓縮（壓氣機(jī)）23：定壓加熱（燃燒室）34：絕熱膨脹（燃?xì)廨啓C(jī)）41：定壓放熱其熱效率：循環(huán)吸收的熱量：循環(huán)放出的熱量：又 則由各過程特征有： 上式

18、表明：布雷頓循環(huán)的熱效率取決于循環(huán)增壓比，且隨的增大而提高。而對于增壓比的選擇還應(yīng)考慮它對循環(huán)凈功的影響。循環(huán)凈功的求法如下：又上式表明：在一定溫度范圍T1、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(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)為零，即：則得使循環(huán)凈功達(dá)到最大值時(shí)的最佳增壓比為：此時(shí)：由此可得：對布雷頓循環(huán)，值增大，可使提高，而為了獲得最大凈功，又存在最佳的值。因此，在選擇燃?xì)廨啓C(jī)裝置增壓比時(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。§107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)過程都存在不可逆因素帶來的損失，這里主要考慮壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部

19、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)它們的過程是不可逆絕熱過程，其循環(huán)見右圖中1234所示。為考慮不可逆因素對循環(huán)性能的影響，引入壓氣機(jī)絕熱效率與燃?xì)廨啓C(jī)相對內(nèi)效率來修正。它們的定義分別為： 而實(shí)際循環(huán)的吸熱量為：實(shí)際循環(huán)的放熱量為：實(shí)際循環(huán)的凈功為：實(shí)際循環(huán)的熱效率可利用已求得的、或求得：即：為了要分析影響循環(huán)熱效率的因素，經(jīng)過推導(dǎo)，當(dāng)工質(zhì)比熱容為定值時(shí)，實(shí)際循環(huán)的熱效率又可寫成：從上式可以看出：（1）提高增溫比可提高循環(huán)熱效率。但T1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

20、采用高溫合金及氣膜冷卻等措施，T3已高達(dá)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）提高和，可提高循環(huán)熱效率。、主要取決于壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片之間氣流通道的設(shè)計(jì)及加工，目前水平為、；（3）影響實(shí)際循環(huán)熱效率的因素除、外，還有增壓比。對一定的、，開始時(shí)循環(huán)熱效率隨的增加而增大，但達(dá)到某一最大值后反而隨的增加而降低。有最佳值問題。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。§108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、安排過程。其中，最有效的

21、措施有：（1）采用回?zé)幔唬?）在回?zé)峄A(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?xì)廨啓C(jī)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)12341，注意到燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度T4通?？偸歉哂趬簹鈾C(jī)出口T2，循環(huán)加熱和放熱過程的溫度變化范圍有交叉。利用這個(gè)溫度交叉段增設(shè)回?zé)崞鳎M(jìn)行內(nèi)部回?zé)?，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。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)?，極限回?zé)犭m然對提高裝置的

22、內(nèi)部效率最為有效，但由于傳熱必須有溫差，因此無法實(shí)現(xiàn)。我們用回?zé)岫葋肀硎緦?shí)際的回?zé)岢潭?，其定義為實(shí)際回?zé)崃颗c理想回?zé)崃康谋戎担矗和ǔ?。在對采用了回?zé)岽胧┑难h(huán)進(jìn)行能量分析和計(jì)算時(shí)要注意吸熱過程、放熱過程初、終態(tài)變化，至于計(jì)算方法與不采用回?zé)釙r(shí)相同。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，壓力為100KPa，循環(huán)增壓比5，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口溫度為，且壓氣機(jī)絕熱效率，燃?xì)廨啓C(jī)相對內(nèi)效率，空氣的質(zhì)量流量為。試計(jì)算：在理想極限回?zé)釙r(shí)，及由于回?zé)崞饔袦夭顐鳠?、回?zé)岫葧r(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：點(diǎn)2：點(diǎn)2： 點(diǎn)3：點(diǎn)4

23、：點(diǎn)4： 點(diǎn)5：點(diǎn)5： 由得：點(diǎn)6：點(diǎn)6：由得： （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：循環(huán)放熱量為：循環(huán)凈功率為：循環(huán)熱效率為：（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：循環(huán)放熱量為：循環(huán)凈功率為：循環(huán)熱效率為：可見采用回?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谑徽?蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置水蒸氣是工業(yè)上最早使用來作為動(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，因此裝置設(shè)

24、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。§111簡單蒸汽動(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，所以蒸汽機(jī)原則上可采用卡諾循環(huán)，如圖中56785所示。而實(shí)際的蒸汽動(dòng)力裝置中不采用上凍循環(huán)

25、，其主要原因有以下幾點(diǎn)：1） 在壓縮機(jī)中絕熱壓縮85過程難以實(shí)現(xiàn)；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，分析主

26、要參數(shù)對循環(huán)的影響，與前述循環(huán)一樣，首先對實(shí)際循環(huán)進(jìn)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。朗肯循環(huán)的能量分析與計(jì)算如下：循環(huán)的吸熱量：循環(huán)的放熱量：水蒸氣流經(jīng)汽輪機(jī)時(shí)，對外作出的功為：水在水泵中升壓所消耗的功為：由于水的不可壓縮性，在壓縮過程中的容積變化可以忽略。水泵中升壓，因此泵功可以用下式近似計(jì)算：那么循環(huán)熱效率為：由于水泵耗功相對于汽輪機(jī)作出的功而言極小，這樣熱效率可近似表示為：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)力裝置中全部過程都是不可逆過程，

27、尤其是蒸汽經(jīng)過汽輪機(jī)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(jī)中有摩阻損耗的實(shí)際循環(huán)。所以在Ts圖中，原來的可逆絕熱過程12由不可逆絕熱過程12act所代替，則蒸汽經(jīng)過汽輪機(jī)時(shí)實(shí)際所作技術(shù)功為： 少作的功為冷凝器中多排出的熱量用表示汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽實(shí)際作功與理論作功之比，稱為汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率，即： 理想絕熱焓降，實(shí)際循環(huán)凈功為： 水泵功較小，可忽略：用（內(nèi)部循環(huán)熱效率）來表示蒸汽在實(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：用表示機(jī)械效率，則軸功為：軸功率為： 蒸汽耗量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)對熱效率的影響可通過提高蒸汽初態(tài)壓力、

28、初溫，降低終參數(shù)的辦法來提高。當(dāng)循環(huán)初壓提高（見圖114P300）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（見圖113P300），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，可使終態(tài)2的干度增大，這對提高汽輪機(jī)的相對內(nèi)效率和延長汽輪機(jī)的壽命有利，而降低背壓，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)，希望通過過程的合理組織，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

29、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Ts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：循環(huán)加熱量：再熱循環(huán)熱效率：從上圖的Ts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)25622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功的蒸汽不加熱給水，即采用抽汽回?zé)岬霓k法回?zé)峤o水。采用一級抽汽、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)?，工質(zhì)在熱汽（鍋爐）中的吸熱從朗肯循環(huán)的41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?zé)嵫h(huán)的熱效率與無回?zé)岬睦士涎h(huán)熱效率