淺析布雷頓循環(huán) （火用）方法分析

李再剛++邱軍

摘 要：本文通過(guò)對(duì)燃?xì)鈩?dòng)力裝置的燃?xì)廨啓C(jī)裝置各個(gè)設(shè)備的進(jìn)行（火用）效率進(jìn)行分析，通過(guò)分析得到燃?xì)廨啓C(jī)裝置效率的影響因素，進(jìn)而提出可用來(lái)提高燃?xì)廨啓C(jī)效率的措施。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；布雷頓循環(huán)；（火用）方法分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.050

1 燃?xì)廨啓C(jī)裝置介紹及應(yīng)用范圍

燃?xì)廨啓C(jī)裝置選用的工質(zhì)是空氣和燃?xì)猓撗b置在運(yùn)行過(guò)程中將燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱能通過(guò)膨脹轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。燃?xì)馊紵^(guò)程是定壓過(guò)程，裝置的主要設(shè)備包括壓氣機(jī)、燃燒室以及燃?xì)廨啓C(jī)三個(gè)部分，由于裝置的尾氣排向大氣，因此該裝置是開(kāi)式的、不可逆的循環(huán)。在當(dāng)前的生產(chǎn)生活中， 燃?xì)廨啓C(jī)裝置應(yīng)用廣泛，涉及到諸多領(lǐng)域，具體包括航空器動(dòng)力裝置、機(jī)車動(dòng)力裝置、艦船動(dòng)力裝置、電力等。

2 燃?xì)廨啓C(jī)裝置運(yùn)行時(shí)遵循的熱力學(xué)基礎(chǔ)

2.1 理想定壓加熱循環(huán)

引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)， 本文將燃?xì)廨啓C(jī)三個(gè)裝置運(yùn)行過(guò)程中的四個(gè)工作環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化成為由四個(gè)可逆熱力過(guò)程組成的理想動(dòng)力循環(huán)。如圖1所示，理想熱力循環(huán)的四個(gè)理想過(guò)程包括在壓氣機(jī)中進(jìn)行的絕熱壓縮過(guò)程1-2；在燃燒室中進(jìn)行的定壓加熱過(guò)程2-3；在燃?xì)廨啓C(jī)中進(jìn)行的絕熱膨脹過(guò)程3-4；排氣過(guò)程由定壓放熱過(guò)程4-1表示。該循環(huán)又稱為布雷頓循環(huán)。

2.2 實(shí)際定壓加熱循環(huán)

在實(shí)際的生產(chǎn)工藝過(guò)程中，由于設(shè)備過(guò)程存在不可逆的因素，燃?xì)廨啓C(jī)裝置各個(gè)過(guò)程很難達(dá)到絕熱， 根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)，由于工質(zhì)在壓氣過(guò)程中氣流流速很高，過(guò)程中工質(zhì)由設(shè)備向外散熱可以忽略不計(jì)，本文將氣體在設(shè)備壓氣機(jī)中的壓縮過(guò)程和氣體在燃?xì)廨啓C(jī)中的膨脹過(guò)程記為熵增過(guò)程，即兩個(gè)過(guò)程都是不可逆過(guò)程。

3 實(shí)際過(guò)程燃?xì)猓ɑ鹩茫┯?jì)算及（火用）分析

本文在對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)裝置進(jìn)行（火用）分析時(shí)，將實(shí)際工作過(guò)程的燃?xì)饪闯墒怯筛煽諝夂屠碚撊細(xì)饨M成的理想氣體混合物。因此在計(jì)算過(guò)程中工質(zhì)可運(yùn)用理想氣體的相關(guān)性質(zhì)計(jì)算。理論燃?xì)馐侵?mol燃料和在所需要的理論空氣量下完全燃燒所得到的產(chǎn)物，當(dāng)燃料中只含有C、H、O、N、S時(shí)，其產(chǎn)物由CO2、H2O、SO2、和N2′等組成，其中N2′是指空氣中除了氧氣以外其他氣體的合稱。

在對(duì)該循環(huán)進(jìn)行熱力計(jì)算和（火用）分析的過(guò)程中，通過(guò)H和S0來(lái)求得（火用） E。

系統(tǒng)認(rèn)為過(guò)程工質(zhì)的質(zhì)量流量不變，即為穩(wěn)定流動(dòng)開(kāi)口系統(tǒng)，計(jì)算過(guò)程中燃料（火用）包括實(shí)際燃?xì)猓ɑ鹩茫┦俏锢恚ɑ鹩茫┖突瘜W(xué)（火用）兩部分。

實(shí)際計(jì)算中為方便比較，引入?yún)?shù)（火用）效率η，即各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)下物流（火用）或功（火用）與燃料（火用）的商。則三個(gè)設(shè)備燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)、壓氣機(jī)以及過(guò)程的機(jī)械摩擦、排氣帶走的（火用）損和（火用）損率可分別表示出來(lái)。

4 案例分析

某生產(chǎn)車間燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)，初參數(shù)p1=0.1MPa，t1=0℃， 過(guò)程狀態(tài)點(diǎn)p2=0.1MPa，p3=0.87MPa，t3=650℃，該裝置以C8H16為燃料，燃料進(jìn)入燃燒室時(shí)的溫度Tc=100℃，燃料具有的發(fā)熱量=5×106kJ/kmol，燃燒室具有的燃燒效率為97%；葉輪式壓氣機(jī)效率為84%，機(jī)械效率99%，燃?xì)廨啓C(jī)工作效率為91%，認(rèn)為燃燒室保溫完好，不對(duì)外散熱，環(huán)境參數(shù)為p0=0.1MPa，t0=0℃。

該燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)過(guò)程的（火用）損失和（火用）損率如表1所示。

由以上計(jì)算得出，在循環(huán)中包括五部分（火用）損，其中燃燒室的（火用）損失或（火用）損率最大，排氣所帶走的（火用）損失排在第二。該燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)中燃燒室產(chǎn)生的（火用）損失最大的主要原因：①任何燃燒過(guò)程都是不可逆的；②進(jìn)入燃燒室的空氣所具有的溫度和燃燒后離開(kāi)燃燒室的燃?xì)鉁囟榷急容^低，也就是說(shuō)能量的品質(zhì)下降了。而環(huán)境溫度低則造成排氣（火用）損失增大。

5 結(jié)論

（1）引入回?zé)嵫b置，這樣可以使加熱過(guò)程得到改善，具體做法是將在燃?xì)廨啓C(jī)裝置中膨脹做功后溫度很高的工質(zhì)通過(guò)回?zé)峁艿酪牖責(zé)崞髦腥ゼ訜徇M(jìn)入燃燒室的工質(zhì)，這樣工質(zhì)的初溫升高了，同時(shí)這樣做減少向冷源放熱，提高循環(huán)效率。

（2）燃燒室采用新型耐高溫材料，提高工質(zhì)在燃燒室中的燃燒效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉大易，張宏鵬.燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展前景及其發(fā)電技術(shù)[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2008（01）.

[2]后超.論燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2013（06）.

作者簡(jiǎn)介：李再剛（1972-），男，遼寧阜新人，本科，工程師，研究方向：電廠設(shè)備運(yùn)行。