工程热力学讲义第十章

1、1 第十章第十章 气体的动力循环气体的动力循环 - Gas power cycles 2 101 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法 一一.分析动力循环的目的分析动力循环的目的 在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的 经济性，寻求提高经济性的方向及途径。 二二.分析动力循环的一般步骤分析动力循环的一般步骤 1）实际循环（复杂不可逆） 抽象、简化 可逆理论循环 分析可逆循环 影响经济性的主要因素和可能改进途径 实际循环 指导改善 2）分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际 损失的部位、大小、原因及改进办法。 3 三三.分析动力循环的方法分析动力循环的方法 1）第一定律分析法）第

2、一定律分析法以第一定律为基础，以能 量的数量守恒为立足点。 2）第二定律分析法）第二定律分析法 综合第一定律和第二定律 从能量的数量和质量分析。 熵分析法熵分析法 用分析法用分析法 熵产作功能力损失 用损用效率 4 四四.空气标准假设空气标准假设(the air-standard hypothesis) 气体动力循环中工作流体理想气体 空气定比热 燃烧和排气过程吸热和放热过程 燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计 T s T1 T0 Wnet Wc Wnet,act 五、五、 内部热效率内部热效率(internal thermal efficiency ) i 不可逆过程中实际作功量和

3、循环加热量之比。 5 1 0 1 T T c c t o 以燃气为高温热源，环境为低温热源时卡诺 循环的热效率。 net 1 t w q 与实际循环相当的内可逆循环的热效率。 相对热效率(relative thermal efficiency)， 反映该内部可逆循环因与高、低温热源 存在温差（外部不可逆）而造成的损失。 net, net act T w w 相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失。 , 111 , 1 net actnet actnet act netnetc i netnetc net act iTtToc wwwwww

4、qwqwwq w q 6 102 活塞式内燃机实际循环的简化活塞式内燃机实际循环的简化 一一.活塞式内燃机活塞式内燃机(internal combustion engine)简介简介 分类分类： 按燃料：煤气机(gas engine)、汽油机(gasoline engine; petrol engine)、柴油机(diesel engine) 按点火方式：点燃式(spark ignition engine)、压燃式 (compression ignition engine) 按冲程：二冲程(two-stroke )、四冲程(four-stroke ) 7 活塞式内燃机循环特点活塞式内燃机循环特

5、点： 开式开式循环(open cycle)； 燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆不可逆； 各环节中工质质量、成分稍有变化质量、成分稍有变化。 8 h net V W MEP 二、平均有效压力二、平均有效压力- mean effective pressure 循环净功与活塞排 量的比值。 9 三三.活塞式内燃机循环的简化活塞式内燃机循环的简化 汽油机 10 01 吸气 12 压缩 23 喷油、燃烧 34 燃烧 45 膨胀作功 50 排气 简化：引用空气标准假设 燃烧燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热 排气排气5-1等容放热 压缩、膨胀压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程 吸、排气线吸、排气线重合

6、、忽略 燃油质量燃油质量忽略 燃气成分改变燃气成分改变忽略 柴油机 11 103 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环 一一.混合加热理想循环混合加热理想循环（dual combustion cycle） 1.p-v图及图及T-s图图 12 等熵压缩；23 等容吸热； 34 定压吸热；45 等熵膨胀； 51 定容放热 特性参数特性参数： 1 2 v v 3 2 p p 4 3 v v 压缩比compression ratio 定容增压比pressure ratio 定压预胀比 cutoff ratio 注意： 2 1 p p 12 2.循环热效率循环热效率 net 1 t w q ne

7、tnet12 wqqq 342343321 TTcTTcqqq pV 15152 TTcqq V 3423 15 1 2 11 TTTT TT q q t 13 t 表示、利用 1 1 1 2 1 12 21 T v v TT有 1 3 321 2 23 p TTT p 有 1 4 431 3 34 v TTT v 有 1 5 15 15 p p TT 有 14 44552211 vpvpvpvp因两式相除，考虑到 325134 vvvvpp 53444 12323 pppvv ppvpv 1 1 1 11 t 5 51 1 p TT p 51 TT 3423 15 1 TTTT TT t 把

8、T2、T3、T4和T5代入 求 1 5 p p 15 讨论讨论： )a ) c 归纳归纳：a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热 效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实 际循环的指导际循环的指导。 b.利用利用T-s图分析循环较方便。图分析循环较方便。 c.同时考虑同时考虑q1和和q2或或T1m和和T2m平均。平均。 )b t t t 1 1 1 11 t 16 二二.定压加热理想循环定压加热理想循环Diesel cycle 1 2 1 q q t 23 14 1 TT TT t 11 1 1 1 t 14

9、2 TTcq V 231 TTcq p 1 1 11 1 t 2 3 2 1 v v v v 17 讨论： net ) t aw net ) t bw C) 重负荷（，q1 ）时 内部热效率下降，除 外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降。 18 三三.定容加热理想循环定容加热理想循环Otto cycle 2 3 2 1 p p v v 19 231 TTcq V 11 11 111 11 t 142 TTcq V 23 14 1 2 11 TT TT q q t 2 3 2 1 p p v v 20 讨论： t a) net ); t bw不变，但 C) 重负荷（q1 ）时内部 热效率下降，

10、因温度上升 使 ，造成热效率下降。 21 已知某柴油机混合加热理想循环p1=0.17 MPa、t1=60， 压缩比=14.5，气缸中气体最大压力10.3 Mpa，循环加 热量q1=900kJ/kg。设其工质为空气，比热容为定值并取 cp=1004 J/（kg.K），cV=718 J/（kg.K），=1.4；环境 温度t0=20，压力p0=0.1 Mpa。试分析该循环并求循环 热效率及佣效率。 解： 由已知条件： p1=0.17 kPa、T1=333.15 K 点1： kgm Pa KKkgJ p TR v g /562. 0 1017. 0 15.333)/(287 3 6 1 1 1 点2：

11、 kgm kgmv v/0387. 0 5 .14 /562. 0 3 3 1 2 22 1-2是定熵过程，有 MPaMPap v v pp k k 18. 75 .1417. 0 4 . 1 1 2 1 12 K KkgJ kgmPa R vp T g 968 )./(287 /0387. 01018. 7 36 22 2 点3： MPap3 .10 3 kgmvv/0387. 0 3 23 K KkgJ kgmPa R vp T g 1389 )./(287 /0387. 0103 .10 36 33 3 43. 1 18. 7 3 .10 2 3 MPa MPa p p kgkJKKKk

12、gkJTTcq VV /302)9681389()./(718. 0)( 231 kgkJkgkJkgkJqqq Vp /598/302/900 111 23 点4： 34 pp =10.3 Mpa， )( 341 TTcq pp 所以 K KkgkJ kgkJ K c q TT p p 1985 )./(004. 1 /598 1389 1 34 kgm Pa KKkgJ p TR v g /055. 0 103 .10 1985)/(287 3 6 4 4 4 点5： kgmvv/562. 0 3 15 MPa kgm kgm MPa v v pp k 398. 0 /562. 0 /05

13、5. 0 3 .10 4 . 1 3 3 5 4 45 K KkgJ kgmPa R vp T g 779 )./(287 /562. 010398. 0 36 55 5 kgkJKKKkgkJTTcq V /320)333779()./(718. 0)( 152 24 kgkJkgkJkgkJqqwnet/580/320/900 21 639. 0 ) 142. 1 (43. 14 . 1) 143. 1 (5 .14 142. 143. 1 1 ) 1() 1( 1 1 14 . 1 4 . 1 1 k k k t 或 644. 0 /900 /580 1 kgkJ kgkJ q wnet

14、 t 在吸热过程中空气熵增为 )./(6174. 0 18. 7 3 .10 ln)./(287. 0 968 1985 ln)./(004. 1 lnln 2 4 2 4 24 KkgkJ MPa MPa KkgkJ K K KkgkJ p p R T T cs gp 25 kgkJkgkJ K K q T T e m Qx /1 .719/900) 6 .1457 15.293 1 ()1 ( 1 1 0 , 所以平均吸热温度为 K KkgkJ kgkJ s q T m 6 .1457 )./(6174. 0 /900 24 1 1 循环吸热量中的可用能： 循环火用效率 806. 0 /1

15、 .719 /580 , kgkJ kgkJ e w Qx net ex 26 104 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 一一.压缩比相同，吸热量相同时的比较压缩比相同，吸热量相同时的比较 111vmp qqq 或 pmvTTT222 pmv qqq 222 tvtmtp pmvTTT111 27 二二.循环循环pmax，Tmax相同时的比较相同时的比较 222pmv qqq 或 vmpTTT222 vmp qqq 221 tptmtv vmpTTT111 28 （*）若使活塞式内燃机按卡诺循环运行，并设其温度界 限与下图所示混合循环相同，试从工程实践角

16、度比较两个 循环，已知： p1=0.17MPa，T1=333k，p4=10.3MPa， T4=1985k，v2=0.0387m3/kg 29 kg m p TR v a ag a 3 6 00648. 0 109 .87 1985287 解： kg m p TR v g 3 6 1 1 1 562. 0 1017. 0 333287 KTTa1985 4 MPa T T pp a a 9 .87 333 1985 17. 0 14 . 1 4 . 1 1 1 1 KTTb333 1 MPa T T pp b b 0199. 0 1985 333 3 .10 14 . 1 4 . 1 1 4 4

17、 kg m p TR v b bg b 3 6 80. 4 100199. 0 333287 %2 .83 1985 333 11 a b c T T 30 从工程实用角度出发： 1）pa=87.9MPa，压力太高； 2）pb=0.0199MPa，压力太低，真空状态难以维持； 5 .140387. 0562. 0 7 .74000648. 08 . 4 2 1 3 2 3 1 33 v v kg m v kg m v v v kg m v kg m v a b ab 体积变化过大3） 4）活塞从ab移动距离太长，摩擦损耗太大，所以虽然 每循环理论wnet增大，但实际收效甚少。 31 10-6

18、燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环 一一.燃气轮机燃气轮机(gas turbine)装置简介装置简介 32 33 构成：构成： 压气机压气机(compressor) 燃烧室燃烧室(combustion chamber) 燃气轮机燃气轮机(gas turbine) 特点特点： 1.开式循环开式循环(open cycle)，工质流动 2.运转平稳运转平稳，连续输出功 3.启动快启动快，达满负荷快 4.压气机消耗了燃气轮机产生功率 的绝大部分，但重量功率比重量功率比 (specific weight of engine)仍较大仍较大 用途用途：飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak- loa

19、d set)，等。 34 二二.定压加热理想循环定压加热理想循环 constant-pressure combustion cycle; Brayton cycle 1-2 等熵压缩（压气机内） 2-3 定压吸热（燃烧室内） 3-4 等熵膨胀（燃气轮机内） 4-1 定压放热（排气，假想换热器） 2 1 p p 循环增压比pressure ratio 循环增温比temperature ratio 3 1 T T t 35 三三.定压加热理想循环分析定压加热理想循环分析 1.热效率热效率t 2323231 3 2 TTcTTchhq p t tpm 1 2 1 21 1 3 4 34 p p TT

20、 p p TT 23 14 pp pp 2 1 3 4 T T T T 2 1 23 14 T T TT TT 1 2 1 1 11 T T t 注意：式中注意：式中T1，T2并非指高温并非指高温 热源，低温热源热源，低温热源。 1414142 4 1 TTcTTchhq p t tpm 23 14 1 2 11 TT TT q q t 36 2.分析分析 无关与 3 )Ta tt 1net ) t bqw一定不变 1 2 1 1 11 t T T ？ 37 netmax ) cwwt一定， 取某值 net12 wqq 21 net netnet,max 0, w ww d t 令时 1423

21、 TTTTc p 1 1 1 1 1 1 t Tc p 2 ,max1( 1) netp wc Tt 38 net )dwt与 及 的关系 可见： 1）对于每一，均有其wnet,max 。 2）上升，即T3上升，使取得wnet,max 的 上升，t上 升，所以提高T3 能带动 wnet,max 及t同时升高。 2 ,max1( 1) netp wc Tt ,max 2(1) net k k w t 39 107 燃气轮机装置定压加热实际循环燃气轮机装置定压加热实际循环 一一.定压加热的实际循环定压加热的实际循环 1-2 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀； 4-1 定

22、压放热。 40 二二.压气机绝热效率压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency) CS 和燃气轮机相对内效率和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)T CS21 CS C21 s a whh whh C21 CS 1 s whh 2121 CS 1 as hhhh , 34 ,34 t T a T t Ts whh whh ,34t TTs whh 4334Tsa hhhh 41 三三. 燃气轮机装置的内部热效率燃气轮机装置的内部热效率 (internal thermal efficiency)i net 1 i w

23、q 整理后可得： net,3421 1 t TcTss cs wwwhhhh 121323 1 1 hhhhhhq s cs 1 3421 CS CS 31211 CSCS 1 1 111 1 T oiss i s hhhh hhhh t t 42 1 3421 CS CS 31211 CSCS 1 1 111 1 T oiss i s hhhh hhhh t t 讨论讨论： C CS CS ) 0.850.920.850.90 iT Ti T at S 除 、 外 还与、有关， ， 目前， i bt,)一定时， 但有极值 i c,) 增大增大是提高燃气轮机装置性能（是提高燃气轮机装置性能（w

24、net，i）的方向。）的方向。 43 108 提高燃气轮机装置循环热效率的措施提高燃气轮机装置循环热效率的措施 一一.回热回热regeneration 讨论讨论 182 731 ) 1 TTcq TTcq p p 回 回 tt T T q q 回 回 回 回 回 1 2 1 2 , 11 2）极限回热）极限回热 162531 TTcqTTcq pp 回回 44 3）回热度）回热度regenerator effectiveness 64 84 25 27 hh hh hh hh 量理论上极限可利用的热 实际回热利用的热量 注意：注意：达一定值，回热不能进行达一定值，回热不能进行 4）实际循环的回

25、热）实际循环的回热 45 分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却multistage compression and intervening cooling 46 二二. 分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却 采用分级压缩，中间冷却后t？ 循环12341： 1 1 1 t 循环1567341： 循环12341 循环67256 循环67256： tt 1 1 1 1 123411567341tt 回热基础上分级压缩中间冷却 net,1567341net,12341 ww 回热基础上回热基础上 12341, 11567341, 1 qq 12341,1567341,tt 47 三三.回热基础上分级膨

26、胀，中间加热回热基础上分级膨胀，中间加热 循环12389101 =循环127101-循环37983 若无回热 127101,12341,tt 若回热 循环12389101与循环12341 比较T1m上升，T2m下降 12389101,12341tt 注意：注意： 当分级压缩中间冷却；分级当分级压缩中间冷却；分级 膨胀中间再热，级数趋向膨胀中间再热，级数趋向无穷无穷 多多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。 127101,2389101,tt ,2389101,12341tt 48 气体动力循环热效率分析归纳气体动力循环热效率分析归纳： 基础基础： n

27、et22 111 111 L t h wqTT qqTT 方法方法： 在T-s图上叠加、拆分等； 在T-s图上与同温限卡诺循环比较； 利用t=f(x,y,z)的数学特性。 49 某燃气轮机装置定压加热循环，循环增压比=7，增温 比=4，压气机吸入空气压力p1=0.8MPa，t1=17c。压气 机绝热效率cs=0.90，燃机轮机相对内效率T=0.92，若空 气取定比热，其cp=1.03kJ/kgK，Rg=0.287 kJ/kgK， =1.3863 求：1）装置内部热效率 i，循环吸热量q1和放热量q2； 2）压气机及燃气轮机中的不可逆损失； 3）装置每一循环的可用能损失。 50 1） MPapp

28、6 . 58 . 07 12 K TT TT cs 95.521 90. 0 29076.498 290 12 1 2 1 1 1 1 2 12 T p p TT K76.4987290 3868. 1 13868. 1 KTT11604290 13 t KT p p TT48.674 7 1 1160 1 3868. 1 13868. 11 3 1 3 4 34 KTTTT T 32.71348.674116092. 01160 433 4 51 kg kJ TTcq p 02.436 29032.71303. 1 1 42 kJqw inet 14.22119.6573365. 0 1 2

29、）压气机内空气 gf ssss 1 2 sf=0 2 2 221212 1 2 1 2 ln 04685. 07ln287. 0 290 95.521 ln03. 1lnln T T cssssor Kkg kJ p p R T T cs pg pg kg kJ TTcq p 19.657 95.521116003. 1 231 %65.33 19.657 02.436 11 1 2 q q i 52 燃气轮机内 gf ssss 3 4 Sf=0 Kkg kJ T T csss pg 05767. 0 48.674 32.713 ln03. 1 ln 4 4 4443 kg kJ sTI kg kJ sTI g g 72.1605767. 0290 58.1304685. 0290 0 0 燃燃气机 压压气机 53 kg kJ q T T q kg kJ q T T q