严家騄版工程热力学PPT 第6章气体动力循环

1、工程热力学气体动力循环第六章第六章 气体动力循环气体动力循环Gas Power Cycle工程热力学气体动力循环动力循环研究目的和分类动力循环研究目的和分类动力循环：动力循环：工质连续不断地将从高温热源取工质连续不断地将从高温热源取得的得的热量热量的一部分转换成对外的的一部分转换成对外的净功净功按工质按工质气体动力循环气体动力循环：内燃机：内燃机蒸汽动力循环蒸汽动力循环：外燃机：外燃机空气为主的燃气空气为主的燃气按按理想气体理想气体处理处理水蒸气等水蒸气等实际气体实际气体研究目的：研究目的：合理安排循环，提高热效率合理安排循环，提高热效率internal combustion engineex

2、ternal combustion engine工程热力学气体动力循环气体动力循环分类气体动力循环分类按结构按结构活塞式活塞式叶轮式叶轮式汽车，摩托，小型轮船汽车，摩托，小型轮船航空，大型轮船，移动电站航空，大型轮船，移动电站piston engineGas turbine cycle工程热力学气体动力循环气体动力循环分类气体动力循环分类小型汽车，摩托小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，中、大型汽车，火车，轮船，移动电站轮船，移动电站汽油机汽油机 petrol (gasoline) engine按燃料按燃料柴油机柴油机diesel engine煤油机煤油机 kerosene oil engine

3、航空航空工程热力学气体动力循环气体动力循环分类气体动力循环分类点燃式点燃式 spark ignition按点燃方式：按点燃方式：按冲程数：按冲程数：四冲程四冲程 four-stroke压燃式压燃式 compression ignition二冲程二冲程 two-stroke工程热力学气体动力循环动力循环研究方法动力循环研究方法实际动力循环非常复杂实际动力循环非常复杂不可逆不可逆，多变指数变化多变指数变化，燃烧燃烧等等 工程热力学研究方法，先对实际动工程热力学研究方法，先对实际动力循环进行力循环进行抽象抽象和和理想化理想化，形成各种理，形成各种理想循环进行分析，最后进行想循环进行分析，最后进行修正

4、修正。工程热力学气体动力循环6-1 6-1 活塞式内燃机动力循环活塞式内燃机动力循环一、四冲程高速柴油机一、四冲程高速柴油机（混合加热循环）（混合加热循环）high-speed diesel engin工程热力学气体动力循环四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作原理空气、油空气、油废气废气吸气吸气压缩压缩膨胀膨胀排气排气IntakeCompressionExpansionExhaustExhaust gasAir, FuelIntake valveExhaust valve工程热力学气体动力循环四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程12301 吸空气吸空气pV一般一般n=1.341.3

5、7柴油自燃柴油自燃t=335p02012 多变压缩多变压缩p2=35MPat2=6008002 喷柴油喷柴油2 开始燃烧开始燃烧23 迅速燃烧，近似迅速燃烧，近似 Vp59MPaAutoiginition工程热力学气体动力循环四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程1234534 边喷油，边膨胀边喷油，边膨胀pVp0120t4可达可达170018004 停止喷柴油停止喷柴油45 多变膨胀多变膨胀V近似近似 膨胀膨胀pp5=0.30.5MPat5 50051 开阀排气，开阀排气， 降压降压10 活塞推排气活塞推排气,完成循环完成循环工程热力学气体动力循环四冲程高速柴油机的理想化四冲程高速

6、柴油机的理想化123451. 工质工质pVp0120工质数量不变工质数量不变定比热理想气体定比热理想气体P-V图图p-v图图2. 0-1和和1 -0抵消抵消开口开口闭口循环闭口循环3. 燃烧燃烧外界加热外界加热4. 排气排气向向外界放热外界放热5. 多变多变绝绝热热6. 不可逆不可逆可逆可逆工程热力学气体动力循环理想混合加热循环（萨巴德循环）理想混合加热循环（萨巴德循环）1234512345pvTs分析循环分析循环吸热量吸热量，放热量放热量，热效率热效率和和功量功量Dual cycle工程热力学气体动力循环工程热力学气体动力循环定义几个指标性参数定义几个指标性参数12345pv压缩比压缩比12

7、vv定容增压比定容增压比32pp预胀比预胀比43vv反映反映气缸气缸容积容积反映反映供油供油规律规律Compression ratioCutoff ratio工程热力学气体动力循环 热效率热效率)()()(11340230150112tTTcTTcTTcqqqpVVpv工程热力学气体动力循环111211200)(TvvTT1123230TppTT1134340TvvTT00000011111124113415445)()()()(TTvvTvvTvvTT工程热力学气体动力循环各因素对混合加热循环的影响各因素对混合加热循环的影响t1.4k 1.3k 1.2k 1、当当 、 不变不变t受气缸材料限

8、制受气缸材料限制 一般柴油机一般柴油机1421kt11111kkk 潜艇用氦气，潜艇用氦气，k=1.66工程热力学气体动力循环各因素对混合加热循环的影响各因素对混合加热循环的影响2、当当 不变不变ttt11.523t11111kkk 注意：注意：图示的研究方法图示的研究方法不必记忆不必记忆 的复杂式的复杂式t12345pv工程热力学气体动力循环柴油机与汽油柴油机与汽油机动力循环图示机动力循环图示12345pv1234pv柴油机，压燃式柴油机，压燃式汽油机，点燃式汽油机，点燃式1工程热力学气体动力循环活塞式内燃机的定容加热循环活塞式内燃机的定容加热循环 油气混合进入气缸，点燃后，燃烧较快，油气混

9、合进入气缸，点燃后，燃烧较快，活塞基本不动，燃烧过程可以看作定容过活塞基本不动，燃烧过程可以看作定容过程程工程热力学气体动力循环 我们可以将定容过程看成预胀比等于我们可以将定容过程看成预胀比等于1 1的混的混合加热过程合加热过程 这种加热过程热效率不高，因为压缩比不这种加热过程热效率不高，因为压缩比不能太高。一般为能太高。一般为5 59 9工程热力学气体动力循环定容加热循环的计算定容加热循环的计算t11111kkk 1t111k tk汽油易爆燃汽油易爆燃一般汽油机一般汽油机510一般柴油机效率高于汽油机的效率一般柴油机效率高于汽油机的效率但汽油机小巧但汽油机小巧2114柴油机工程热力学气体动力

10、循环柴油机与低速柴油柴油机与低速柴油机循环图示机循环图示12345pv1234pv柴油机，压燃式柴油机，压燃式低速柴油机，压燃式低速柴油机，压燃式1工程热力学气体动力循环定压定压 加热循环加热循环 燃烧过程，一边燃烧，一边膨胀，气缸燃烧过程，一边燃烧，一边膨胀，气缸内压力基本保持不变，相当于定压过程内压力基本保持不变，相当于定压过程工程热力学气体动力循环定压加热循环的计算定压加热循环的计算热效率热效率t111(1)kkk t1.522.5当当 不变不变t当当 不变不变t工程热力学气体动力循环6-2 6-2 活塞式内燃机循环比较活塞式内燃机循环比较比较的条件比较的条件压缩比压缩比吸热量吸热量1q

11、反映气缸结构尺寸、工艺材料反映气缸结构尺寸、工艺材料反映作功量（马力）反映作功量（马力）最高压力最高压力maxp反映材料耐压、壁厚、成本反映材料耐压、壁厚、成本最高压力最高压力maxT反映材料耐温反映材料耐温比较的对象：比较的对象：混合加热，定容加热，定压加热混合加热，定容加热，定压加热工程热力学气体动力循环和和 相同相同Ts2t11qq tvtmtp2v2m2pqqq平均温度法平均温度法1q3m4m123v4v3p4p工程热力学气体动力循环和和 相同相同Ts211tqq 1p1m1vqqq2q相等相等maxpmaxT12v342mtptmtv2p工程热力学气体动力循环和和 相同相同3p4mT

12、s211tqq 2p2m2vqqq1qmaxp2ptptmtv3m12v4v3v4p2m？ 和和 相同，图示相同，图示 大小大小maxT1qtptmtv,工程热力学气体动力循环6-3 6-3 斯特林（斯特林（Stirling) )循环循环1816年提出，近年提出，近20年才实施年才实施冷气室冷气室热气室热气室加热器加热器冷却器冷却器AB回热器回热器1-2 T 压缩压缩2-3 V 吸热吸热3-4 T 膨胀膨胀4-1 V 放热放热工程热力学气体动力循环斯特林循环图示斯特林循环图示12341234pvTs概括性卡诺循环概括性卡诺循环核潜艇，制冷核潜艇，制冷工程热力学气体动力循环6-4 6-4 勃雷登

13、循环勃雷登循环（Brayton Cycle）用途：用途： 航空发动机航空发动机 尖峰电站尖峰电站 移动电站移动电站 大型轮船大型轮船工程热力学气体动力循环勃雷登循环示意图和理想化勃雷登循环示意图和理想化1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室1）工质：数量不变，定比热工质：数量不变，定比热理想气体理想气体理想化：理想化：2）闭口闭口 循环循环3）可逆过程可逆过程Combustion chamberCompressorTurbine工程热力学气体动力循环pvTs12341234T-s and P-v diagrams for the ideal Brayton Cycle工程热力学气体动

14、力循环勃雷登循环的计算勃雷登循环的计算Ts1234吸热量：吸热量：1p32qcTT放热量：放热量：2p41qcTT热效率：热效率：12241t1113211wqqqTTqqqTT 工程热力学气体动力循环勃雷登循环热效率的计算勃雷登循环热效率的计算Ts1234热效率：热效率：41t321TTTT 411322111TTTTTT 112221111111kkTTTpTp 1133224411kkkkTppTTppT1t,C31TT 热效率表达式似乎与卡诺循环一样热效率表达式似乎与卡诺循环一样工程热力学气体动力循环勃雷登循环热效率的计算勃雷登循环热效率的计算Ts1234热效率：热效率：t12111k

15、kpp 定义：定义：压比压比21pp111kk tktPressure ratio工程热力学气体动力循环勃雷登循环净功的计算勃雷登循环净功的计算Ts1234定义：定义： 循环增温比循环增温比31TT324134211111pppwcTTcTTTTTc TTTT净1111kkkkpc T工程热力学气体动力循环对净功的影响对净功的影响Ts123431TT1111kkkkpwc T净34当当 不变不变不变不变w净但但T3 受材料耐热限制受材料耐热限制111tkk 工程热力学气体动力循环对净功的影响对净功的影响Ts31TT1111kkkkpwc T净当当 不变不变太大太大w净3T太小太小ttw净存在最

16、佳存在最佳 ，使，使 最大最大w净111tkk 1T工程热力学气体动力循环最佳增压比最佳增压比 （w净净）的求解）的求解Ts1111kkkkpwc T净令令opt3T2(1)opt()kkw净1T0w净最大循环净功最大循环净功211optpwc T工程热力学气体动力循环燃气轮机的实际循环燃气轮机的实际循环Ts1234压气机：压气机：不可逆不可逆绝热压缩绝热压缩燃气轮机：燃气轮机：不可逆不可逆绝热膨胀绝热膨胀2421c12hhhh定义：定义：压气机绝热效率压气机绝热效率燃气轮机相对内效率燃气轮机相对内效率34oi34hhhh工程热力学气体动力循环燃气轮机的实际循环的净功燃气轮机的实际循环的净功T

17、s123424314221oi34cwhhhhhhhh净净功净功吸热量吸热量2113312chhqhhhh21kkoptoicw 净工程热力学气体动力循环燃气轮机的实际循环的热效率燃气轮机的实际循环的热效率Ts1234241111111oikckkckwq净t热效率热效率工程热力学气体动力循环影响燃气机实际循环热效率的因素影响燃气机实际循环热效率的因素1111111oikckkckwq净toict一定，一定，t一定，有最佳一定，有最佳 optt optt右移右移工程热力学气体动力循环和和 的关系的关系 opttoptw净optw净地面上，尺寸次要，省燃料，取地面上，尺寸次要，省燃料，取 opt

18、t空中，尺寸重要，取空中，尺寸重要，取optw净提高提高t受材料耐热限制受材料耐热限制取最佳取最佳 optt有无其有无其它途径它途径工程热力学气体动力循环5-5 5-5 提高勃雷登循环热效率的其他途径提高勃雷登循环热效率的其他途径2若使若使T4T4 在在500oC以上以上134Ts4p不可能不可能如果如果T4T2预热空气，预热空气，回热回热一、一、回热回热Regeneration工程热力学气体动力循环勃雷登循环勃雷登循环回热示意图回热示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室回热器回热器4R2ARegenerator工程热力学气体动力循环回热在回热在Ts 图上的表示图上的表示213

19、4Ts4R2R2A理想回热：理想回热：实际回热实际回热:定义：定义：回热度回热度2222ARhhhh一般取一般取0.60.9tt1wq净回简2R 4R2AEffectiveness工程热力学气体动力循环 采用回热可提高循环热效率工程热力学气体动力循环工程热力学气体动力循环43123112.1)()(11TTTTTTCpTTCpqqabrt112TT43123112.1)()(11TTTTTTCpTTCpqqabpt111111.11）（TTTTrt13TT 114)1(TT1.1rt工程热力学气体动力循环压气机间冷压气机间冷intercooling的图示的图示1234燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧

20、室间冷器间冷器5压气机压气机62Intercooler工程热力学气体动力循环压气机间冷压气机间冷在在Ts图上的表示图上的表示2134Ts265ABt1wq净间12341和和62256联合工作联合工作tt间简ww间简ABt1A1Bwwqq净净间？结论：结论：工程热力学气体动力循环压气机间冷热效率的推导压气机间冷热效率的推导ABtA1AtB1Bt1A1B1A1B1A1BtAtB1A1B1A1Bwwqqqqqqqqqqqq净净间当当tAtBtAtBt间tAtBtAtBt间tAtBtAtBt间工程热力学气体动力循环间冷回热示意图间冷回热示意图134燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室间冷器间冷器5压气机压气机

21、62回热器回热器4R2RIntercoolerRegenerator工程热力学气体动力循环间冷回热在间冷回热在Ts图上的表示图上的表示2134Ts265tt1wq净间+回简4R2Rtt1wq净间+回回ttt间+回回简www间+回回简结论：结论：工程热力学气体动力循环再热再热reheating示意图示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室1燃烧室燃烧室235Reheater工程热力学气体动力循环再热在再热在Ts图上的表示图上的表示213Ts344tt再简ww再简5结论：结论：工程热力学气体动力循环再热回热示意图再热回热示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室2回热器回热器燃烧室燃烧室14R2R53Reheat-regenerative cycle工程热力学气体动力循环再热再热回热回热在在Ts图上的表示图上的表示213Ts344结论：结论：54R2R2t+t11qq 再 回回ww再+回回2qq2回再+回ttt再+回回简www再+回回简工程热力学气体动力循环再热再热+间冷间冷+回热示意图回热示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室2回热