热力循环比较

【关键字】提出斯特林循环Stirlingcycle热气机(即斯特林发动机)的理想热力循环，为19世纪苏格兰人R.斯特林特林循环在压-容(为卩)图和温-熵(T-S)图上的表示。它是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。热机在定温(T1)膨胀过程中从高温热源吸热，而在定温(T2)压缩过程中向低温热源放热。斯特林循环的热效率为[0727-01] 式中W为输出的净功；Q1为输入的热量。根据这个公式，只取决于T1和T2,T1越高、T2越低时，贝扫越高，而且等于相同温度范围内的卡诺循环热效率。因此，斯特林发动机是一种很有前途的热力发动机。斯特林循环也可以反向操作，这时它就成为最有效的制冷机循环。卡诺热机循环的效率让我们分析以理想气体为工作物质的卡诺热机循环并求其效率。以v表示理想气体的摩尔数，以T1和T2分别表示高温和低温热库的温度。气体的循环过程如图10.12所示。它分为以下几个阶段，两个定温和两个绝热过程。2：使温度为T1的高温热库和气缸接触，气缸内的气体吸热作等温膨胀。体积由V1增大到V2。由于气体内能不变，它吸收的热量就等于它对外界做的功。利用公式(10.3)可得3：将高温热库移开，气缸内的气体作绝热膨胀，体积变为V3,温度降到T2。4：使温度为T2的低温热库和气缸接触，缸内的气体等温地被压缩到体积V4,使状态4和状态1位于同一条绝热线上，在这一过程中，气体向低温热库放出的热量为1：将低温热库移开，缸内的气体绝热地被压缩到起始状态1，完成一次循环。在一次循环中，气体对外做的净功为W=Q1-Q2卡诺循环中的能量交换与转化关系可用图10.13那样的能流图表示。根据热机效率的定义公式(10.23)，可得理想气体卡诺热机循环的效率为根据理想气体的绝热过程方程，对两条绝热线应分别有两式相比，可得从而有(10.25)这就是说，以理想气体为工作物质的卡诺循环的效率只由两热库的温度决定。这里，我们再指出一点，卡诺循环被设想为是理想气体的准静态过程，此外还假设在循环过程中气缸和活塞以及热机各部件之间无摩擦。这样工质推动活塞所做的功将全部向热机之外输出。所以卡诺循环是无摩擦的准静态的理想循环。卡诺热机是理想热机，是对实际热机抽象的结果。卡诺采用科学抽象的方法，从复杂的热机中抽出一般的、本质的、普遍的属性进行研究，以便简化条件，突出它的主要矛盾。恩格斯对卡诺的研究方法给予了很高的评价。他写道：“萨迪•卡诺是第一个认真研究这个问题的人。”“他研究了蒸汽机，分析了它，发现蒸汽机中的基本过程并不是以纯粹的形式出现，而是被各种各样的次要过程掩盖了；于是他撇开了这些对主要过程无关重要的次要情况而设计了一部理想的蒸汽机(或煤油机)。的确，这样一部机器就像几何学上的线或面一样是决不可能制造出来的，但是它按照自己的方式起了像这些数学抽象所起的同样的作用，它表现为纯粹的、独立的、真正的过程。”现代热电厂的汽轮机利用的水蒸汽温度可达580°C，冷凝水的温度为30°C，若按卡诺循环计算，其效率为实际汽轮机的效率比这低得多，最高只到36％左右，这是因为实际的循环和卡诺循环差很多。例如热库并不是恒温的，因而工质可以随处和外界交换热量，而且它进行的过程也不是准静态的。尽管如此，(10.25)式还是有一定的实际意义。由于低温热库的温度受到大气温度的限制，所以由(10.25)式可知提高高温热库的温度是提高效率的途径之一。狄塞尔循环：柴油机的一种理想的热力循环。狄塞尔循环是19世纪德国工程师狄塞尔，R.提出的，因而得名。图1狄塞尔循环为狄塞尔循环在压-容(-V)图和温-熵(T-S)图上的表示。它是由绝热压缩过程1-2、定压加热过程2-3、绝热膨胀过程3-4和定容放热过程4-1所组成的可逆循环。狄塞尔循环的热效率为式中W为输出的净功；Q1为输入的热量；为比热容比。这个公式说明：随压缩比的增大而提高；随预胀比的增大而降低。图2与、的关系表示出=1.35时与和的关係。实际上这一类柴油机的压缩比是有限制的。的下限值应保证燃料的可靠自燃，因而取决於燃料的自燃特性。虽然增大可提高，但将使机械效率降低，因而值并非越大越好，而要选择适当，使实际效率最高。蒸汽动力基本循环一朗肯循环朗肯循环是最简单的蒸汽动力理想循环，热力发电厂的各种较复杂的蒸汽动力循环都是在朗肯循环的基础上予以改进而得到的一、装置与流程蒸汽动力装置：锅炉、汽轮机、凝汽器和给水泵等四部分主要设备。工作原理：p-v、T-s和h-s。朗肯循环可理想化为：两个定压过程和两个定熵过程。3'-4-5-1水在蒸汽锅炉中定压加热变为过热水蒸气，2过热水蒸气在汽轮机内定煽膨胀，3湿蒸气在凝汽器内定压(也定温)冷却凝结放热，3'凝结水在水泵中的定情压缩。

二、朗肯循环的能量分析及热效率取汽轮机为控制体，建立能量方程：二、提高朗肯循环热效率的基本途径依据：卡诺循环热效率提高平均吸热温度直接方法式提高烝汽压力和温度。降低排气温度..例1：某朗肯循环的蒸汽参数取为=550,=30bar,=0.05bar试计算1）水泵所消耗的功量，2）汽轮机作功量，3）汽轮机出□蒸汽干度，4）循环净功，5）循环热效率。解：根据蒸汽表或图杳得1、2、3、4各状态点的焓、熵值：=3568.6KJ/kg =7.3752kJ/kgK=2236kJ/kg =7.3752kJ/kgK=137.8kJ/kg =0.4762kJ/kgK=140.9kJ/kg则1）水泵所消耗的功量为=140.9-137.78=3.1kJ/kg2）汽轮机作功量=3568.6-2236=1332.6kJ/kg3）汽轮机出□蒸汽干度=0.05bar时的=0.4762kJ/kgK=8.3952kJ/kgK.则0.87或杳h-s图可得 =0.87.4）循环净功=1332.6-3.1=1329.5kJ/kg5）循环热效率=3568.6-140.9=3427.7KJ/kg故=0.39=39%(i)p3a=6.867bart3a=490C 水泵的功=0.001(686.7-9.810.-8=0.846kJ/kgwnet=923.57-0.846=922.72kj/kg(ii)p3b=58.86,bat3b=490"C水泵的功=0.001(5886-9.81).48=7.34kJ/kgwnet=1057.5-7.34=1050.16kJ/kg11.2再热循环与回热循环一、再热循环再热的目的：克服汽轮机尾部蒸汽湿度太大造成的危害。再热循环：将汽轮机高压段中膨胀到一定压力的蒸汽重新引到锅炉的中间加热器称为再热器）加热升温，然后再送入汽轮机使之继续膨胀作功。

二、回热循环抽气回热循环：用分级抽汽来加热给水的实际回热循环。设有1kg过热蒸汽加入汽轮机膨胀作功。当压力降低至时，由汽轮机内抽取alkg蒸汽送入一号回热器，其余的(1-al)kg蒸汽在汽轮机内继续膨胀，到压力降至时再抽出a2kg蒸汽送入二号回热器，汽轮机内剩余的(1-al-a2)kg蒸汽则继续膨胀，直到压力降至时加入凝汽器。凝结水离开凝汽器后，依次通过二号、一号回热器，在回热器内先后与两次抽汽混合加热,每次加热终了水温可达到相应抽汽压力下的饱和温度。注意：电厂都米用表面式回热器(即蒸汽不与凝结水相混合)，其抽汽回热的作用相冋。例2：某蒸汽动力循环。汽轮机进口蒸汽参数为p1=13.5bar,t1=370°C,汽轮机出口蒸汽参数为p2=0.08bar的干饱和蒸汽，设环境温度t0=20C,试求：(1)汽轮机的实际功量、理想功量、相对内效率；(2)汽轮机的最大有用功量、熵效率；(3)汽轮机的相对内效率和熵效率的比较。解：先将所研究的循环表示在h-s图(图10.3)上，然后根据已知参数在水蒸气图表上查出¥令来&有大参数：h1=3194.7kJ/kgs1=7.2244kJ/(kg・K)kJ/kgkJ/(kg・K)kJ/kgkJ/(kg・K)(1)汽轮机的实际功量：w12=h1-h2=3194.7-2577.1=617.6kJ/kg汽轮机的理想功量：kJ/kg汽轮机的相对内效率(2)汽轮机的最大有用功和熵效率汽轮机的最大有用功汽轮机的熵效率：(3)汽轮机的相对内效率和熵效率的比较计算结果表明，汽轮机的对内效率小于熵效率。因为这两个效率没有直接联系，它们表明汽轮机完善性的依据是不冋的。汽轮机的相对内效率是衡量汽轮机在给定环境中，工质从状态可逆绝热地过渡到状态2所完成的最大有用功量(即两状态熵的差值)利用的程度，即实际作功量与最大有用功量的比值。注意：汽轮机内工质实现的不可逆过程1-2，可由定熵过程1-2'和可逆的定压定温加热过程2'-2两个过程来实现。定熵过程1-2'的作功量为kJ/kg在可逆的定压定温加热过程2'-2中，使x2'=0.8684的湿蒸汽经加热变为相同压力下的干饱和蒸汽，其所需热量为q2=h2-h2'。因为加热过程是可逆的，故可以想象用一可逆热泵从环境(T0=293K)向干饱和蒸汽(T2=314.7K)放热。热泵消耗的功量为w2'2=q2-T0kJ/kg。故1-2过程的最大有用功为kJ/kg与前面计算结果相同。显见，与的差别为而11.3热电循环布雷顿制冷循环等熵膨胀制冷高压气体绝热可逆膨胀过程，称为等熵膨胀。气体等熵膨胀时，有功输出，同时气体的温度降低，产生冷效应。这是获得制冷的重要方法之一，尤其在低温技术领域中。常用微分等熵效应来表示气体等熵膨胀过程中温度随压力的变化，其定义为：（1）因总为正值，故气体等熵膨胀时温度总是降低，产生冷效应。对于理想气体，膨胀前后的温度关系是：（2）由此可求得膨胀过程的温差（3）对于实际气体，膨胀过程的温差可借助热力学图查得，如图1所示。图1等熵过程的温差由于等熵膨胀过程有外功输出，所以必须使用膨胀机。当气体在膨胀机内膨胀时，由于摩擦、漏热等原因，使膨胀过程成为不可逆，产生有效能损失，造成膨胀机出口处工质温度的上升，制冷量下降。工程上，一般用绝热效率来表示各种不可逆损失对膨胀机效率的影响，其定义为：（4）即为膨胀机进出口的实际比焓降Ahpr与理想焓降（即等熵焓降）Ahid之比。目前，透平式膨胀机的效率可达至到0.75〜0.85,活塞式膨胀机的效率达0.65〜0.75。比较微分等熵效应和微分节流效应两者之差为：（5）因为u始终为正值，故as>ah。因此，对于气体绝热膨胀，无论从温降还是从制冷量看，等熵膨胀比节流膨胀要有效得多，除此之外，等熵膨胀还可以回收膨胀功，因而可以进一步提高循环的经济性。以上仅是对两种过程从理论方面的比较。在实用时尚有如下一些需要考虑的因素：（1）节流过程用节流阀，结构比较简单，也便于调节；等熵膨胀则需要膨胀机，结构复杂，且活塞式膨胀机还有带油问题；（2）在膨胀机中不可能实现等熵膨胀过程，因而实际上能得至的温度效应及制冷量比理论值要小，这就使等熵膨胀过程的优点有所减小；（3）节流阀可以在气液两相区工作，但带液的两相膨胀机（其带液量尚不能很大）；（4）初温越低，节流膨胀与等熵膨胀的差别越小，此时，应用节流较有利。因此，节流膨胀和等熵膨胀这两个过程在低温装置中都有应用，它们的选择依具体条件而定。单一气体工质布雷顿循环布雷顿（Brayton）制冷循环又称焦耳（Joule）循环或气体制冷机循环，是以气体为工质的制冷循环，其工作过程包括等熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热四个过程，这与蒸气压缩式制冷机的四个工作过程相近，两者的区别在于工质在布雷顿循环中不发生集态改变。历史上第一次实现的气体制冷机是以空气作为工质的，称为空气制冷机。除空气外，根据不同的使用目的，工质也可以是CO2，N2，He等气体。(1)无回热气体制冷机循环图2示出无回热气体制冷机系统图。气体由压力p0被压缩到较高的压力pc,然后加入冷却器中被冷却介质(水或循环空气)冷却，放出热量Qc，而后气体加入膨胀机，经历作外功的绝热膨胀过程,达到很低的温度,又加入冷箱吸热制冷。循环就这样周而复始地进行。在理想情况下，我们假定压缩过程和膨胀过程均为理想绝热过程，吸热和放热均为理想等压过程(即没有压力损失)，并且换热器出口处没有端部温差。这样假设后的循环称为气体制冷机的理论循环，其压容图及温熵图如3所示。图中TO是冷箱中制冷温度，Tc是环境介质的温度，1－2是等熵压缩过程，2－3是等压冷却过程，3－4是等熵膨胀过程，4－1是在冷箱中的等压吸热过程。无回热气体制冷机系统图图2无回热气体制冷机系统图I—压缩机II—冷却器III—膨胀机IV—冷箱理论循环P-v图与T-s图()图3无回热气体制冷机理论循环p—v图与T—s图现在进行理论循环的性能计算。单位制冷量及单位热负荷分别是(6)(7)单位压缩功和膨胀功分别是8)瑰二妇-血4二片(爲一爲)9)从而可以计算出循环消耗的的单位功及性能系数1O)11)气体按理想气体处理时则上式可简化为（12）由式（12）可以看出，无回热气体制冷机理论循环的性能系数与循环的压力比或压缩机的温度比盜、膨胀机的温度比鸳有关。压力比或者温度比越大，循环性能系数越低。因而为了提高循环的经济性应采用较小的压力比。因为热源温度是恒值，此时可逆卡诺循环的性能系数为：因此上述理论循环的热力完善度为13)由于兀小于爲，所以无回热气体制冷机理论循环的性能系数小于同温限下的可逆卡诺循环的性能系数，即呵々。这是因为在忑和爲不变的情况下，无回热气体制冷机理论循环冷却器中的放热过程2－3和冷箱中的吸热过程4－1，具有较大的传热温差，因而存在不可逆损失。压力比越大则传热温差越大，不可逆损失越大，循环的制冷系数越小，循环的热力完善度也越低。由式（12）可以看出，当刀『及肌给定时，吨将保持不变；但随着“的降低（或二的升高）可逆卡诺循环的性能系数&零『将下降，使气体制冷机理论循环的热力完善度提高。因此，用气体制冷机制取较低的温度时效率较高。实际循环中压缩机与膨胀机中并非等熵过程，换热器中存在传热温差和流动阻力损失，这些因素使得实际循环的单位制冷量减小，单位功增大，性能系数与热力完善度降低，并引起循环特性的某些变化。（2）定压回热气体制冷机循环在分析无回热气体制冷机的理论循环时得出结论：理论循环的性能系数随压力比几闫的减小而增大，所以适当的降低压力比是合理的。但是由于环境介质温度是一定的，降低压力比将使膨胀后的气体温度升高，从而降低了循环的单位制冷量，同时也限制了制冷箱温度的降低。应用回热原理，可以既克服了上述缺点，又达到了降低压力比的目的。所谓回热就是把由冷箱返回的冷气流引入一个热交换器-回热器，用来冷却从冷却器来的高压常温气流，使其温度进一步降低，而从冷箱返回的气流则被加热，温度升高。这样就使压缩机的吸气温度升高，而膨胀机的进气温度降低，因而循环的工作参数和特性发生了变化。

图4为定压回热式气体制冷机的系统图及其理论循环的T-s图。图中1－2和4－5是压缩和膨胀过程；2－3和5－6是在冷却器中的冷却过程和及冷箱中的吸热过程；3－4和6—1是在回热器中的回热过程。图4b中还表示出了工作于同一温度范围内具有相同制冷量的无回热循环6－7－8－5－6。显然两个循环具有相同的工作温度和相等的单位制冷量，但定压回热循环的压力比，单位压缩功和单位膨胀功都比无回热循环的小得多。现在进行定压回热理论循环的计算。图4(a)定压回热气体制冷机系统图

图4(b)定压回热气体制冷机循环的T-s图理论循环制冷系数叫=^=(7,-7-)-^-^)=碍一妤因为理论回热循环的性能系数可表示为：14)15)理论回热循环的性能系数可表示为：14)15)由式(15)可以看出，回热循环1-2-3-4-5-6与无回热循环6－7－8－5，两者不单有相同的工作温度范围和相等的单位制冷量，而且理论性能系数的表达式也相同。但这并不能说明两种循环是等效的，因为回热循环压力比小，不仅可以减小了压缩机和膨胀机的单位功，而且减小了压缩过程，膨胀过程和热交换过程的不可逆损失，所以回热循环实际性能系数比无回热循环大，特别是应用高效透平机械后，制冷机经济性大大提高。当制取-80°C以下低温时，定压回热气体制冷机的热力完善度超过了各种型式的蒸气压缩式制冷机。但是到目前为止，定压回热气体制冷机的应用还是很不普遍，这是因为它的热交换设备比较庞大，而且，当应用透平机械时只适用于大型的制冷装置。混合工质布雷顿循环(1)循环的组成利用混合物做工质，将布雷顿制冷循环和朗肯循环(蒸气压缩式循环)有机结合在

一起，可以构成新的热力循环，称之为混合工质布雷顿制冷循环，简称为混合工质制冷循环。它由四个基本过程组成：等熵压缩，在压缩器中完成；等压排热，在热交换器中完成；等熵膨胀，在膨胀器中完成；等压吸热，直接由气流或者通过热交换器进行。图5为混合工质循环的的流程图。图5混合工质循环流程图气流在压缩器前的①点处于饱和状态（先按相变成分为水来介绍），由雾化喷嘴喷出的雾状水，使得气流在①'点时变成过饱和状态，然后进入压缩器中。气流在被压缩过程中产生的压缩热使得雾状水迅速气化。因为气化需要吸收潜热，所以压缩过程在较低的温度下进行，其排气温度要比压缩干空气时的温度低的多。在不考虑气流和外界进行的热交换及系统内部各种损失所加给气流的热量时，混合工质的压缩过程为多变压缩过程，多变指数小于k值。压缩器喷水量增多时，排气温度降低，压缩功减少。但当压缩器排气达到饱和状态时再增大喷水量，则排气温度的降低和压缩功的减少程度较微。一般压缩器喷水至②点排气达到饱和状态。在热交换器I中，饱和的气流被冷却流体带走热量而冷却。在降温过程中，水蒸气要冷凝，并放出潜热。冷凝水被收集起来，靠自身的压力或水泵驱动而送到雾化喷嘴。分离出冷凝水后的气流，在③点处于该处温度下的饱和状态。这时向进入膨胀器前的气流喷入雾化水，使之达到③'点时达到过饱和状态，然后进入膨胀器。在膨胀器中，气体由于膨胀而降温，有一部分水蒸气要冷凝为水，并在温度进一步降到冰点以下时，凝结为冰粒或者雪花。因为水的冷凝而在膨胀器中放出气化潜热和融化热。使得整个气流温度比干空气膨胀时有所提高，气流膨胀程度也随着增加，所以膨胀器所回收的膨胀功也增大。但出口④点气流混合物的总焓值仍比干空气膨胀时小。气流经过④点进入负载热交换器II中。在负载热交换器中，气流吸收热量，温度升高和所含的冰融化，并有部分的水气化。融化的水被收集，并用泵提高压力后输送到雾化喷嘴。在负载热交换器的出口，气流为当地温度下的饱和状态，即①点状态，这样便完成了整个热力循环。（2）热力循环分析混合工质制冷循环可以视为朗肯（Rankine）循环和布雷顿循环的组合循环。当相变成分为零时，混合工质循环变为布雷顿循环；当气体成分为零时，该循环变为朗肯循环。下面分析该循环的每一个基本过程，并和朗肯循环及布雷顿循环进行比较。为了方便地分析混合工质的状态，且又能定性的说明问题，下面的分析均以气体成分为对象，并认为相变成分的变化只是对气体成分的状态参数发生影响。压缩过程图6为压缩过程的P-v图，其中1一2'为无相变成分时的压缩过程线；1一2为有相变的成分时的压缩过程线。如图所示的u2Vu2'是由于在相同的压缩比下，相变成分的气化吸热，使得排气温度降低所造成的。由图可见：压缩过程1－2所需的压缩功（1－1－b—a面积）小于压缩过程1一2'所需的压缩功（1一2'—b—a面积）。1一2'为布雷顿循环及朗肯循环的压缩过程线；1－2为混合工质循环的压缩过程线。等压排热过程图7为等压排热过程的T-S图，图中2'—3为布雷顿循环的等压排热过程线；2—3为混合工质循环的等压排热过程线；2'—2'''—3为朗肯循环的等压排热过程线；2''—3为卡诺循环的等压排热过程线。由图中可见，在得到相同的制冷量（面积4—a—b—1）的情况下，所需的循环功（只考虑等压排热过程的影响）为：布雷顿循环最大（面积1—2'—3—4）；其次是混合工质循环（面积1—2—3—4）；再其次是朗肯循环（面积1—2'—2'''—3—4）；卡诺循环最小（面积1—2''—3—4）。图6压缩过程的P—v图图7等压排热过程的T—s图膨胀过程图8为膨胀过程的P-v图，图中3—4'为布雷顿循环的膨胀过程线；3—4为混合工质循环的膨胀过程线。由图可见：u4'Vu4，混合工质循环的膨胀功（面积c—d—3—4）大于布雷顿循环的膨胀功（面积c-d-3-4'）0朗肯循环的膨胀过程在节流元件（膨胀阀、毛细管等）中完成，其理想情况为等焓膨胀，对外部不做功。图8膨胀过程的P-v图

图9等压过程的T-s图等压吸热过程图9为等压吸热过程的T-S图，图中4“一1为卡诺循环的等压吸热过程线；4—1为混合工质循环的等压吸热过程线；4'-1为布雷顿循环的等压吸热过程线。由图可见：对于制冷量，卡诺循环（和朗肯循环相等，面积为4'—a-b—1）最大，混合工质循