工程热力学第9章

1、1 “既生瑜何生亮既生瑜何生亮”第第9章开篇章开篇汽油机柴油机能共生、发展吗？汽油机柴油机能共生、发展吗？第九章第九章 气体动力循环气体动力循环 gas power cycles 燃气轮机动力装置的压燃气轮机动力装置的压气机消耗了气轮机产生功气机消耗了气轮机产生功的大部分（的大部分（60%以上），以上），压气机分级压缩中间冷却压气机分级压缩中间冷却可减少耗功，燃气轮机装可减少耗功，燃气轮机装置采用分级压缩中间冷却置采用分级压缩中间冷却可以提高循环热效率！可以提高循环热效率！本章学习目标本章学习目标第9章 列举标准空气假设主要内容列举标准空气假设主要内容及在及在活塞式内燃机活塞式内燃机和和燃气轮

2、机动燃气轮机动力装置力装置简化过程中应用；简化过程中应用； 描述描述活塞式内燃机活塞式内燃机各种各种理想加热循环及各特性参数，画出循理想加热循环及各特性参数，画出循环的环的 图和图和 图，并进行循环及热效率计算图，并进行循环及热效率计算；pvTsTs 描述燃气轮机装置定压加热理想循环构成，计算热效率及描述燃气轮机装置定压加热理想循环构成，计算热效率及利用利用 图进行循环分析；图进行循环分析； 计算燃气轮机装置实际循环热效率，说明气轮机的相对内计算燃气轮机装置实际循环热效率，说明气轮机的相对内效率，回热和回热度等概念并分析计算回热基础上分级压缩和效率，回热和回热度等概念并分析计算回热基础上分级压

3、缩和级间冷却循环的参数；级间冷却循环的参数；教学参考资料：教学参考资料：工程热力学工程热力学(第五版第五版)比较各理想循环并归纳提高气体循环热效率的热力学措施。比较各理想循环并归纳提高气体循环热效率的热力学措施。 4本章教学内容本章教学内容9-1 分析热力循环的一般方法分析热力循环的一般方法9-2 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9-3 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环9-4 活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较9-5 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环9-7 提高燃气轮机装置循环热效率的热力学措施提高燃气轮机装置循环热效率的热

4、力学措施9-8 喷气发动机及其他气体动力循环简介喷气发动机及其他气体动力循环简介9-6 燃气轮机装置定压加热的实际循环燃气轮机装置定压加热的实际循环591 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法一、分析动力循环的目的和一般步骤一、分析动力循环的目的和一般步骤 目的目的在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化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。的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。 1. 实际循环（复杂不可逆）实际循环（复杂不可逆）抽象、简化抽象、简化可逆理论循环可逆理论循环分析可逆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影响经济性的主要

5、因素和可能改进途径实际循环实际循环指导改善指导改善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、原因及改进办法部位、大小、原因及改进办法( (主要由专业课承担主要由专业课承担) )步骤：步骤：6二、分析动力循环的方法二、分析动力循环的方法1. 第一定律分析法第一定律分析法以第一定律为基础，以能以第一定律为基础，以能量的数量守恒为立足点。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综合第一定律和第二定律从能量的数量和质量分析。从能量的数量和质量分析。熵分析法熵分析法分析法分析法熵产熵产作功能力损

6、失作功能力损失损损效率效率792 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、活塞式一、活塞式内燃机内燃机(internal combustion engine)简介简介1分类分类按燃料：煤气机按燃料：煤气机(gas engine) 汽油机汽油机(gasoline engine; petrol engine) 柴油机柴油机(diesel engine) 按冲程：二冲程按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程四冲程(four-stroke )按点火方式：点燃式按点火方式：点燃式(spark ignition engine) 压燃式压燃式(compression ignitio

7、n engine)8 开式循环开式循环(open cycle)； 燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆不可逆； 各环节中工质各环节中工质质量、成分稍有变化质量、成分稍有变化。 2 活塞式内燃机循环特点活塞式内燃机循环特点9netMEPhWpV3. 平均有效压力平均有效压力(mean effective pressure)101. 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气体动力循环中工作流体理想气体理想气体空气空气定比热定比热燃烧和排气过程燃烧和排气过程吸热和放热过程吸热和放热过程燃料燃烧造成各部

8、分气体成分及质量改变忽略不计燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计二、活塞式内燃机循环的简化二、活塞式内燃机循环的简化2. 活塞式内燃机循环简化活塞式内燃机循环简化以汽油机为例以汽油机为例1112opVVhVc0345.01 吸气吸气12 压缩压缩23 喷油、定容燃烧喷油、定容燃烧34 定压燃烧定压燃烧45 膨胀作功膨胀作功50 排气排气.93 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环一、混合加热内燃机工作原理一、混合加热内燃机工作原理12简化简化：引用空气标准假设：引用空气标准假设12opVVhVc0.34.5.燃烧燃烧2-3等容吸热等容吸热排气排气5-1等容放热等容放热膨胀膨胀4

9、-5等熵过程等熵过程吸、排气线吸、排气线重合、忽略重合、忽略燃油质量燃油质量忽略忽略燃气成分改变燃气成分改变忽略忽略压缩压缩1-2等熵过程等熵过程燃烧燃烧3-4定压吸热定压吸热.以空气为工质的定比热容内可逆闭式循环以空气为工质的定比热容内可逆闭式循环.O pv.12345.O .12345.1. 混合加热理想循环的混合加热理想循环的 p-v图及图及T-s图图12 等熵压缩；等熵压缩；23 等容吸热；等容吸热；34 定压吸热；定压吸热；45 等熵膨胀；等熵膨胀；51 定容放热定容放热特性参数特性参数：12vv32pp43vv压缩比压缩比(compression ratio)定容增压比定容增压比(

10、pressure ratio)定压预胀比定压预胀比(cutoff ratio)Ts二、混合加热理想循环（二、混合加热理想循环（dual combustion cycle）.142. 循环热效率循环热效率nett1wqnet1 22 33 44 55 1wwwwww或或netnet12wqqq11gg5213434141111RRppTpvvTpp342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV1 23 44 5www015512t1324311TTqqTTTT 、 、111211212vTTTv332223pTTp443334vTTv551151pTTp利用利用表示表示t15pp

11、11T32pp11T161 1225544p vp vp vp v；两式相除两式相除15vv544122ppvppvt11111 5511pTTp51TT51t32431TTTTTT T2、T3、T4和和T5代入代入5 5441 122p vp vp vp v4323ppvv3423pvpv17讨论讨论：)a) c归纳归纳： （1）吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。 （2）利用利用T - - s图分析循环较方便。图分析循环较方便。 （3）同时

12、考虑同时考虑 q1和和 q2 或平均或平均T1m 和和T2m。)bttt. 15234.423.4”.3”.Tm1Tm2不变不变Tm1Tm2不变不变Tm1Tm2不变不变.18.O pv.1234O 1234.特性参数特性参数：12vv32vvTs.三、定压加热理想循环三、定压加热理想循环(Diesel cycle).2t11qq 41t321TTTT t11111 142TTcqV231TTcqpt11111 19O 1234.Ts.233”4”q1 - - q1讨论讨论：)a)btnetwtnetwq2不变，不变，q1增大增大c) 重负荷（重负荷（ ，q1 ）时内部热效率下降，除）时内部热效

13、率下降，除 外还有因外还有因温度上升而使温度上升而使 ，造成热效率下降。，造成热效率下降。20四、定容加热理想循环四、定容加热理想循环 (Otto cycle)2321ppvv21231TTcqVt111111111 142TTcqV241t13211qTTqTT 2321ppvv22O 1234.Ts.233”4”q1 - - q1.讨论：讨论：)a)bc ) 重负荷（重负荷（q1 ）时内部热效率下降，）时内部热效率下降，因温度上升使因温度上升使 ，造成热效率下降，造成热效率下降tt不变不变netw23O 12345.Ts.3v4v4p3pq2mq2vq2p94 活塞式内燃机各种理想循环的热

14、力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较一、压缩比相同，吸热量相同时的比较一、压缩比相同，吸热量相同时的比较 11m1vpqqq22m2vpqqqttmtvp或或22m2pvTTT11m1pvTTT24O 1245.Ts.3.q222”Tmaxpmax二、循环二、循环 pmax、Tmax 相同时的比较相同时的比较 22m2pvqqq或或22m2pvTTT12m2pvqqqt,t,mt,pv11m1pvTTT例例A470299例例A447277259- -5 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环一、燃气轮机一、燃气轮机(gas turbine)装置简介装置简介 小型燃气轮机小型燃气轮机26272

15、8主要构成主要构成 压气机压气机(compressor)燃气轮机燃气轮机(gas turbine)燃烧室燃烧室(combustion chamber)29特点：特点： 1. 开式循环开式循环(open cycle)， 工质流动；工质流动； 2. 运转平稳，连续输出功；运转平稳，连续输出功； 3.启动快，达满负荷快；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，但压气机消耗了燃气轮机产生功率的绝大部分，但 功率重量比功率重量比(specific weight of engine)仍较大。仍较大。用途用途 飞机、舰船动力载荷机组，电站峰荷机组飞机、舰船动力载荷机组，电站峰荷机

16、组(peak-load set) 等。等。30运用空气标准假设简化运用空气标准假设简化闭式定压加热循环闭式定压加热循环 燃烧燃烧等压吸热；排气等压吸热；排气定压放热定压放热 燃油质量燃油质量忽略忽略 燃气成分改变燃气成分改变忽略忽略 压缩、膨胀压缩、膨胀等熵过程等熵过程 工质工质空气，理想气体状态，定比热容空气，理想气体状态，定比热容234二、定压加热理想循环二、定压加热理想循环（constant-pressure combustion cycle, Brayton cycle）1-2 等熵压缩（压气机内）等熵压缩（压气机内）21pp循环增压比循环增压比（pressure

17、ratio）2-3 定压吸热（燃烧室内）定压吸热（燃烧室内）31TT 循环增温比循环增温比（temperature ratio）3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）等熵膨胀（燃气轮机内）4-1 定压放热（排气，假想换热器）定压放热（排气，假想换热器）.32三、定压加热理想循环分析三、定压加热理想循环分析1. 热效率热效率t132qhh1212113434ppTTppTT2314pppp2134TTTT212314TTTTTT1t21111TT 注意注意：式中式中T1、T2并非指高温并非指高温 热源，低温热源。热源，低温热源。412414141tptpqhhcTTcTT2t11qq 3232tptcT

18、T32pcTT41321TTTT 332. 分析分析 t)a1q 1t21111TT tt3T与循环最高温度与循环最高温度 无关无关c）一定一定netw考察：循环考察：循环12341 =循环循环12341循环循环43344+ +布雷顿循环布雷顿循环 = p2 / p1布雷顿循环布雷顿循环 = p2 / p11t11循环循环12341热效率等于循环热效率等于循环12341b）t不变不变 34net12wqqnet0dw 1423TTTTcp21netnet,maxwwd）一定，一定，取不同值取不同值netmaxww111111Tcp3511111pc T 1）对于每一）对于每一，均有，均有，其其

19、wwnet,max 2）上升，即上升，即T3上升，使取得上升，使取得wnet,max 的的 上升，上升，t上升，所以上升，所以提高提高T3 能带动能带动wnet,max 及及t同时升高。同时升高。e） 与与及及的关系的关系netw11net1111pwc T Aennahha1234.4s2s. 1-2 不可逆绝热压缩；不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热；定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀；不可逆绝热膨胀； 4-1 定压放热。定压放热。一、一、 燃气轮机装置定压加热的实际循环简化燃气轮机装置定压加热的实际循环简化 9- -6 燃气轮机装置定压加热的实际循环燃气轮机装置定压加热的实际循环37二、

20、二、 压气机绝热效率压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency)和和 燃气轮机相对内效率燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)s21C,sC,sC21hhwwhhsC21C,s1whh s2121C,s1hhhhst,T34Tt,T34whhwhhst,TT34whh s43T34hhhh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38三、三、 内部热效率内部热效率 i (internal thermal efficiency)neti1wq代入并代入并 整理整理ssnett,TCT3421Cs1w

21、wwhhhhs1323121Cs1qhhhhhh sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhh39讨论讨论：i，i，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（wnet，i）的方向。）的方向。sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhh1）一定一定2） 但有极值。但有极值。（1） 与与、有关：有关：iTCsiTCs0.85 0.920.85 0.90，（2）除除、外，外， 还与还与 、 有关有关目前目前iTCs4097 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施提高燃气轮机装置热效率的热力学措施一、回热一、回热（regener

22、ation） 讨论讨论1372811)ppqcTTqcTTrr22t,t1111qTqT rrrrr1rq2qr2Tr1Tr1T2T1rqrqrq412）极限回热）极限回热135261ppqcTTqcTTrr12TsO.34.7.Tm1Tm2Tm1Tm23）回热度回热度(regenerator effectiveness) 实际回热利用的热量实际回热利用的热量理论上极限可利用的热量理论上极限可利用的热量72hh8.54846hhhh52hh.6.424）实际循环的回热实际循环的回热72725246hhhhhhhh 12TsO343T3.4.2.注意：注意：达一定值，回热不能进行。达一定值，回热

23、不能进行。43二、二、 分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却 （multistage compression ， intervening cooling ）压气机耗功大压气机耗功大,气体温升高气体温升高分级压缩可降低压气机耗功分级压缩可降低压气机耗功循环循环12341：1t1111t循环循环67256: 压比为压比为1布雷顿循环布雷顿循环1t11 t1567341t12341tt 12.567循环循环1567341：1. 循环循环12341循环循环67256tt 采用分级压缩，中间冷却后采用分级压缩，中间冷却后t +.tt45循环循环86723418与循环与

24、循环12341同为循环增压比同为循环增压比的布雷顿循环的布雷顿循环循环循环15672341 = 循环循环86723418循环循环86518-,86723418net,15672341ww1t,86723418t,123411 .5.67.1,867234181,15672341qqt,86723418t,15672341比较循环比较循环86723418与循环与循环15672341热效率热效率bbaa. 分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却回热基础上回热基础上回热回热 回热后循环回热后循环1567341与循环与循环1234147 回热后循环回热后循环1567341与循环与循环12341比较比较net,1567341net,12341ww12341, 11567341, 1qqt,1567341t,12341回热基础上分级压缩回热基础上分级压缩中间冷却流程示意图中间冷却流程示意图net2t111wqqq 三、三、 分级膨胀，中间加热分级膨胀，中间加热48.Tm1Tm2Tm1Tm212347890. .循环循环1238901= 循环循环12701- -循环循环37983