提高熱機效率的研究和實踐

魏司琪　姜成果　王寶玉

摘 要：眾所周知，熱機效率都很低，早期的蒸汽機的熱效率只有1%～2%，當(dāng)代的各種動力裝置及熱電廠的熱效率也只有20%～60%，40%～80%的熱量都去哪了？巨大的浪費迫使人們思考如何回收利用散失的熱量，提高熱機的效率。通過對熱機的熱力學(xué)過程進(jìn)行分析，找到了熱機效率低的原因，給出了提高熱機效率的方向和措施。

關(guān)鍵詞：熱能 機械能 熱機 效率

中圖分類號：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0103-04

熱能是由一次能源轉(zhuǎn)換來的最主要形式，而后再由熱能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量而被利用，這個轉(zhuǎn)換裝置就是熱機[1]。據(jù)統(tǒng)計，經(jīng)熱能這一環(huán)節(jié)而被利用的能量在世界上占85%以上，我國占90%以上。然而，熱能的利用率卻較低。汽油機的熱效率為20%～30%，柴油機的熱效率為37%～42%，燃?xì)廨啓C單機循環(huán)熱效率為32%～40%，雙機聯(lián)合循環(huán)熱力機組的熱效率為52%～60%，程氏循環(huán)的熱效率為53%左右，國產(chǎn)20萬kW汽輪機熱效率為44%左右。熱機的效率如此低，迫使人們思考40%～80%的熱量都去哪了？巨大的浪費導(dǎo)致瘋狂的開采，使我國有些方面的能量資源瀕臨枯竭[2-3]。我國一次能源消費結(jié)構(gòu)是：煤炭占75%，儲采比約70年；石油占17%，我國石油僅可開采10年；天然氣占2%，大約還可用50年；一次電力（水電、核電及新能源發(fā)電）占6%，水能實際上來自太陽，江河川流不息，水力不會枯竭，但是東北的冬天流動的水就很少了，由此喚醒人們要珍惜能量資源，提高熱機的效率已刻不容緩[4]。

1 熱機（以燃?xì)廨啓C為例）的構(gòu)成和工作流程

燃?xì)廨啓C是以空氣和燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的熱動力設(shè)備。它由壓氣機、燃燒室和燃?xì)廨啓C3個部分構(gòu)成。簡化流程見圖1。

空氣首先進(jìn)入壓氣機中，壓縮到一定壓力后送入燃燒室。同時由電動機帶動燃油泵將燃油經(jīng)射油器噴入燃燒室中與壓縮空氣混合燃燒，產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟韧ǔ？蛇_(dá)到1 800～2 300 K，這時二次冷卻空氣（約占總空氣量的）經(jīng)通道壁面滲入與高溫燃?xì)饣旌希够旌蠚怏w溫度降低到適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)入燃?xì)廨啓C，才能保證燃?xì)廨啓C的葉片不受熱傷害?；旌蠚庑纬筛咚贇饬魍苿尤~片，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動而輸出機械功[5]。

2 熱機的理想循環(huán)

引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)，燃?xì)廨啓C裝置工作循環(huán)是由4個可逆過程組成的理想循環(huán)，如圖2所示。其中，1—2是絕熱壓縮過程；2—3是定壓加熱過程；3—4是絕熱膨脹過程；4—1是定壓放熱過程。這個循環(huán)稱為定壓加熱的理想循環(huán)，又稱布雷頓循環(huán)[6]。

下面分析布雷頓循環(huán)的熱效率。

式（2）表明，定壓加熱理想循環(huán)的熱效率取決于壓氣機中絕熱壓縮的初態(tài)溫度和終態(tài)溫度，或者說主要取決于循環(huán)增壓比π，且隨π值的增大而提高，此外也和工質(zhì)的絕熱系數(shù)k的數(shù)值有關(guān)，而與循環(huán)增溫比τ無關(guān)。

對于熱能動力裝置，除了要求熱效率高，希望單位質(zhì)量的工質(zhì)在循環(huán)中所做的凈功ωnet越大越好。

在定壓加熱理想循環(huán)中循環(huán)增溫比τ一定時，隨著循環(huán)增壓比π提高，單位質(zhì)量的工質(zhì)在循環(huán)中輸出的凈功ωnet并不是越來越大，而是存在一個最佳增壓比，使循環(huán)的凈功輸出為最大。這個最佳增壓比可由下述方法確定。

3 熱機的實際循環(huán)

燃?xì)廨啓C裝置實際循環(huán)的各個過程都存在不可逆因素，這里主要考慮壓縮過程和膨脹過程的不可逆性。因為流經(jīng)葉輪式壓氣機和燃?xì)廨啓C的工質(zhì)通常在很高的流速下實現(xiàn)能量之間的轉(zhuǎn)換，這時流體之間、流體與流道之間的摩擦不能再忽略不計。因此，工質(zhì)流經(jīng)壓氣機和燃?xì)廨啓C時向外散熱可忽略不計，其壓縮過程和膨脹過程都是不可逆的絕熱過程。

某大型陸上燃?xì)廨啓C裝置定壓加熱循環(huán)（如圖3）輸出凈功率為100 MW，循環(huán)的最高溫度為1 600 K，最低溫度為300 K，循環(huán)最低壓力為100，壓氣機的壓比14。壓氣機絕熱效率為0.85，燃?xì)廨啓C的相對內(nèi)效率為0.88，空氣比熱容取定值。那么，壓氣機消耗的功率、循環(huán)空氣的流量和循環(huán)的熱效率等參數(shù)分別為：

4 提高熱機循環(huán)熱效率的方向與措施

通過前面的分析研究可以看到，實際燃?xì)廨啓C的熱效率并不高，只有38.6%，那么61.4%的熱量都去哪了？一部分是壓氣機壓縮空氣消耗了；一部分是因過程不可逆耗散了；一部分是強制冷卻系統(tǒng)散失了；一部分是通過尾氣釋放到大氣中去了。巨大的浪費，導(dǎo)致我國很多方面的能量資源瀕臨枯竭?，F(xiàn)代社會人類需要的能源形式主要有機械能、熱能和電能3種，而一次能源中可被人們直接利用的熱能和機械能卻為數(shù)不多，絕大多數(shù)一次能源都須首先轉(zhuǎn)換為熱能才可利用。機械能和電能80%以上是由熱能通過熱機轉(zhuǎn)換得到的，這就迫使人們思考如何把浪費的熱量回收和高效轉(zhuǎn)換，提高熱機效率。

4.1 提高增溫比來提高實際循環(huán)的熱效率

循環(huán)增溫比越大，實際循環(huán)的熱效率越高。因為溫度決定于大氣環(huán)境，故只能借助提高循環(huán)最高溫度以增大。但是受限于金屬材料的耐熱性，故有研究用陶瓷材料部分甚至全部代替金屬材料，以達(dá)到更大的增溫比。

4.2 選擇合適的增壓比提高循環(huán)的熱效率

保持循環(huán)增溫比、壓氣機絕熱效率和燃?xì)廨啓C的相對內(nèi)效率一定，隨循環(huán)增壓比提高循環(huán)內(nèi)部熱效率有一極大值。當(dāng)增溫比增大時，和內(nèi)部熱效率的極大值相對應(yīng)的增壓比的值也提高，因而可進(jìn)一步提高內(nèi)部熱效率。

4.3 改變冷卻方式，提高循環(huán)凈功

前述實際燃?xì)廨啓C壓縮空氣耗功占燃?xì)廨啓C輸出功的53.3%。改用水或水蒸汽冷卻方式，可以大大提高燃?xì)廨啓C的循環(huán)凈功。這時壓氣機只為燃料燃燒提供供氧，水泵所需功率僅占蒸汽所做功的2%左右，這樣減少了壓氣機的自耗功，提高了循環(huán)凈功[7，8]。

4.4 增加循環(huán)過程的可逆性，提高燃?xì)廨啓C的熱效率

實際燃?xì)廨啓C壓縮過程和膨脹過程都是不可逆的。減小壓氣機中壓縮過程和燃?xì)廨啓C中膨脹過程的不可逆性，內(nèi)部熱效率隨之提高，從而提高了燃?xì)廨啓C的熱效率。

4.5 回收強制冷卻的熱量，提高燃?xì)廨啓C熱效率

（1）實際燃?xì)廨啓C的燃燒室溫度（1 600 K）還很高，向環(huán)境散失的熱量很多。設(shè)計一個冷卻水套回收這些散失的熱量，使水變成蒸汽，參與循環(huán)做功可以提高燃?xì)廨啓C的熱效率[6，9]。

（2）在燃?xì)廨啓C燃燒室中進(jìn)行蒸汽再熱，可以降低燃燒室的溫度，減少向環(huán)境的散熱。因燃燒室可以比鍋爐裝得更接近機組，所以減短抽汽用的高溫管道，不僅節(jié)省大量高級金屬，而且減少了向環(huán)境的散熱，提高了熱效率。

4.6 回收利用尾氣散失的熱量，提高熱能轉(zhuǎn)換效率

實際燃?xì)廨啓C排氣溫度（854.5 K）還相當(dāng)高，直接向冷源放熱造成很大的熱損失。若進(jìn)行回收利用，可以大大提高熱能轉(zhuǎn)換效率[10]。

（1）在裝置中增添一個回?zé)崞?，利用燃?xì)廨啓C排氣的熱量加熱壓縮后的空氣，可以提高循環(huán)熱效率。

（2）燃?xì)廨啓C排氣預(yù)熱鍋爐給水，提高熱能利用率。

（3）燃?xì)廨啓C排氣預(yù)熱鍋爐空氣，提高熱能利用率。

（4）燃?xì)廨啓C排氣作為鍋爐燃燒空氣，可以大大提高熱量利用率。

5 結(jié)語

綜上所述，熱能是品質(zhì)較低的能量，然而，在人類所需的能量中，有90%以上是的由熱能通過熱機轉(zhuǎn)換而得到的。熱機的效率很低，只有20%～60%，40%～80%的熱量都浪費了，巨大的浪費使我國很多方面的能量資源匱乏。由此喚醒人們對浪費的熱量回收和高效轉(zhuǎn)換，提高熱機制效率。文中給出了很多提高熱機效率的方法，每一種方法都能提高熱機制效率。倘若熱機的效率提高1%的話，就能為人類創(chuàng)造億萬財富。

參考文獻(xiàn)

[1] 畢明樹，馮殿義，馬連湘.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008：1-3.

[2] 姜成果，王寶玉，王濤，等.工質(zhì)對熱機效率影響探略[J].通化師范學(xué)院學(xué)報，2008，29（2）：25-27.

[3] 姜成果，田貴才，王寶玉，等.雙工質(zhì)聯(lián)合循環(huán)透平機可行性研究[J].實驗室研究與探索，2008，27（12）：50-53.

[4] 翁史烈.熱能與動力工程基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004：5-7.

[5] 姜成果，王寶玉，姜立月，等.變工質(zhì)透平機的設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2015，34（2）：67-70.

[6] 沈維道，童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2010：300-302.

[7] 華自強，張忠進(jìn).工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008：51-52，256-258.

[8] 姜成果，王寶玉，姜立月，等.微型雙工質(zhì)透平機的設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室科學(xué)，2013，16（3）：181-183，189.

[9] 姜成果，王寶玉，姜立月，等.提高燃?xì)廨啓C輸出功率的設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索，2013，32（12）：42-44，60.

[10] 劉萬琨，魏毓璞，趙萍，等.燃?xì)廨啓C與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：166-169.