1
第 4 章 循环 -- cycles
2
§ 4–1 分析循环的一般方法
一,分析循环的目的
在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的
经济性,寻求提高经济性的方向及途径。
二,分析动力循环的一般步骤
1)实际循环(复杂不可逆)
抽象、简化 可逆理论循环
分析可逆循环 影响经济性的主要因素和可能改进途径
实际循环
指导改善
2)分析实际循环与理论循环的偏离程度,找出实际
损失的部位、大小、原因及改进办法。
3
三,分析循环的方法
1)第一定律分析法 以第一定律为基础,以能
量的数量守恒为立足点。
2)第二定律分析法 综合第一定律和第二定律
从能量的数量和质量分析。
熵分析法
分析法
熵产 作功能力损失
损 效率
4
§ 4-2 燃气轮机装置循环
一,燃气轮机 (gas turbine)装置简介
5
6
构成:
压气机 (compressor)
燃烧室 (combustion chamber)
燃气轮机 (gas turbine)
特点,
1.开式循环 (open cycle),工质流动
2.运转平稳,连续输出功
3.启动快,达满负荷快
4.压气机消耗了燃气轮机产生功率
的绝大部分,但 重量功率比
(specific weight of engine)仍较大
用途,飞机、舰船的动力载荷机组,电站峰荷机组 (peak-
load set),等。
7
二,定压加热理想循环
—constant-pressure combustion
cycle; Brayton cycle
1-2 等熵压缩(压气机内)
2-3 定压吸热(燃烧室内)
3-4 等熵膨胀(燃气轮机内)
4-1 定压放热(排气,假想换热器)
2
1
p
p? ?
循环增压比 — pressure ratio
3
2
T
T? ?
循环增温比 — temperature ratio
8
三,定压加热理想循环分析
1.热效率 ηt
? ? ? ?2323231 32 TTcTTchhq pttpm ??????
?
?
?
?
1
2
1
21
1
3
4
34
?
?
?
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?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
p
p
TT
p
p
TT?
23
14
pp
pp
?
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2
1
3
4
T
T
T
T ??
2
1
23
14
T
T
TT
TT ?
?
??
12
1 111
?
?????
?
?
?
?
T
T
t
注意:式中 T1,T2并非指高温
热源,低温热源 。
? ? ? ?1414142 41 TTcTTchhq pttpm ??????
23
14
1
2 11
TT
TT
q
q
t ?
??????
9
2.分析
无关与 3) Ta tt ??? ??
1 ne t) tb q w?? ??一定 不变
1
2 1
111
t
T
T ??
?
? ?
? ? ? ?

10
n e t m a x)c w w?? ?一定,取某值
ne t 1 2w q q??
? ?21ne t
ne t ne t,m a x0,
w ww
d
?
?? ??
?
?? ? ?令时
? ? ? ?? ?1423 TTTTc p ????
?
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?
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1
1
1
1
1
1
?
?
?
?
?
?
?
?
??
Tc
p
11
ne t)dw ??与 及 的关系
1
n e t 1 1) 1 1pc w c T
?
?
?
?
??
?
?
?
????
??? ? ???
????
??

可见:
1)对于每一 τ,均有其 wnet,max
2) τ上升,即 T3上升,使取
得 wnet,max 的 π 上升,ηt上
升,所以提高 T3 能带动
wnet,max 及 ηt同时升高。
12
§ 4–3 燃气轮机装置定压加热实际循环
一,定压加热的实际循环
1-2 不可逆绝热压缩;
2-3 定压吸热;
3-4 不可逆绝热膨胀;
4-1 定压放热。
13
二,压气机绝热效率 (adiabatic compressor efficiency) ηCS
和燃气轮机相对内效率 (adiabatic turbine efficiency)ηT
C S 2 1
CS '
C 2 1
s
a
w h h
w h h
? ???
?
? ?'C 2 1
CS
1
sw h h??? ? ?2 1 2 1
CS
1
ash h h h?? ? ?
'
,34
,3 4
tT a
T
t T s
w hh
w h h
? ???
?
? ?',3 4t T T sw h h???
? ?4 3 3 4Tsah h h h?? ? ?
14
三, 燃气轮机装置的内部热效率
(internal thermal efficiency)ηi
'
n e t
'
1
i
w
q
? ?
整理后可得:
? ? ? ?' ' 'ne t,3 4 2 1
Cs
1
t T c T s sw w w h h h h? ?? ? ? ? ? ?
? ?'1 3 2 3 1 2 1
Cs
1
sq h h h h h h?? ? ? ? ? ?
? ? ? ?
? ?
1
3 4 2 1
CS
CS
3 1 2 1 1
C S C S
1
1
1 1 1
1
T
o i s s
i
s
h h h h
h h h h
?
?
?
?
?
?
?
?
? ?
?
?
??
?
?
?
?
? ? ?
??
?
? ? ? ?
?
15
? ? ? ?
? ?
1
3 4 2 1
CS
CS
3 1 2 1 1
C S C S
1
1
1 1 1
1
T
o i s s
i
s
h h h h
h h h h
?
?
?
?
?
?
? ?
? ?
?
?
??
?
?
?
?
? ? ?
??
?
? ? ? ?
?
讨论,
C
CS
CS
)
0,85 ~ 0,92 0,85 ~ 0,90
iT
Ti
T
a ? ? ? ? ?
? ? ?
??
? ? ? ?
??
S除, 外 还与, 有关,

目前,
?? ib ???,) 一定时,
但有极值?? ic ??,)
增大 τ是提高燃气轮机装置性能( wnet,ηi)的方向。
16
§ 4–4 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施
一,回热 —regeneration
讨论
? ?
? ?182
731)1
TTcq
TTcq
p
p
??
??


tt T
T
q
q
?? ??????





1
2
1
2
,11
2)极限回热 ? ? ? ?
162531 TTcqTTcq pp ???? 回回
17
3)回热度 —regenerator effectiveness
? ? 实 际 回 热 利 用 的 热 量理 论 上 极 限 可 利 用 的 热 量
注意,π达一定值,回热不能进行
4)实际循环的回热
7 2 4 8
5 2 4 6
h h h h
h h h h?
????
??
18
分级压缩,中间冷却 —multistage compression and
intervening cooling
19
二, 分级压缩,中间冷却
采用分级压缩,中间冷却后 ηt??
循环 12341:
?
?
?
? 111 ???t
循环 1567341:
循环 12341
循环 67256
循环 67256:
tt ?
?
?
?
? ??? ? 1
1
11'
12 34 115 67 34 1 tt ?? ??
回热基础上分级压缩中间冷却
ne t,15 67 34 1 ne t,12 34 1ww ?
回热基础上
1 2 3 4 1,11 5 6 7 3 4 1,1 qq ?
1 2 3 4 1,1 5 6 7 3 4 1,tt ?? ??
20
三,回热基础上分级膨胀,中间加热
循环 12389101
=循环 127101-循环 37983
若无回热
127101,12341,tt ?? ?
若回热
循环 12389101与循环 12341
比较 T1m上升,T2m下降
12389101,12341tt?? ?
注意:
当分级压缩中间冷却;分级
膨胀中间再热,级数趋向 无穷
多 时,定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。
127101,2389101,tt ?? ?
,2389101,12341tt?? ?
21
气体动力循环热效率分析归纳,
基础,
n e t 22
11 1
1 1 1 Lt
h
w q T T
q q TT
? ? ? ? ? ? ? ?
方法,
在 T-s图上叠加、拆分等;
在 T-s图上与同温限卡诺循环比较;
利用 ηt=f (x,y,z ···)的数学特性。
例题 \第十章 \A470389.ppt
例题 \第十章 \A474299.ppt
讲座 \,ppt
22
§ 4–5 喷气发动机 (jet engine)简介
定压燃烧喷气式发动机的理论循环及实际循环与
燃气轮机装置定压加热循环相同。
23蒸汽电厂示意图
24
§ 4-5 再热循环 — reheat cycle;
resuper-heating cycle
再热对循环效率的影响
忽略泵功:
n e t 1 5 6 7w h h h h? ? ? ?其他影响,x末 上
升,d0下降;但
复杂化,投资上
升。
ηt?
56311 hhhhq ????
ne t 1 5 6 7
1 1 3 6 5
t
w h h h h
q h h h h?
? ? ???
? ? ?
25
§ 4-6 回热循环 --regenerative cycle
一,抽汽回热循环 —regenerative cycle with
steam extraction;
regenerative cycle
with feed-water
heater
两种主要方式:
26
幻灯片 38
27
二,回热循环计算
1.抽汽量
? ? 01 '01014 ???? hhh ??
忽略泵功
'24 hh ?
0 1 ' 2 '
0 1 2 '
hh
hh
? ??
?2.回热器 (regenerator)R
熵方程:
? ?
? ?0
1 '0101'2
???
?????
cV
gf
s
SSsss ??
能量方程:
? ? '201'01 1 sssS g ?? ????
gSTI 0?
28
3.循环热效率
? ? ? ? ? ?n e t 1 0 1 0 1 21w h h h h?? ? ? ? ?
?
? ? ? ?? ?
'011
201011
1
1
hh
hhhh
q
w n e t
t ?
?????? ??
讨论:
a) 抽汽回热 ηt上升
b) 抽汽级数越多 ηt越高,若级数趋向无穷,ηt=1?
? ?? ? ? ?011211 hhhhwor ne t ????? ??
'0111 hhq ??
? ?? ?'222 1 hhq ??? ?
? ?? ?
'011
'22
1
2 111
hh
hh
q
q
t ?
?????? ??
29
思考,1)抽汽回热循环
'22
'22
'011
'011
1
ss
hh
T
ss
hh
T
T
T
t
?
?
?
?
?
?
??
放吸


其中
?

概念,循环不可逆,不可用 21 TT
2)回热器是间壁式,怎么求?
3)回热器中过程不可逆,为什么
循环 ηt上升?
? ?? ?
? ? 1
2
'0111
'222
1
2 111
T
T
ssT
ssT
ST
ST
t ??
????
?
??? ??
?
幻灯片 35
30
例题 \第十一章 \A466266.ppt
例题 \第十一章 \A460200.PPT
例题(英) \A466277(英),ppt
例题(英) \A466398(英),ppt
31
§ 4-7 热电合供循环
—power-and-heating plant cycle
背压式
32
抽汽凝汽式
33
§ 4-8 燃气 -蒸汽联合循环
一,燃 -蒸联合循环
—combination steam turbine-gas turbine cycle
燃气 -蒸汽联合循环型式之一 燃气 -蒸汽联合循环型式之二
34
35
燃气 -蒸汽联合循环型式之三 —— 热电合供
二,程氏循环等
36
§ 4-9制冷循环概述
制冷循环
热泵循环
逆向循环
--reverse cycle
is o 0 0cS S S? ? ? ? ? ?
is o 0 0cS S S? ? ? ? ? ?
37
经济性指标,
c
c
qq
q
?
?
0
?
c
c
c TT
T
?
?
0
?
深冷 <1
普冷 >1
冷吨 -- 1000kg0oC 的饱和水在 24小时内冷冻成
0oC 的冰所需的制冷量;
1冷吨 =3.86kJ/s;(美国 1冷吨 =3.517kJ/s )
制冷装置工作性能系数 COP;
38
§ 4-10 压缩气体制冷循环
-- Gas-compression refrigeration cycle
一,简介
39
二,制冷系数 —the coefficient of performance(COP)
321 hhq ??
定比热
?
?
?
?
?
?
1
43
1
12
?
?
?
?
TT
TT
ne t 1
cc
c
qq
w q q? ?? ?
41 hhq c ??
? ? ? ? ? ?n e t 2 1 3 4 2 3 1 4w h h h h h h h h? ? ? ? ? ? ? ?
? ? ? ?
14
n e t 2 3 1 4
cq hh
w h h h h
? ?? ? ?
? ? ?? ? ? ?4132
41
TTTT
TT
???
?
12
1
1
1
1
TT
T
?
?
?
? ?
?
?
?
40
讨论:
1)
?? ?????
12
1
0 TT
T
TT
T
c
c
c
??
相同温度的 T 0和 TC
2),??
?cq但
例题 \第十二章 \A361255.ppt
41
三,回热式压缩空气制冷循环
压缩空气制冷,qc较小,
且随 π上升,ε下降,为兼顾
Qc及 ε,采用大流量叶轮压缩
机并回热。
42
回热后:
因为 面积 12nm1=面积 45gk4
所以 qc=面积 1mg61
q1=面积 34kn3=面积 3’5’gm3’
ε相等,
π下降
例题 \第十二章 \A461277.doc
43
§ 4- 1 1 压缩蒸汽制冷循环
--The vapor-compression cycle
一, 简介
二,制冷系数 ε
4151 hhhhq c ????
ne t
cq
w
? ?421 hhq ??
ne t 2 1w h h??
12
41
hh
hh
?
??
12
41
TT
TT
?
??
44
三,状态参数确定
ne t
cq
w
? ?
12
41
hh
hh
?
??
45
46
例题 \第十二章 \A466166.ppt
例题 \第十二章 \A466277.doc
47
§ 4-12 制冷剂 (Refrigerants)性质
制冷剂热力性质,
1.对应制冷装置工作温度的饱和压力适中;
2.汽化潜热大;
3.临界温度应高于环境温度;
4.蒸汽比体积小,导热系数大;
5.蒸发压力不低于环境压力,三相点低于制冷循环下
限温度。
6.上、下界限线(在 T-s图)陡峭,使冷凝更接近定温
放热及减少节流引起制冷能力损失。
48
制冷剂其他性质
1.对环境友善
2.安全无毒
3.溶油性好,化学稳定性好,
蒙特利尔协定书
CHCC
HCHC
R134a
52
§ 4-14 热泵循环 —heat pump
一, 简介
二, 供热系数
n e t 2 2
n e t n e t
' 1 1wq q
ww
? ?? ? ? ?
工业锅炉,7.0?B?
电厂热效率,35.0?
t?
热泵供暖系数,3'??
aBa QQQ 7.0?? ?
ata QQQ 05.1' ?? ??
53
三, 热泵供暖
例:华北某市热电厂排出水温 30℃ 以上,余热量
93,4 1 0 k J / h? 如以热泵回收,能满足 1000万平方米
建筑物采暖,一年节煤 100万吨。
使用限制:
1.ε'与 TR-T0反比,所以北方 ε'比较低。
2.制冷,供暖联合运行工质性质要求苛刻。
3.环境热源土壤,水,空气分别存在 λ小、
凝固、腐蚀等。