什么是热效率-布雷顿循环-定义

Brayton循环的热效率,理想气体可以以温度或压力比表达。通常,压力比是关键参数。优德app热工程学

布雷顿循环的热效率

一般来说热效率,η.TH.的比值定义为工作它确实如此,W,在高温下输入,qH

热效率公式- 1

热效率,η.TH.,代表分数,H,转换了去工作。根据能量保守第一热力学定律w88优德app并且不能转换能量完全工作,热输入,qH等于对系统做的功W,加上系统散发的热量废热问C到环境中。因此我们可以将热效率公式改写为:

热效率公式- 2

Takaishi,Tatsuo;Numata,Akira;Nakano,Ryouji;Sakaguchi,Katsuhiko(2008年3月)。
Takaishi,Tatsuo;Numata,Akira;Nakano,Ryouji;Sakaguchi,Katsuhiko(2008年3月)。“方法高效柴油和燃气发动机”(PDF)。三菱重工业技术审查。45(1)。检索到2011-02-04。

这是一个非常有用的公式,但是这里我们用第一定律来表示热效率

计算热效率布雷顿循环(单压气机和单涡轮)工程师使用关于焓的热力学第一定律w88优德app而不是热力学能。

关于焓的第一定律是:

dH = dQ + Vdp

在这个方程中Vdp是A.流程工作。这项工作,Vdp, 是用来开放流量系统就像一个涡轮或者一个其中有一个“DP”,即压强的变化。没有变化控制体积。可以看出,这种形式的法律简化能量转移的描述

在更熟悉的变量方面存在表达式,例如温度压力:

DH = C.pdT + V T(1 -α)dp

在哪里Cp是个恒压下的热容α为(立方)热膨胀系数。为理想的气体αt= 1,因此:

DH = C.pdT

在恒压下,焓变等于能源通过加热从环境中转移:

等压过程(Vdp = 0):

dh = dq→q = h3.- H2→H3.- H2=Cp(T3.- T2)

在恒定的熵,即在等熵过程中焓变等于流程工作由系统完成或由系统完成:

等熵过程(dQ = 0):

dH = Vdp→W = H4- H3.→H4- H3.=Cp(T4- T3.)

可以制成一个密集的, 或者具体的,变量除以大量的工程师使用具体的焓在热力学分析中超过焓自身。

现在,让我们假设理想的布雷顿循环这描述了恒压热机的工作原理。现代燃气轮机和喷气发动机也遵循布雷顿循环。这个循环由四个热力学过程组成:

  1. 布雷顿循环- t图
    布雷顿循环- t图

    等熵压缩-环境空气被吸入压缩机,在那里被加压(1→2)。压缩机所需的功由WC= H2- H1

  2. 等离的搅拌 - 然后压缩空气通过燃烧室运行,其中燃料被燃烧,并加热空气或另一介质(2→3)。它是一种恒定压力过程,因为腔室开放以进出流动。添加的净热量由添加= H3.- H2
  3. 等熵膨胀 - 加热的加压空气然后在涡轮机上膨胀,放弃其能量。由涡轮机完成的工作由WT= H4- H3.
  4. 等压热排除-残余热必须被排除,以便关闭循环。所排出的净热由关于= H4- H1

可以看出,我们可以用焓来完整地描述和计算这种循环(类似于兰金循环)。

热效率-布雷顿循环

现在可以在温度下表达这种简单的Brayton循环的热效率:

布雷顿循环的热效率

在哪里

  • WT气体在涡轮机中完成的工作
  • WC对压缩机中的气体做的功
  • cp是个热容比

压力比-布雷顿循环-燃气轮机

热效率在压缩机方面压力比(公关= p2/ P.1),这是常用的参数:

热效率 - 布雷顿循环 - 压力比 - 方程

热效率 - 布雷顿循环 - 压力比一般来说,提高压力比是提高布雷顿循环的总热效率最直接的方法,因为这个循环接近卡诺循环。

根据卡诺原理提高气体的温度可以获得更高的效率。

但是也有压力比的极限可以在循环中使用。循环中的最高温度发生在燃烧过程的末端,它受到限制最高温度那个涡轮刀片可以承受。像往常一样,冶金考虑(约1700 k)放置上限对热效率。

燃气轮机-压力比-热效率
具有不同压力比和相同涡轮入口温度的理想布雷顿循环。

考虑涡轮进口温度限制在最大允许温度时,压气机压比对热效率的影响。图中有两个具有相同涡轮入口温度但不同压气机压力比的布雷顿循环t图。可以看出,对于一个固定的涡轮入口温度,每个循环的净功输出(W= WT- WC)用压力比降低(周期A.)。但是循环A具有更高的效率。

另一方面,循环B.每循环(图中封闭区域)具有更大的净功耗,因此每单位大量流动开发的更大的净工作。通过循环通过循环产生的循环时间产生的工作等于燃气轮机产生的功率输出。

因此,每个循环(循环A)输出的功更少,质量流量更大(因此A更大的系统),以维持相同的功率输出,这可能不经济。这是燃气轮机设计的关键考虑因素,因为在这里工程师必须平衡热效率和紧凑性。在大多数常见的设计中,燃气轮机的压力比大约在11到16之间。

电力工程中发动机的效率
  • 海洋热能转换(OTEC)。OTEC.是非常复杂的热机,利用较冷的深海和较暖的表层海水之间的温差来运行低压涡轮机。自温差低,约20°C,其热效率也很低,约3%
  • 在现代核电站整体热效率大约三分之一(33%)3000年MWth从裂变反应中产生热力量以产生1000兆瓦电力。通过增加效率可以获得更高的效率温度蒸汽。但这需要增加锅炉内部的压力蒸汽发生器。然而,根据冶金学的考虑,这种压力有一个上限。与其他能源相比,33%的热效率并不高。但是,必须指出的是,核电厂比化石燃料发电厂复杂得多,而且燃烧化石燃料比从中产生能量要容易得多核燃料
  • 亚临界化石燃料发电厂,在临界压力(即低于22.1 MPa),可达到36-40%的效率。
  • 超临界水反应堆被认为是一个有前途的发展核电站因为它高热效率(~ 45%对~ 33%的当前LWRs)。
  • 超临界化石燃料发电厂,在超临界压力(即大于22.1 MPa),患有效率43%。最高效也最复杂的燃煤电厂“超重要”压力(即30 MPa左右)和采用多级再热达到左右48%效率。
  • 现代的联合循环燃气轮机(CCGT)植物,其中包括的热力学周期包括两个电厂循环(例如,布雷顿循环和兰氏峰),可以实现周围的热效率55%相比之下,单循环蒸汽发电厂的效率仅为35-45%左右。

提高热效率-布雷顿循环

有几种方法可以提高布雷顿循环的热效率。假设最高温度受冶金考虑的限制,这些方法是:

越来越大的压力比
一般来说,提高压力比是提高布雷顿循环整体热效率最直接的方法,因为热力学效率主要依赖于压力比,PR.

热效率 - 布雷顿循环 - 压力比 - 方程

燃气轮机-压力比-热效率
具有不同压力比和相同涡轮入口温度的理想布雷顿循环。

如上所述,增加压力比增加了压缩机排气温度。由于涡轮进口温度受到涡轮叶片所能承受的最高温度的限制,压力比影响了可以添加到流动中的热量。随着压比的增加,压气机叶片的直径在压气机高压力段逐渐变小。随着叶片直径的减小,叶片与机匣之间的间隙在压气机叶片高度中所占的百分比会增大,因此在较高的压力阶段,更大比例的压缩空气会泄漏回叶片。这将导致泄漏回输,从而减少等熵压缩效率(将稍后讨论)。最后,可以看出,从用于热效率的热效率可以看出,随着压力比增加(由于指数)的增益较小。

热再生
布雷顿循环-热再生
带热再生的布雷顿循环的t图解。

通过这种方法可以显著提高燃气轮机发电厂的热效率减少燃料量必须在燃烧室中燃烧。这可以通过转移来完成涡轮废气产生的热量,它通常远高于环境温度,压缩机放电气流称为热再生。尤其在较低或中等的压力比下,燃烧室的高温升高,涡轮机排气仍然在比压缩机出口气体(在燃烧器之前的最后一个压缩阶段之后)的温度下仍然存在大量的热量。为此目的,热交换器称为a再生器用来。有时工程师使用该术语节热器这是旨在降低能量消耗的热交换器,特别是在预热流体的情况下。

热再生器允许压缩机出口的空气在进入燃烧室之前进行预热,从而减少了必须在燃烧室内燃烧的燃料量。这种形式的热循环是只有可能如果燃气轮机以低压比运行。

如前所述温差涡轮出口和压气机出口之间是至关重要的,它决定了可以回收的热量。在负差的情况下(即T2> T4),不可能进行热再生。有两种主要方式,如何改变这种差异:

  • 提高涡轮出口温度(T4) 通过重新加热膨胀阶段期间的流动(即用重新热燃烧器或再热器使用多级涡轮机)
  • 降低压缩机出口温度(T2) 通过间隔在压缩阶段的流量(即使用带有中间冷却器的多级压缩机)

因此再热,中间冷却补充热再生。就其本身而言,它们不一定会提高热效率,然而,当中间冷却或再热与热再生结合使用时,可以显著提高热效率。

需要注意的是,从涡轮出口向压气机进口传递热量会降低效率,因为进口空气越热,体积越大,压气机的工作量就越大。工程师还必须考虑到压力损失由热交换器产生,使燃气轮机的功率略有降低。

再生与热量的再生

一般来说,热交换器用于再生可分为两种蓄热室或者换热器

  • 再生器是一种热交换器,其中来自热流体的热在将热储存介质中间歇地存储在冷流体之前。它具有单个流动路径,其中热和冷流体交替通过。
  • 换热器是一种热交换器单独的流动路径每一种流体沿着它们自己的通道,热量通过分离壁传递。在动力工程中,为了提高热力循环的整体效率,经常使用回热器(如省煤器)。例如,在燃气涡轮发动机中。回热器将废气中的部分废热转移到压缩空气中,从而在进入燃烧室之前对其进行预热。许多回热器被设计成逆流换热器。
再热,壁
带再热和再生的布雷顿循环的t图
带再热和再生的布雷顿循环的t图

正如所讨论的那样最高温度受冶金考虑的限制,但是为了在接近循环峰的温度下提供更多的热量气体可以再加热再热器。这涉及到分裂涡轮机,即使用一个多级涡轮机与A.再热燃烧室或者与A.再热。汽轮机的高压和低压阶段可能在同一个轴上驱动一个共同的发电机,但他们将有单独的情况。用再热器,经过一段时间后,气流被抽出局部扩张(点A.),通过热交换器回运行,将其加热至峰值温度(点b),然后通过汽轮机低压阶段。然后在这个阶段完成了从b点到4点的扩展。

用这种安排每单位质量的净功流动可以增加。尽管净合作的再加热增加,但循环热效率不一定增加,因为需要更大的总热量。另一方面,涡轮机出口(低压阶段)的温度与再加热的再加热较高,所以存在热再生潜力。因此再热和再生是相辅相成的,它们通常一起使用,以提高燃气轮机的热效率。

用间隙压缩
布雷顿循环 - 用中间冷却压缩
中间冷却的布雷顿循环Ts图

显著增加热效率对燃气轮机的电厂也可以通过实现间隔中间冷却可以应用于压缩机级之间吗减少压缩工作,W.C,从而增加了燃气轮机的总功率。

为此目的,热交换器被称为中间冷却器通常在多级压缩过程的各个阶段之间使用。一般来说,中间冷却器热交换器在许多应用中使用,包括空气压缩机,空调,冰箱和燃气轮机。中间冷却器也广为人知,也是汽车用作涡轮增压器或增压器,但在这里,它们增加了进气充电密度,从而增加了发动机的功率。

在燃气轮机发电厂的热效率是最重要的间隔热再生被广泛使用。这涉及到拆分压缩机,即使用一个多级压缩机与一个或多个中冷器。压缩机的高压和低压级甚至可以与涡轮或发电机在同一轴上,但这不是一个规则。通过一个中间冷却器,气流经过部分压缩(c点)后被抽出,通过热交换器(中间冷却器)将其冷却到环境温度(d点),然后通过压缩机的高级。然后在第二个压缩机中完成从点d到点2的压缩。

用这种安排每单位质量流量的净功(↑W= WT- ↓WC)可以增加减少压缩功(↓WC)。尽管中间冷却增加了净功,但循环热效率不一定会增加,因为进入燃烧室的空气温度会降低,并且需要更多的总热量才能达到所需的涡轮进口温度。另一方面,有中间冷却的压缩机出口处(高压段)温度低于无中间冷却的,因此存在热再生潜力(问reg增加)。注意,热再生需要比涡轮机出口温度更低的压缩机出口温度(仅仅是由于第2定律),并且该温差决定了用于热再生的热量。

因此再热和中间冷却与热再生是互补的。就其本身而言,它们不一定会提高热效率,然而,当中间冷却或再热与热再生结合使用时,可以显著提高热效率。

一些压力比较高的大型压缩机有几个级压缩,级之间有中间冷却。工程师还必须考虑到压力损失由略微增加压缩工作的所有热交换器产生。某些燃气轮机设计(中间冷却器的数量,再加热器和再生器)是工程问题,取决于燃气轮机的某些目的。

布雷顿循环 - 再热 - 中间冷却 - 再生
带有再热、中间冷却和热再生的布雷顿循环的t图

布雷顿循环中的再热、中间冷却和再生

就像讨论再热,中间冷却是互补的热再生。就其本身而言,它们并不一定会提高热效率,然而,当中间冷却或再热与热再生结合使用时,热效率可以显著提高,净功输出也会增加。这需要一个具有两级压缩和两级涡轮的燃气轮机。

埃里克森循环
Ericsson循环- t图
Ericsson循环- t图

第二个爱立信周期类似于布雷顿循环,但使用外部热量并包含多次使用中间冷却和再加热。事实上,它就像一个Brayton循环,在循环中具有无限数量的再热和中冷器阶段。与使用绝热压缩和扩展的布雷顿循环相比,理想的爱立信周期包括等温压缩扩张流程,结合同级热再生他们之间。采用中间冷却、热再生和连续燃烧的方式,可以显著提高涡轮的热效率,实际上,理想爱立信循环的热效率等于卡诺效率。

等熵效率-涡轮、压缩机

大多数稳压装置(涡轮机,压缩机,喷嘴)在下面运行绝热条件,但他们不是真的等熵但与计算目的的概要相当理想化。我们定义参数η.T,η.CN,作为一个比率真正的工作通过设备在等熵条件下由设备工作(如果是涡轮机)。该比率被称为等熵涡轮压缩机/喷嘴效率

也可以看看:自然过程的不可逆转

这些参数描述了涡轮机,压缩机或喷嘴的有效程度近似于相应的等熵装置。此参数降低了整体效率和工作输出。对于涡轮机,值η.T通常为0.7至0.9(70-90%)。

等熵效率-方程

虽然vs.绝热压缩
等熵和绝热膨胀
等熵过程是绝热过程的一种特殊情况。这是一个可逆绝热过程。等熵过程也可以称为等熵过程。
例如:等熵涡轮效率
等熵和绝热膨胀
等熵过程是绝热过程的一种特殊情况。这是一个可逆绝热过程。等熵过程也可以称为等熵过程。

假设A.等熵膨胀氦(3→4)在燃气轮机中。在这个涡轮中,高压级接收气体(图中点3;p3.=6.7 MPA.;T3.= 1190 K(917°C)),并将其排到另一个换热器,在那里出口压力为p4=2.78 MPA.(4点)涡轮出口处的气体温度(等熵过程)为T4S.= 839 k(566°c)。

计算该涡轮所做的工作和计算的实际温度在涡轮出口处,当型涡轮机效率η.T= 0.91 (91%)

解决方案:

根据热力学第一定律,涡轮在等熵过程中所做的功w88优德app可由以下公式计算:

WT= h3.- - - - - - h4S.→WTS.= cp(T3.- T4S.)

来自我们所知道的理想气体法,摩尔的理想气体的摩尔比是:

Cv= 3 / 2r = 12.5 j / mol k和cp= Cv+ R = 5/2R = 20.8 J/mol K

我们将特定的热容量转移成单位J / KG K VIA:

cp= Cp。1/M(氦的摩尔重量)= 20.8 x 4.10-3= 5200 J/kg K

燃气涡轮机在等熵过程中完成的工作是:

WT, s= cp(T3.- T4S.)= 5200 x(1190 - 839)= 1.825 MJ / kg

燃气轮机在绝热过程中完成的真实工作是:
WT,真实= cp(T3.- T4S.)。η.T= 5200 x(1190 - 839)x 0.91 = 1.661 mj / kg

引用:
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其他参考:

柴油发动机-汽车回收

也可以看看:

布雷顿循环

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