第8章__热力循环

1、 第八章第八章 热力循环热力循环一、单级活塞式压气机的工作原理（理想工作过程）一、单级活塞式压气机的工作原理（理想工作过程）82 压气机循环压气机循环 单级活塞式压气机一个循环的工作过程可分为吸单级活塞式压气机一个循环的工作过程可分为吸气、压缩、排气三个阶段（设均为可逆过程）气、压缩、排气三个阶段（设均为可逆过程） 。二、二、压气机的压气机的耗功：耗功：吸气过程中气缸吸入压力为吸气过程中气缸吸入压力为 p1的气体，气体的质量的气体，气体的质量qm 和容积和容积V 不断增加，不断增加， 而气体的状态而气体的状态( p1 , v1 )不变，不变，相当于相当于气体定压膨胀，气体定压膨胀，该过程中系统

2、作正功该过程中系统作正功 p1V1；压缩过程中气体的量不变，而气体的压力不断增加，压缩过程中气体的量不变，而气体的压力不断增加，该过程中外界对系统作压缩功（负功）为：该过程中外界对系统作压缩功（负功）为：2121pdVpdvqWm 排气过程中气体的质量不断减少，气体的状态排气过程中气体的质量不断减少，气体的状态不变，相当于气体被定压压缩，因此不变，相当于气体被定压压缩，因此该过程系该过程系统作负功统作负功 p2V2。压气机所消耗的功为上述三项功的代数和。即压气机所消耗的功为上述三项功的代数和。即tmcWVppdvqVpW21221121vdpwc压缩压缩1kg气体，压气机耗功为气体，压气机耗功

3、为压气机耗功为负的技术功。压气机耗功为负的技术功。注意：压缩过程的耗功与压气机的耗功概念不同。注意：压缩过程的耗功与压气机的耗功概念不同。二、活塞式压气机二、活塞式压气机三种压缩过程的比较三种压缩过程的比较：1、等熵压缩；、等熵压缩；2、多变压缩；、多变压缩；3、等温压缩、等温压缩根据其工作条件不同，可能存在根据其工作条件不同，可能存在 3 种压缩过程：种压缩过程：压气机压气机简化物理模型为：简化物理模型为：稳流、可逆稳流、可逆见教材见教材P. 125，F. 8.6不同压缩过程初、终状态参数及耗功量可利用表不同压缩过程初、终状态参数及耗功量可利用表 3.2 中相应的公式进行计算。中相应的公式进

4、行计算。,c sc nc Twww222TnsTTT由由pv、Ts图知：图知：，定温压缩过程最理想（省功、安全、体积小）。应采定温压缩过程最理想（省功、安全、体积小）。应采用良好的冷却措施，使过程尽量接近于定温过程。用良好的冷却措施，使过程尽量接近于定温过程。 在在Ts图上，不同过程线以下的面积代表压缩过图上，不同过程线以下的面积代表压缩过程中单位质量工质的放热量：程中单位质量工质的放热量： 设压气机的质量流量为设压气机的质量流量为qm kgmin，其耗功率为：，其耗功率为：tmwqP601三、余隙容积三、余隙容积实际实际活塞式压气机活塞式压气机中，活塞顶面与气缸盖之间必须中，活塞顶面与气缸盖

5、之间必须留有的空隙留有的空隙余隙容积余隙容积Vc容积效率容积效率=实际吸气量实际吸气量/ 理论吸气量理论吸气量111123133141nheVppVVVVVVVVV在实际循环中，余隙容积使实际吸气量（产气量）减少，在实际循环中，余隙容积使实际吸气量（产气量）减少，气缸的有效利用率降低，用容积效率表示气缸的有效利用率降低，用容积效率表示气缸气缸容容积的利用程度。积的利用程度。结论：结论：1、压力比、压力比 p2 / p1和多变指数和多变指数n 一定时，余隙容积越一定时，余隙容积越大，容积效率越低；大，容积效率越低；2、余隙容积和多变指数、余隙容积和多变指数 n 一定时，压力比一定时，压力比 p2

6、 / p1越大，容积效率越低；压力比越大，容积效率越低；压力比 p2 / p1达到一定值达到一定值时，容积效率为零，产气量为零；时，容积效率为零，产气量为零；3、余隙容积对生产、余隙容积对生产1 kg压缩气体的理论耗功量没压缩气体的理论耗功量没有影响，但实际耗功量增加；而且压气机的无用有影响，但实际耗功量增加；而且压气机的无用体积增加，设计时应尽量减小余隙容积。体积增加，设计时应尽量减小余隙容积。注意：压气机的循环图用注意：压气机的循环图用 pV 图较方便。图较方便。三、多级压缩及级间冷却三、多级压缩及级间冷却（压比较高时采用）（压比较高时采用） 多级压缩是把气体的压缩过程分为多个阶段，分多级

7、压缩是把气体的压缩过程分为多个阶段，分别在多个气缸中依次压缩，每两个气缸之间有级别在多个气缸中依次压缩，每两个气缸之间有级间冷却器对气体进行冷却（两级或两级以上称为间冷却器对气体进行冷却（两级或两级以上称为多级）。多级）。采用多级压缩及级间冷却的优点：采用多级压缩及级间冷却的优点：压气机耗功减少（在总压比一定的条件下，级压气机耗功减少（在总压比一定的条件下，级数越多，级间冷却越充分，功耗越少；理论上，数越多，级间冷却越充分，功耗越少；理论上，级数级数，过程，过程等温过程）等温过程）排气温度低（热负荷小，有利于润滑）排气温度低（热负荷小，有利于润滑）容积效率高（每级压比较小）容积效率高（每级压比

8、较小）缺点：缺点：结构复杂，造价高，运行可靠性降低（分级结构复杂，造价高，运行可靠性降低（分级不宜太多）不宜太多）最佳级间压力和压力比确定原则：功耗最小原则最佳级间压力和压力比确定原则：功耗最小原则以两级压缩为例，可推得以两级压缩为例，可推得最佳级间压力为：最佳级间压力为：312ppp最佳压力比为：最佳压力比为：13pp级压缩、级间冷却相同时，级压缩、级间冷却相同时，每级压力比相同每级压力比相同。即。即：最佳压力比为：最佳压力比为：Zppz11选择最佳压力比的其它好处：选择最佳压力比的其它好处：各级压缩功耗相同各级压缩功耗相同(动力具有通用性和互换性动力具有通用性和互换性)各级气缸排温相同各级

9、气缸排温相同 各级间冷却热负荷相同各级间冷却热负荷相同内燃机内燃机燃料在产生动力的空间燃料在产生动力的空间(气缸气缸)中燃烧的中燃烧的 动力机械动力机械一、内燃机的分类一、内燃机的分类: 按活塞运动特征分按活塞运动特征分: 往复活塞式、旋转活塞式、摆盘式等往复活塞式、旋转活塞式、摆盘式等 按燃料分：按燃料分： 柴油机柴油机压燃式（柴油自燃温度压燃式（柴油自燃温度335附近）附近） 汽油机汽油机点燃式（汽油点燃式（汽油自燃温度自燃温度415 530 ） 煤气机煤气机点燃式（现很少用）点燃式（现很少用）83 活塞式内燃机循环活塞式内燃机循环 按单循环冲程数分：按单循环冲程数分： 二冲程、四冲程二冲

10、程、四冲程 按进气压力分：按进气压力分： 增压、非增压增压、非增压 按气缸布置分：按气缸布置分： 立式、卧式、立式、卧式、V型、型、H型、星型、星(X)型等型等二、活塞式内燃机实际循环和理想循环二、活塞式内燃机实际循环和理想循环01：吸气过程：吸气过程(缸内压力稍低于大气压缸内压力稍低于大气压)1. 实际循环工作过程（以四冲程混合加热循环柴油实际循环工作过程（以四冲程混合加热循环柴油机为例）机为例）12：多变压缩过程：多变压缩过程（中速：（中速：n1.341.37；高速：；高速： n = 1.371.41）234：喷油燃烧过程：喷油燃烧过程其中其中 2 2喷油喷油, , 2 3 接近定容，接近

11、定容，34 接近定压接近定压455：多变多变膨胀过程膨胀过程（中速：（中速：n1.251.30；高速：；高速：n 1.181.27）500：排气过程：排气过程其中其中 511为自由排气过程，接近定容过程；为自由排气过程，接近定容过程；100：强制排气过程：强制排气过程( (接近定压接近定压) )实际循环为开式的不可逆循环实际循环为开式的不可逆循环, 进排气过程耗功。进排气过程耗功。简化方法简化方法: :1）取作闭口系（不考虑进排气过程）；）取作闭口系（不考虑进排气过程）；2）以空气代替燃气（理想气体、定比热）；）以空气代替燃气（理想气体、定比热）；3）用可逆加热代替燃烧，可逆放热代替排气）用可

12、逆加热代替燃烧，可逆放热代替排气 （无化学变化）（无化学变化） ；4）压缩、膨胀过程为可逆绝热）压缩、膨胀过程为可逆绝热(定熵定熵)过程过程. 通过以上简化措施，从开式的实际循环图通过以上简化措施，从开式的实际循环图得到闭式的理想循环图得到闭式的理想循环图(空气标准循环空气标准循环)。2. 活塞式内燃机的理想循环图活塞式内燃机的理想循环图 混合加热（柴油机）混合加热（柴油机） 定容加热（汽油机、定容加热（汽油机、煤气机）煤气机）Otto Cycle 定压加热（早期柴油机、高定压加热（早期柴油机、高增压、船用高速柴油机）增压、船用高速柴油机）Diesel Cycle 活塞式内燃机的理想循环图活塞

13、式内燃机的理想循环图3. 循环特性参数循环特性参数 混合混合 定容定容 定压定压压缩比压缩比=V1 /V2 14-20 5-12 14-20定容升压比定容升压比=p3 /p2 1.3-2.2 2.?-3.? - 定压预胀比定压预胀比= V4 /V3 1.1-1.7 - 1.1-1.7注意注意: 大的大的值对应小的值对应小的值值功、热：功、热：2100qqqw三、三、 循环的功、热和热效率循环的功、热和热效率12101qqqwt为分析热效率与循环特性参数之间的关系，推出了为分析热效率与循环特性参数之间的关系，推出了以下关系式：以下关系式：热效率热效率:分析知，对任意循环，有：分析知，对任意循环，

14、有：tt,一、一、 燃气轮机装置的定压加热理想循环燃气轮机装置的定压加热理想循环1. 基本组成：基本组成： 压气机、燃烧室、燃气轮机。压气机、燃烧室、燃气轮机。下面是装置示意图。下面是装置示意图。84 4 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环3. 理想循环理想循环工作过程工作过程 12：定熵压缩：定熵压缩 23：定压加热（燃烧室）：定压加热（燃烧室） 34：定熵定熵膨胀膨胀45：定压放热（在大气中）：定压放热（在大气中） 理想循环理想循环简化条件：简化条件： 变开式循环为闭式循环；变开式循环为闭式循环； 工质为空气，且质量、成分不变（工质为空气，且质量、成分不变（无化学变化）无化学变化）； 压缩、

15、膨胀为定熵过程；压缩、膨胀为定熵过程； 吸、放热为可逆定压过程。吸、放热为可逆定压过程。4. 理想循环图理想循环图 特性参数：特性参数：minmax13TTTTminmax12pppp增压比：增压比：增温比：增温比：5. 理想循环的功、热及热效率理想循环的功、热及热效率由由讨论：讨论： 随增压比随增压比t,一般取一般取=310，的提高受材料的提高受材料性能的限制。性能的限制。t 与与无关。无关。 但但 ，循环净功，循环净功 w0 并非单调增加，而是存在一个并非单调增加，而是存在一个最佳最佳opt ，使，使 w0 为最大。为最大。将将w0 计算式对计算式对求导并令其等于零，可求得求导并令其等于零

16、，可求得opt ，将，将opt代入代入w0 计算式，得到最大计算式，得到最大 w0 。)1(213TTopt燃气轮机实际循环不要求燃气轮机实际循环不要求 （自学）（自学）2131max, 01TTTcwp一、压缩蒸气制冷循环的组成及工作原理一、压缩蒸气制冷循环的组成及工作原理1. 理想循环理想循环特点：在湿蒸气区进行，为逆向卡诺循环。特点：在湿蒸气区进行，为逆向卡诺循环。8 85 5 压缩蒸气制冷循环压缩蒸气制冷循环组成及组成及T s图：图：2. 理论循环理论循环（对理想循环的改进）（对理想循环的改进） 压缩机中液滴的存在，对气缸造成液击。因此压缩机中液滴的存在，对气缸造成液击。因此用用干压缩

17、代替湿压缩干压缩代替湿压缩； 膨胀机所做膨胀功很小，且结构复杂，不易调节。膨胀机所做膨胀功很小，且结构复杂，不易调节。因此因此用节流阀代替膨胀机用节流阀代替膨胀机，制冷量虽有所减小，但，制冷量虽有所减小，但结构简单，便于调节。结构简单，便于调节。3. 工作原理：工作原理：12：从蒸发器出来的干饱和蒸气在压缩机中定熵：从蒸发器出来的干饱和蒸气在压缩机中定熵压缩为过热蒸气；压缩为过热蒸气；23：过热蒸气在冷凝器中定压冷却为饱和液体；：过热蒸气在冷凝器中定压冷却为饱和液体；34：饱和液体经节流阀绝热节流（不可逆），节：饱和液体经节流阀绝热节流（不可逆），节流后的工质流后的工质 p、T ；41：制冷剂液体在蒸发器中定压吸热气化为干饱：制冷剂液体在蒸发器中定压吸热气化为干饱和蒸气。和蒸气。从而达到从低温吸热、向高温放热的目的。从而达到从低温吸热、向高温放热的目的。二、制冷量、耗功量及制冷系数（均与焓有关）二、制冷量、耗功量及制冷系数（均与焓有关）1. 单位制冷剂制冷量单位制冷剂制冷量 q2 在在 Ts 图上：图上： 面积面积14561； 在在 lg ph 图上：图上： 线段线段 h1h4。72. 耗功量耗功量w0