具有热阻和热漏的再热布雷顿循环性能分析

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1、第19卷第4期《燃气轮机技术》V01．19No．42OO6年12月GASTURBjETEa田、i0IDGYDee．，2OO6具有热阻和热漏的再热布雷顿循环性能分析倪何，孙丰瑞，陈林根(1．海军工程大学动力工程系，武汉430033；2．海军工程大学研究生院，武汉430033)摘要：用有限时间热力学方法建立了一个工作在恒温热源、死之间，存在热阻、热漏和再热的定常流空气标准闭式布雷顿循环模型。导出了其功率、效率的一般关系并对其进行优化，得到循环的基本优化关系；分析了在傅立叶导热定律下再热对循环最优性能的影响。关键词：有限时间热力学；再热；布雷顿循环

2、；广义热力学性能优化。中图分类号：TK123文献标识码：A文章编号：1009一Z889(Z006)04—0033—05自从Novikov(1957)⋯，Chambadal(1957)J。Cur一且与两个热源间的传热满足傅立叶导热定律，则7．,on—Ahlbom(1975)将传热过程引入卡诺热机循环循环的吸热和放热流率分别为：研究以来，已经有一批学者以功率¨“]、比功率[9,10]、生态学n砼和功率密度[1]为优化目标，用数值优化的方法分析了在恒温和变温热源条件下的开式和闭式，内可逆和不可逆、简单和回热布雷顿循环的性能。陈林根口]对传热不可逆性

3、和其它不可逆性对恒温、变温热源的简单和回热式内可逆布雷顿循环的影响，作了较为系统和全面的分析，得到了较为完整的解析结果；王文华、郑军林、王俊华等]利用有限时间热力学理论分析了实际恒温和变温热源条件下可逆和不可逆复杂布雷顿循环的性能。本文图1恒温热源再热布雷顿循环模型将在上述学者工作的基础上，考虑一个空气标准定Q。=U。(一)／1n[(一)／(一)]常流闭式再热布雷顿循环模型，研究其在热阻、热漏作用下的功率、效率特性。=CP(一)=CpE。(一)(1)Q：=Us(一T。)／ln[(一)／(一)]1循环模型=CP(一1)=CpE(一)(2)考虑图

4、1所示的工作于两个恒温热源、式中：、分别为高、低温侧换热器的热导间的定常流闭式布雷顿循环模型。过程1-"2是绝率。其中Ul=KlFl，Us=K2F2；Kl，K2为换热器热压缩工程；2—3为从热源的定压吸热过程i4的传热系数；F．、F2为换热器的换热面积。而E。、—1为向热源的定压放热过程。考虑膨胀过程E为高、低温侧换热器的有效度；分别为E1=l—的再热，当工质膨胀到温度的时候全部引出，进exp(一Ul／cP)，E2=1一exp(一U2／cP)o入再热器中被再次加热到，然后继续膨胀做功。高、低温热源间存在直接的旁通热漏，热流率q设工质的加热、放

5、热和再热过程的热容恒定，均为为常数，则高温热源的实际供热率口H和低温热源*收稿日期：2006-05．11改稿日期12006—06—24基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET一04—1006)；全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目(200136)作者简介：倪何(1982一)，男，硕士研究生．主要从事工程热力学与动力装置的研究。燃气轮机技术第19卷的实际吸热率Q分别为：二定律有：Q=Ql+q；QL=Q2+q(3)CP1n，+CPln，=CPInT6／T1(6)循环有再热段，设单位时间内工质在再热器中将式(6)变形为：的加热量是循

6、环吸热率Q。的k倍，而中间再热点的r，=T。／死(7)温度=rT3，则对于再热过程有：2基本优化关系kQl=(T5一)=(T5一rT3)(4)综合公式(1)、(2)、(3)、(4)、(7)可得：式中：k为再热系数；r为中间再热温比。由热力学第一定律，可得循环的功率P和效率Q2死(k+r)Q1一r+Q+r)(1一巧)一rE?]／CPT1分别为：(8)P=Q月+Ql—QL=(1+k)Ql—Q2将式(8)代人式(5)中得到功率和效率与循环吸=P／(Q+1)(5)热率Q。的一般关系式：由于不考虑循环的内不可逆性，应用热力学第P_一Q。r+崭Q(k+r

7、)(巧等)一rE?产](9)=一(1+k+q／Q。)tr器+Q(k+霈r)(1一日)一rE,-]}㈣可见，对于给定的Q。和边界条件，再热布雷顿循环的功率P和效率均为换热器的有效度E．、E：的函数，E=1一exp(一，)。设热导率之和为常数，即：Ul+=蜀Fl+=Ur(11)在式(11)的约束条件下，可求出当(Ul／Ur)=1／2+c尸lnE4~r+exv(一Ur，2c尸)瓜)／(exp(一Ur／2G)+)]，；，1^、(G／ur)。=1／2+cP1n[exp(一Ur／2c)~／r+k+r)，(√r+exp(一Ur／2)~／k+r)，Ur时，有

8、一定吸热率Q。，再热系数k和中间再热温比r下的最佳功率P和效率：P。=Q。[(1+k)(rT．一Q。A)一(k+r)TL](I-H—QlA)(13)叩I=[(1+k