再热回热布雷顿循环的热力学分析
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收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ － １ ２ － １ ２
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ｑ ＾ ＝Ｃ ｐ （ 一 ） ， ｑ ＾ ｌ ＝ｃ ｐ （ Ｔ ６ 一 ） ， Ｃ ｐ （ Ｉ ＂ ８ 一 ）（ ２ ） ｑ ， ＝Ｃ （ 一 ） ＝ｃ （ Ｔ ７ 一 ） ：ｃ （ 一 ） （ ３ ）
一
ｃ ］ 一 ｚ 江 他叼 。 — （ １ —８ ｒ ） （ ｘ － １ ＋ 仇） ＋ １ ９ （ 一 ’ ＋
２ 热力学性 能分 析
设高压涡轮入 口温度与压气机人 口温度之 比为 即 ＝ｒ Ｔ ， ， 工质在再热器 中的加热终点温度与压
设高压涡轮等熵温 比为 Ｙ ， 即 ＝ ｙ ， 总等熵温 比为 ， 即 ＝ｘ Ｔ ， 。由工程 热力 学知 识可 得 ： Ｙ ＝ １ Ｔ ｆ ， ＝ ｋ － １ ） ／ ｋ ， 死， ＝（ 一１ Ｔ ｌ ） ＝ ９ ７ ０ ’ ＿ ） ， 男， 安徽含山人 ， 机 电业务长 ， 本科 ， 研究方 向为机 电管理。 １ ０
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ３ ， ２ ０１ ３
再热 回热布 雷顿循环 的热力学分析
吴 开 锋
（ 海军 ９ １ ３ ４ ３ 部队， 山东 威海 ２ ６ ４ ２ ０ ０ ）
摘 要： 对 再热回热布 雷顿循环进行 了热力学 第一 定律 和第二定律分析 ， 导 出了输 出功、 熵产、 热效率和太 用 效率的解析
布雷顿热机 （ 即燃气轮机 ）由于具有单机功率 高压涡轮 中的不可逆绝热膨胀做功过程（ 压 比为 。 ， 大、 启 停快 、 体 积较小 等诸 多优点 ， 使其 在冶金 、 航 也称再热压 比） ； ５ － ６ 为工质从再热源等压 吸热过程 ； 空、 舰船 、 石 油化 工 等 领域 得 到 了普 遍 的应 用 。 以不 ６ — ７ 为工质在低压涡轮 中的不可逆绝热膨胀 做功过 同目 标（ 如功率 、 效率 、 熵产率、 功率密度等） 分析和优 程 （ 压 比为 １ Ｔ ／ ） ； ７ － ８为工质在回热器 中的放热过 化布雷顿热机 的性能的一直是 国内外动力工程领域 程 ； ８ — １ 为 工质 向低 温热源 放热 过程 。 过程 ｌ 一 、 ４ — ５ ｓ 的一个研究热点。陈双涛等【 建立了空间闭式布雷顿 和 ６ — ７ ｓ 分 别 为 与 过程 １ － ２ 、 ４ — ５和 ６ — ７相 对 应 的 等 循环太阳能热动力系统及各个主要部件的炯分析模 熵压缩 和膨 胀过 程 。 型， 讨论 了压缩机和膨胀机效率 、 回热度和混合工质 比例对 系统炯效率 的影 响； Ａ ｔ ｍ ａ ｃ ａ 等［ ２ １ 以功率 、 效率 功率 （ 定义为功率与效率之积） 和功率密度为 目标研 究了简单布雷顿循环的性能 ， 优化了压 比， 并分析 了 压气机和涡轮效率对循环性能的影响 ； Ｓ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｚ — Ｏ ｒ ｇ ａ ｚ 等［ ３ １ 以功率和热效率为 目 标 研究 了多级 中冷 回热再
式。 通过数值 算例 分别讨论 了各个性能 目标与再热压 比和总压 比的关系， 并对再 热压 比进行 了优化。分析 了回热度、 压 气机 和涡轮机 效率和再热终点温度对循环性 能的影 响， 所得 结果对 实际布 雷顿热机 的参数 选择和优 化设计具有 一定的
指导意义 。
关键词 ： 再热回热布雷顿循 环 ； 热 力学第一定律 ； 热力 学第二定律 ； 数值 算例 中图分类号 ： Ｔ Ｋ １ ２ 文献标识 码： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ ０ １ ０ — ０ ３
《 装备制造技术） ２ ｏ １ ３ 年第 ３ 期
式 中， ｋ为工质的绝热指数。
ｓ ｑ ￣ Ｉ Ｔ Ｌ —ｇ Ｔ Ｈ— ｑ ｈ ｌ ｌ Ｔ ｍ
ｃ Ｐ ｛ ） ， ７ １ 肌 ｛ ２ 占 （ ｘ － ｌ ＋ ｎ ｏ ） ＋ｒ ｆ ／ （ １ － ８ ， ） （ 一ｘ ￣ ａ ＋ ｙ ＇ ｑ ｌ ２ ）
１ 循 环 描 述
图 １ 所 示 为 闭 式 再 热 回热 布 雷 顿 循 环 ｓ图 ， ｌ 一 ２为 工质 在压 气 机 中的不 可逆 绝热 压 缩过 程 （ 压 比 为・ 订， 也 称 总压 比 ） ； ２ — ３为 工质 在 回热器 中的预 热过 程； ３ － ４为 工 质 从 高 温 热 源 吸热 过 程 ； ４ — ５为 工 质在
图 １ 循环
图
单个压气机和两个 涡轮机的不可逆损失分别用 内效率 叼 和 来表示 ， 定义如下 ：
ｒ ｋ＝（ 一 ） ， （ 一 ） ， 。 ＝（ 一 ） ， （ 乃一 ） ，
ｒ ｉ ｏ ． ＝（ 死一 ） ／ （ 死一 ） （ １ ）
设 工质 定压 比热 为 Ｃ ｐ ；回热 器 的 回热 度 为 ； 由 工程 热力学知识可得工质从高温热源吸热量 ｑ ｈ ． 从 效 率 为 目标 对一 种 再热 回热 布雷 顿 循 环 的热 力学 性 再热 源 吸热量 ｑ 向低 温 热源放 热 量 ｑ 以及在 回热 能 进行 系统 的研 究 。 器里 的热 交换 量 口 ， 分别 为 ：
热布雷顿循环的性能 ，求出了各种布雷顿循环的最 大功率 、 效率和相应的最佳压 比； 龚吴等嗍 对间冷 回
热布雷顿循环航空发动机 的参数 匹配进行 了研究 ， 分析 了中冷度 、 回热度和总压损失对热效率 、 燃油消 耗和涵道 比的影响 ， 并优化了高压压气机压 比。在上 述研究基础上 ， 本文将 以输 出功１ 、 热效率 、 熵产和炯
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ｑ ＾ ＝Ｃ ｐ （ 一 ） ， ｑ ＾ ｌ ＝ｃ ｐ （ Ｔ ６ 一 ） ， Ｃ ｐ （ Ｉ ＂ ８ 一 ）（ ２ ） ｑ ， ＝Ｃ （ 一 ） ＝ｃ （ Ｔ ７ 一 ） ：ｃ （ 一 ） （ ３ ）
一
ｃ ］ 一 ｚ 江 他叼 。 — （ １ —８ ｒ ） （ ｘ － １ ＋ 仇） ＋ １ ９ （ 一 ’ ＋
２ 热力学性 能分 析
设高压涡轮入 口温度与压气机人 口温度之 比为 即 ＝ｒ Ｔ ， ， 工质在再热器 中的加热终点温度与压
设高压涡轮等熵温 比为 Ｙ ， 即 ＝ ｙ ， 总等熵温 比为 ， 即 ＝ｘ Ｔ ， 。由工程 热力 学知 识可 得 ： Ｙ ＝ １ Ｔ ｆ ， ＝ ｋ － １ ） ／ ｋ ， 死， ＝（ 一１ Ｔ ｌ ） ＝ ９ ７ ０ ’ ＿ ） ， 男， 安徽含山人 ， 机 电业务长 ， 本科 ， 研究方 向为机 电管理。 １ ０
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎｏ ． ３ ， ２ ０１ ３
再热 回热布 雷顿循环 的热力学分析
吴 开 锋
（ 海军 ９ １ ３ ４ ３ 部队， 山东 威海 ２ ６ ４ ２ ０ ０ ）
摘 要： 对 再热回热布 雷顿循环进行 了热力学 第一 定律 和第二定律分析 ， 导 出了输 出功、 熵产、 热效率和太 用 效率的解析
布雷顿热机 （ 即燃气轮机 ）由于具有单机功率 高压涡轮 中的不可逆绝热膨胀做功过程（ 压 比为 。 ， 大、 启 停快 、 体 积较小 等诸 多优点 ， 使其 在冶金 、 航 也称再热压 比） ； ５ － ６ 为工质从再热源等压 吸热过程 ； 空、 舰船 、 石 油化 工 等 领域 得 到 了普 遍 的应 用 。 以不 ６ — ７ 为工质在低压涡轮 中的不可逆绝热膨胀 做功过 同目 标（ 如功率 、 效率 、 熵产率、 功率密度等） 分析和优 程 （ 压 比为 １ Ｔ ／ ） ； ７ － ８为工质在回热器 中的放热过 化布雷顿热机 的性能的一直是 国内外动力工程领域 程 ； ８ — １ 为 工质 向低 温热源 放热 过程 。 过程 ｌ 一 、 ４ — ５ ｓ 的一个研究热点。陈双涛等【 建立了空间闭式布雷顿 和 ６ — ７ ｓ 分 别 为 与 过程 １ － ２ 、 ４ — ５和 ６ — ７相 对 应 的 等 循环太阳能热动力系统及各个主要部件的炯分析模 熵压缩 和膨 胀过 程 。 型， 讨论 了压缩机和膨胀机效率 、 回热度和混合工质 比例对 系统炯效率 的影 响； Ａ ｔ ｍ ａ ｃ ａ 等［ ２ １ 以功率 、 效率 功率 （ 定义为功率与效率之积） 和功率密度为 目标研 究了简单布雷顿循环的性能 ， 优化了压 比， 并分析 了 压气机和涡轮效率对循环性能的影响 ； Ｓ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｚ — Ｏ ｒ ｇ ａ ｚ 等［ ３ １ 以功率和热效率为 目 标 研究 了多级 中冷 回热再
式。 通过数值 算例 分别讨论 了各个性能 目标与再热压 比和总压 比的关系， 并对再 热压 比进行 了优化。分析 了回热度、 压 气机 和涡轮机 效率和再热终点温度对循环性 能的影 响， 所得 结果对 实际布 雷顿热机 的参数 选择和优 化设计具有 一定的
指导意义 。
关键词 ： 再热回热布雷顿循 环 ； 热 力学第一定律 ； 热力 学第二定律 ； 数值 算例 中图分类号 ： Ｔ Ｋ １ ２ 文献标识 码： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ ０ １ ０ — ０ ３
《 装备制造技术） ２ ｏ １ ３ 年第 ３ 期
式 中， ｋ为工质的绝热指数。
ｓ ｑ ￣ Ｉ Ｔ Ｌ —ｇ Ｔ Ｈ— ｑ ｈ ｌ ｌ Ｔ ｍ
ｃ Ｐ ｛ ） ， ７ １ 肌 ｛ ２ 占 （ ｘ － ｌ ＋ ｎ ｏ ） ＋ｒ ｆ ／ （ １ － ８ ， ） （ 一ｘ ￣ ａ ＋ ｙ ＇ ｑ ｌ ２ ）
１ 循 环 描 述
图 １ 所 示 为 闭 式 再 热 回热 布 雷 顿 循 环 ｓ图 ， ｌ 一 ２为 工质 在压 气 机 中的不 可逆 绝热 压 缩过 程 （ 压 比 为・ 订， 也 称 总压 比 ） ； ２ — ３为 工质 在 回热器 中的预 热过 程； ３ － ４为 工 质 从 高 温 热 源 吸热 过 程 ； ４ — ５为 工 质在
图 １ 循环
图
单个压气机和两个 涡轮机的不可逆损失分别用 内效率 叼 和 来表示 ， 定义如下 ：
ｒ ｋ＝（ 一 ） ， （ 一 ） ， 。 ＝（ 一 ） ， （ 乃一 ） ，
ｒ ｉ ｏ ． ＝（ 死一 ） ／ （ 死一 ） （ １ ）
设 工质 定压 比热 为 Ｃ ｐ ；回热 器 的 回热 度 为 ； 由 工程 热力学知识可得工质从高温热源吸热量 ｑ ｈ ． 从 效 率 为 目标 对一 种 再热 回热 布雷 顿 循 环 的热 力学 性 再热 源 吸热量 ｑ 向低 温 热源放 热 量 ｑ 以及在 回热 能 进行 系统 的研 究 。 器里 的热 交换 量 口 ， 分别 为 ：
热布雷顿循环的性能 ，求出了各种布雷顿循环的最 大功率 、 效率和相应的最佳压 比； 龚吴等嗍 对间冷 回
热布雷顿循环航空发动机 的参数 匹配进行 了研究 ， 分析 了中冷度 、 回热度和总压损失对热效率 、 燃油消 耗和涵道 比的影响 ， 并优化了高压压气机压 比。在上 述研究基础上 ， 本文将 以输 出功１ 、 热效率 、 熵产和炯