气体动力循环简介之其他气体循环

一、勃雷顿循环

图10-11是最简单的燃气轮机装置，空气首先进入轴流式压气机1，压缩后的空气进入燃烧室2，一部分空气直接参与燃料燃烧，成为高温燃气，并与另一部分空气混合，然后进入燃气轮机中膨胀作功，最后排到大气中去。

图10-11 燃气轮机装置简图

1-压气机；2-燃烧室；3-燃气轮机

由于燃气轮机没有曲柄连杆机构，允许有较高的转速。因此其装置的重量比同功率的往复式内燃机轻得多。此外，由于往复式内燃机气缸尺寸的限制，气体不能在其中进行完全膨胀，而燃气轮机中气体可充分膨胀，使其压力降至稍高于大气压力。但是由于燃气轮机的部件是在高温下连续地工作，因此，进入第一排叶片的燃气温度要受到叶片材料耐热强度的限制。燃气轮机装置工作循环的最高温度要比内燃机工作循环的最高温度低，热效率也远低于往复式内燃机。随着科学技术的发展，金属耐热性正在不断提高，叶片的冷却技术也在不断改进，所以燃气的初温可以得到提高，装置热效率也会随着提高。

根据燃气轮机装置循环工作的特性，经理想化之后，可以近似地合理地看做是由下列4个基本热力过程所组成的理想循环：

1—2定熵压缩过程（在压气机中完成）；

2—3定压加热过程（在燃烧室或加热器中完成）；

3—4定熵膨胀过程（在燃气轮机中完成）；

4—1定压冷却过程（在大气中或冷却器中完成）。

燃气轮机装置的理想循环称为定压加热燃气轮机循环，也称勃雷顿循环。图10-12是勃雷顿循环在p-υ图及T-s图上的表示。

图10-12定压加热燃气轮机装置理想循环的p-υ图及T-s图

例10-2 试证明在相同的极限压力范围内，勃雷顿循环的循环净功最大及循环的热效率最高。

解 （1）勃雷顿循环与卡诺循环的比较

在图10-13中，12341是勃雷顿循环，2b4d2是相同极限压力范围内的卡诺循环。比较两

图10-13 勃顿循环与卡诺循环的比较

个循环的封闭面积的大小以及平均吸（放）热温度的高低，显然有

（2）勃雷顿循环与内燃机理想循环的比较

在图10-14中，12341是勃雷顿循环，12371是狄塞尔循环，156371是萨巴太循环，18371是奥托循环，它们具有相同的极限压力范围。比较这几个循环的封闭面积的大小以及平均吸（放）热温度的高低，显然有

勃雷顿循环又称为限压循环，表征在限压条件下循环性能的最高标准。

二、理想回热循环

1.斯特林循环

斯特林（stirling）循环是活塞式热气发动机的理想循环。它是一种外部加热的闭式循环，或称之为活塞式外燃机循环。早在1816年斯特林就提出了这种理想的工作循环。由于当时工业不发达，技术水平较低，未能被采纳应用于工程实际。近年来由于环境污染问题和能源问题，斯特林发动机又重新引起人们的重视。

图10-14 勃雷顿循环与内燃机理想循环的比较

斯特林循环按正循环工作时可以作为热机循环，对外作出功量；按逆向循环工作时，可以作为热泵循环。

斯特林循环由两个活塞和两个气缸、一个加热器、一个冷却器和一个回热器所组成，如图10-15所示。两个活塞连在同一轴上，通过特殊的曲轴机构使它们的移动规律符合一定的要求。气缸内充有一定量的工质（例如氢气、氦气、氮气等），由于两个活塞的相互移动，使工质在热气室和冷气室之间来回流动。循环由4个过程组成：

图10-15 斯特林循环热机的设备系统及工作过程

（1）定温压缩过程。如图10-15（a）所示，活塞A处于上止点不动，活塞B由下止点开始上行，压缩冷气室里的低温工质，冷却器起低温热源作用，吸收工质放出的热量q2，维持工质温度TL不变。如图10-16中1—2过程。

（2）定容吸热过程。如图10-15（b）所示，活塞B和活塞A以同样速度分别上升和下降。实现定容情况下将冷气室的工质推入热气室。低温工质流经回热器时吸热，使压力由p2升至p3，温度由TL升至TH。如图10-16中的2—3过程。

（3）定温膨胀过程。如图10-15（c）所示，活塞B处于上止点不动，活塞A继续下行至下止点，通过起高温热源作用的加热器，给工质提供热量q1，维持工质温度TH不变。如图1016中的3—4过程。

（4）定容放热过程。如图10-15（d）所示，活塞B和活塞A以同样速度分别下行和上行整个冲程，各自达到下止点和上止点；在定容情况下将工质从热气室推回冷气室；经过回热器时，工质放出热量给回热器，使温度由TH降为TL。如图10-16中的4—1过程。这样工质恢复到初始状态而完成一个闭合循环。

图10-16 斯特林发动机的理想循环

由于循环是理想的，在定容吸热过程2—3中工质从回热器中吸收的热量正好等于定容放热过程4—1放给回热器的热量。经过一个循环回热器恢复到初始状态。

可以证明：在相同的温度范围内，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。随着科技的发展以及环境保护日益为人们所重视，斯特林循环的应用前景越来越好。(www.xing528.com)

2.艾利克松循环

1883年，艾利克松（Ericsson）提出了理想定压回热循环。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。

艾利克松定压回热理想循环abcda（如图10-17所示）由下列4个过程所组成：

图10-17 艾利克松定压回热理想循环

a—b为定压吸热过程（从回热器中吸热）；

b—c为定温膨胀过程，并从高温热源吸热；

c—d为定压放热过程（向回热器中放热）；

d—a为定温压缩过程，并向低温热源放热。

同样可以证明：在相同的温度范围内，理想的定压回热循环（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（斯特林循环和艾利克松循环）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节能途径。

复习思考题

1.在分析动力循环时，许多实际存在的不可逆因素都暂且不考虑，这种方法是否脱离实际？其结论有何实用价值和指导意义？

2.对于下面几个著名的热力循环，你能在p-υ图及T-s图上表示出来吗？这些热力循环是：卡诺循环；奥托循环；狄塞尔循环；萨巴太循环；勃雷顿循环；斯特林循环；艾利克松循环。

3.初态相同，当内燃机循环最高压力和最高温度为限定条件时，试用T-s图比较定容、定压和混合加热循环的压缩比、加热量以及热效率。

4.何谓内燃机循环的平均压力pt？pt与哪些因素有关？它与气缸尺寸有何关系？

5.在理论上燃气轮机装置循环较内燃机循环有何优点？实际上燃气轮机装置循环的热效率为何低于内燃机循环的热效率？

6.材料的耐热强度是限制燃气轮机工作循环性能进一步提高的关键因素。为什么内燃机循环的最高温度可达2000～3000K，而燃气轮机循环所允许的最高温度只能在1000～1300K的范围内？

7.试在相同的极限温度范围内，比较卡诺循环、奥托循环、狄塞尔循环、萨巴太循环，依次排出它们的热效率和循环净功的大小，并表示在p-υ图及T-s图上。

8.在相同压缩比的情况下，奥托循环与卡诺循环有相同的热效率，这是否意味着这种情况下奥托循环达到了卡诺循环的理想水平？

9.根据燃气轮机循环、内燃机循环以及其他的动力循环等，可以发现它们都是由升压、加热、膨胀、放热等几个过程所组成的。试分析在这几个过程中，能否去掉放热过程或加热过程或升压过程？并据此总结动力循环工作过程的一般规律。

10.对混合加热理想循环的5个过程：（1）若去掉其中的某一过程后，其他的4个过程仍按原来的顺序排列，问能否组成一个新的循环？什么情况下可能？什么情况下不可能？（2）在相同的最高温度（即热应力条件相同）以及进、排气状态下，并且压力以不超过原循环的最高压力为限，试定性比较这几种可能的新循环的热效率。

习题

1.试证明：在相同的温度范围内，斯特林循环、艾利克松循环和卡诺循环具有相同的热效率。

2.设柴油机的压缩终点温度为547℃，压缩始点的空气温度为50℃，求柴油机所必需的压缩比。

3.某定压加热燃气轮机装置理想循环参数p1＝0.1MPa，t1＝27℃，β＝p2/p1＝6，t3＝630℃，设燃气具有空气性质，试问q1，q2，w，ηt各为多少？

4.汽油机定容加热循环的工作条件为压缩比ε＝5，环境压力pt＝0.1MPa，温度＝15℃，空气与汽油的质量比为15∶1，汽油的发热值为44000kJ/kg。求循环热效率、单位质量空气的作功量和平均压力。

5.无回热的燃气轮机循环的排烟温度很高，为了利用排气的热能，将其通入蒸汽发生器（称为余热锅炉）中用以加热水，使之变成蒸汽，并作为蒸汽动力循环的动力工质，这种循环称为燃气-蒸汽联合循环，如图10-18所示。试问：（1）这种联合循环的热效率比其组成的燃气轮机循环与蒸汽动力循环的热效率高还是低？为什么？（2）分别导出它们的热效率公式。

6.已知内燃机混合加热循环。t1＝90℃，t2＝400℃，t3＝590℃，t5＝300℃，工质视为空气，比热容为定值。求此循环的热效率，并与同温度范围内的卡诺循环热效率相比较。

图10-18 习题5用图

7.某理想气体的动力循环由下列过程组成：1—2为绝热压缩过程，初温T1，压缩比为ε；2—3为定压加热过程，V3＝2V2；3—4为定温膨胀过程，V4＝V1；4—1为定容放热过程。试：（1）绘出循环的p-V图及T-s图；（2）用κ和ε表示循环的热效率；（3）若ε＝8，к＝1.4，求相同温度范围内卡诺循环的热效率。

8.如图10-19所示的循环是一种由美籍华人D.Y.CHENG于1976年提出并申请了专利的新循环，称为程式循环或注蒸汽燃气轮机循环。试分析此种循环的优缺点。

图10-19 习题8用图