卡诺循坏的效率的新的应用.doc

1、卡诺循坏的效率
工质在循环中所作的净功与其由热源吸收的热量之比称为循环效率，显然：
ηti卡＝净功/吸热量＝W0/q1＝（q1－q2）/q1＝1－q2/q1
＝1－T2ΔS/ T1ΔS=1－T1/ T2 （2-39）
分析上式，可得如下重要结论：
（1）卡诺循环的热效率决定于热源温度T1和冷源温度T2（即工质的吸、放热温度）而与工质性质无关。提高T1，降低T2，可以提高循环效率。
（2）卡诺循环热效率只能小于1。因为，要使T1＝∞或T2＝0K都是不可能的。即q2只能减小而无法避免。
（3）当T1＝T2时，ηti卡＝0，即，在没有温差的系统中，无法实现热转换成有用的热力循环。也就是说，只有一个热源而无冷源的热机是无法实现的。
2、卡诺循坏是最佳循环
在相同的热源温度T1和冷源温度T2条件下，卡诺循环的热效率最高。因为实际的循环都或多或少地存在着一定的不可逆，而且，要实现对工质加热而不使其温度升高，放热而不使其温度降低，是很难做到的，因而，实现卡诺循环是不可能的。即便如此，也不影响卡诺循环从理论上指明提高实际循环热效率的方向和限度所作出的重大贡献。
逆向卡诺循环是制冷机的理想循环，其功和热的关系与正向循环的数值相同，方向相反。

1、卡诺循坏的效率的新的应用（加入热泵之后，热能的平衡关系有变化）
工质在循环中所作的净功与其由热源吸收的热量之比称为循环效率，显然：
ηti卡＝净功/吸热量＝W0/q1＝（q1+Δq－q2）/q1
Δq＝－q0+COPq0 ＝q0（COP-1）
COP热泵的能效比；
q0应用热泵之后损失的热能；
加入热泵之后，热能的平衡关系有变化结果：
ηti卡＝净功/吸热量＝W0/q1
＝（q1+Δq－q2）/q1＝（1－q2/q1）q1+Δq/q1
当Δq＝选择为达到q1 q1到的10%时，整体效率可以提高10%

几种典型的循环原理加以分析介绍。
一、朗肯循环
朗肯循环是最简单的火力发电厂的理论循环，如图2-12所示。它的循环过程为：首先将凝汽器内的凝结水用凝结水泵4和给水泵6打入锅炉1，该过程为给水的绝热压缩过程，打入锅炉的水在锅炉内定压吸热、汽化和过热；从锅炉来的新蒸汽在汽轮机2中绝热膨胀作功过程；作完功的乏汽在凝汽器内的定压凝结放热过程。
以上四个过程在T-s图上表示如图1-B。
图2-13中，过程线1-2为过热蒸汽在汽轮机中的绝热膨胀过程。此时每千克蒸汽在汽轮机内部所作的技术功为：
轮机中的绝热膨胀过程。此时每千克蒸汽在汽轮机内部所作的技术功为：
Wt＝h1－h2 （2-40）
式中，h1——进汽焓，kJ/kg；
h1——乏汽焓，kJ/kg。
过程线2—3表示乏汽在凝汽器中的定压放热过程。每千克工质放出的热量为：
ε2＝h2－h3 （2-41）
式中，h3——乏汽压力P2下的凝结水焓，kJ/kg。
过程线3—4表示凝结水在给水泵中的绝热压缩过程。给水泵所消耗的技术功为：
Wp＝h4－h3 （2-42）
式中，h4——离开给水泵时（P4=P1）的未饱和水焓，kJ/kg。
过程线4—5—6—1表示未饱和水在锅炉的省煤器、汽包和过热器中定压加热、汽化并最后形成过热蒸汽的过程。每千克工质吸入的热量为：
q1＝h1－h4 （2-43）
（一）朗肯循坏的热效率
每一循环中工质所作的循环净功等于汽轮机所作的功减去给水泵消耗的功，即
W0＝ Wt－Wp＝（h1－h2）－（h4－h3）
＝（h1－h4）－（h2－h3）
＝q1－q2
则朗肯循环的热效率为：
ηt＝W0/q1＝[（h1－h2）－ Wp]/[（h1－h3）－Wp] （2-44）
鉴于水的压缩性极小，绝热压缩后其比容可认为不变，即υ4≈υ3，因而所需要的压缩功微不足道，即u4=u3。所以给水泵所消耗的技术功可近似计算为：
Wp＝h4－h3≈P4υ4－P3υ3
≈（P4－P3）υ3≈（P1－P2）υ2'
可见，水泵功的数值主要随初压P1而变化。但在P1≤10MPa时，Wp通常仅占Wt的1%左右，故在一般粗略估算时，可认为Wp≈0，于是:
ηt＝（h1－h2）/（h1－h3）＝（h1－h2）/（h1－h2'） （2-45）
式中，h2'——为乏汽压力下凝结水焓，kJ/kg。
（二）提高朗肯循环热效率的途径
以上已经分析出，朗肯循环热效率的数值取决于蒸汽的初焓h1、终焓h2以及乏汽压力下饱和水的焓h2'，而h1决定于P1和t1； h2决定于P1、t1和P2；h2'则由P2决定。因此，朗肯循环效率实际上由三个参数即初参数P1、t1和终压P2决定。
如前所述，欲提高任何可逆循环的热效率都必须提高工质的平均吸热温度和降低其平均放热温度。对于朗肯循环而言，提高P1可以相应提高饱和温度T1s，从而提高吸热平均温度T平均1。但提高P1受到排汽终湿度的影响和限制。过份提高P1使排汽湿度增加，这将明显增大汽轮机内部的不可逆损失，从而使相对内效率下降，还可能引起汽轮机的危险振动甚至导致叶片折断等重大事故，故通常不允许乏汽湿度高于0.12～O.15。
提高蒸汽的初温t1，虽然对提高平均吸热温度的效果不十分显著，但可以降低排汽温度。也就是说，提高初压所带来的不利影响可通过同时提高初温加以消除。因此蒸汽动力装置中蒸汽的初温初压应同时提高，二者提高的幅度亦需合理的配合。提高初温受到动力设备材料耐热强度的限制。
降低凝汽器中乏汽的压力P2可降低相应的饱和温度T2s，使平均放热温度T平均2下降，从而使循环热效率提高。由此可见，提高朗肯循环热效率的根本途径是提高蒸汽的初参数P1和t1并尽可能地降低乏汽压力P2。
由于提高初参数所受到的限制，目前国内大、中型火力发电厂常用的蒸汽初压多半临界压力22.06Mpa以下；初温在450～550℃范围内，超过600℃尚属少见。
同样，终压的降低受到自然环境温度的限制，而且过份低的终压将导致终了乏汽比容迅猛增大，从而给汽轮机的设计与制造带来一系列困难。如低压通流面积过大而使设计困难，凝汽器十分庞大笨重以及运行中使循环水泵耗电量增大等不利影响。目前P2一般都维持在3.5～5kPa的范围内。
综上所述，朗肯循环的最大缺点在于工质的平均吸热温度远较循环的最高温度T1为低。目前发电厂都不直接采用上述简单的朗肯循环，而采用设备结构、热力系统较为复杂的回热循环和再热循环等，这主要就是为了提高循环中工质的平均吸热温度，从而使热效率尽可能地提高。