工程热力学：ch10-11 气体动力循环

1、气体动力循环气体动力循环（第四版第十章）（第四版第十章）动力装置：动力装置：将热量通过能量的传递和转换，将热量通过能量的传递和转换，转变成人们所需要的功。转变成人们所需要的功。制冷装置制冷装置：将热量不断地从系统排向环境以将热量不断地从系统排向环境以使系统温度降到所要求的某一低于环境温度使系统温度降到所要求的某一低于环境温度的水平。的水平。热泵装置：热泵装置：将热量不断地传给系统使系统温将热量不断地传给系统使系统温度提高到所要求的某一高于环境温度的水平。度提高到所要求的某一高于环境温度的水平。分析以气体为工质的内燃机循环、燃气轮分析以气体为工质的内燃机循环、燃气轮机循环，以及以蒸气为工质的蒸汽

2、动力机循环，以及以蒸气为工质的蒸汽动力循环、制冷循环的热力性能；循环、制冷循环的热力性能；揭示能量利用的揭示能量利用的完善程度完善程度与影响其性能的与影响其性能的主要因素主要因素，给出评价和改进装置热力性，给出评价和改进装置热力性能的能的方法与措施方法与措施。1、将实际循环抽象和简化为理想循环将实际循环抽象和简化为理想循环 任何实际热力装置中的工作过程都任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的，且十分复杂。是不可逆的，且十分复杂。 为了进行热力分析，需要建立实际为了进行热力分析，需要建立实际循环相对应的热力学模型，即可理想的循环相对应的热力学模型，即可理想的可逆循环代替实际不可逆循环。可逆循环

3、代替实际不可逆循环。分析循环的方法与步骤分析循环的方法与步骤231211qqqwnett2122qqqwqnet2111qqqwqnet121TTt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. 第二定律分析第二定律分析法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失作功能力损失火用火用损失损失火用火用效率效率内部热效率内部热效率 i(internal thermal efficien

4、cy )不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比net,actTnetiTt11wwqq 其其中中nett1wq与实际循环相当的内可逆循环的热效率与实际循环相当的内可逆循环的热效率net,actTnetww相对内部效率相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失反映内部摩擦引起的损失 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将其看作纯粹的吸热和放热过程将其看作纯粹

5、的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燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计简介简介(internal combustion engine)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 ignition

6、 engine)简介简介(internal combustion engine)分类分类按燃料：煤气机按燃料：煤气机 汽油机汽油机 柴油机柴油机 按冲程：二冲程按冲程：二冲程 四冲程四冲程按点火方式：点燃式按点火方式：点燃式 压燃式压燃式有余隙有余隙活塞式内燃机循环特点活塞式内燃机循环特点循环过程的图示循环过程的图示活塞式内燃机循环特点活塞式内燃机循环特点冲程冲程活塞式内燃机循环过程活塞式内燃机循环过程简化简化01 吸气吸气12 压缩压缩23 喷油、燃烧喷油、燃烧34 燃烧燃烧45 膨胀作功膨胀作功50 排气排气简化简化：引用空气标准假设：引用空气标准假设燃烧燃烧2-3等容吸热等容吸热+3-4

7、定压吸热定压吸热排气排气5-1等容放热等容放热压缩、膨胀压缩、膨胀1-2及及4-5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、混合加热理想循环一、混合加热理想循环 （dual combustion cycle）Sabathe Cycle简化简化：引用空气标准假设：引用空气标准假设吸、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12 压缩压缩等熵等熵23 喷油、燃烧喷油、燃烧定容吸热定容吸热34 燃烧燃烧定压吸热定压吸热45 膨

8、胀膨胀等熵等熵51 定容放热定容放热（Sabathe Cycle）等熵压缩等熵压缩定容吸热定容吸热等熵膨胀等熵膨胀定压吸热定压吸热定定容容放放热热等熵压缩等熵压缩定容吸热定容吸热定压吸热定压吸热等熵膨胀等熵膨胀定容放热定容放热（Sabathe Cycle）混合加热理想循环的热效率混合加热理想循环的热效率net1212 33 425 1? ?wqqqqqqq nett1wq混合加热理想循环的热效率混合加热理想循环的热效率2 3322 332?0vvvvVqqquwwpdvqucTTqcTT 混合加热理想循环的热效率混合加热理想循环的热效率3 4434 343?0ppttpppqqqhwwvdpq

9、hcTTqcTT 25 151VqqcTT同理可得：混合加热理想循环的热效率混合加热理想循环的热效率net1212 33 4324325 151VpVwqqqqqcTTcTTqqcTTnett1wq混合加热理想循环的热效率混合加热理想循环的热效率nett1wqnet1 22 33 44 55 11 23 44 5wwwwwwwww11gg5213434141111RRppTpvvTpp或：或：定容定容过程过程定容定容过程过程512t1324311TTqqTTTT 热效率为：热效率为：512t1324311TTqqTTTT 、 、111211212vTTTv13321223pTTTp144313

10、34vTTTv551151pTTp以以 表示表示 ，则，则 ：t热效率为：热效率为：1 1225544p vp vp vp v；两式相除，并考虑到：两式相除，并考虑到：431523,ppvvvv5344412323pppvvppvpv5511pTTp51TT上式中，求上式中，求:15pp由于：由于：则：则：而：而：t11111 51t32431TTTTTT 分别将分别将T2、T3、T4和和T5代入下式：代入下式：可得内燃机混合理想循环的热效率：可得内燃机混合理想循环的热效率：)1()1(111 kkktm)a)c)btmtmtma.吸热前，压缩气体、提高平均吸热温度，可提高吸热前，压缩气体、提

11、高平均吸热温度，可提高热效率。热效率。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。)1()1(111 kkktmtp11111 t11111 12vv1压缩比压缩比(compression ratio)没有定容过程，故定容增压比没有定容过程，故定容增压比定压预胀比定压预胀比 (cutoff ratio)32vv参参p291讨论：讨论：t1111 tnetnet)tawbwc) 重负荷（重负荷（ ，q1 ）时）时 内部热效率下降，除内部热效率下降，除 外还有因温度上升而使外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降，造成热效率下

12、降1232vvpp压缩比压缩比定容增压比定容增压比没有边燃烧边没有边燃烧边定压膨胀过程定压膨胀过程231TTcqV111111111t 142TTcqV23141211TTTTqqt讨论：讨论：ta）net;tbw）不变，但c ) 重负荷时（重负荷时（q1 ） ，因因温度上升使温度上升使 ，使，使内部热内部热效率下降。效率下降。1232vvpp压缩比压缩比定容增压比定容增压比111 t讨论：讨论：ta）net;tbw）不变，但c ) 重负荷时（重负荷时（q1 ） ，因因温度上升使温度上升使 ，使，使内部热内部热效率下降。效率下降。111 t)(231TTcqV )(142TTcqV 111 k

13、tv 111 t 汽油机中，被汽油机中，被压缩的是燃料和空压缩的是燃料和空气混合物，受到混气混合物，受到混合气体自燃温度限合气体自燃温度限制，不能用大压缩制，不能用大压缩比，一般为比，一般为512，用于轻型动力设备，用于轻型动力设备，如汽车、摩托车、如汽车、摩托车、直升机等。直升机等。 柴油机中，被压缩的仅仅是空气，不会因柴油机中，被压缩的仅仅是空气，不会因提高压缩比而引起爆燃，可以用大压缩比，一提高压缩比而引起爆燃，可以用大压缩比，一般为般为1420，用于重型动力机械。，用于重型动力机械。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 111vmpqqq或或pmvTTT

14、222pmvqqq222tvtmtppmvTTT111二、循环二、循环pmax、Tmax相同时的比较相同时的比较 222pmvqqqvmpTTT222vmpqqq221t,t,t,pmvvmpTTT111或或9-5 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 轴流式燃气轮机轴流式燃气轮机小型燃气轮机主要部件小型燃气轮机主要部件大型燃气轮机外观大型燃气轮机外观构成构成 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

15、 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，但重量功率比仍较大。的绝大部分，但重量功率比仍较大。 (specific weight of engine)用途用途飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set) 等。等。（Brayton cycle ）二、定压加热理想循环二、定压加热理想循环（constant-pressure combustion cycle，Brayton

16、 cycle）1-2 等熵压缩（压气机内）等熵压缩（压气机内）2-3 定压吸热（燃烧室内）定压吸热（燃烧室内）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）21pp循环增压比循环增压比（pressure ratio）32TT 循环增温比循环增温比（temperature ratio）三、定压加热理想循环热效率分析三、定压加热理想循环热效率分析321323232tpmtpqhhcTTcTT1212113434ppTTppTT2314pppp2134TTTT212314TTTTTT*式中式中T1、T2并非指高温热源和并非指高温热

17、源和低温热源，而是状态低温热源，而是状态1、2温度温度141414241TTcTTchhqpttpm241t13211qTTqTT 循环增压比循环增压比32TT 循环增温比循环增温比21pp2.讨论讨论t)a1net)bqw一定1t21111TT ？t3T与 无关t不变循环增压比循环增压比32TT 循环增温比循环增温比21ppnetmax) cww一定， 取某值net12wqqnet0dw 1423TTTTcp111111Tcp21netnet,maxww循环增压比循环增压比32TT 循环增温比循环增温比21ppnet)dw 与 及 的关系1net11)11pc wc T由可见：可见： 1）对

18、于每一）对于每一，均有，均有， 其其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，所上升，所以提高以提高T3 能带动能带动wnet,max 及及t同时升高。同时升高。循环增压比循环增压比32TT 循环增温比循环增温比21pp96 96 燃气轮机装置定压加热燃气轮机装置定压加热实际实际循环循环 1-2 不可逆不可逆绝热压缩；绝热压缩； 2-3 定压吸热；定压吸热； 3-4 不可逆不可逆绝热膨胀；绝热膨胀； 4-1 定压放热。定压放热。一、定压加热的实际循环一、定压加热的实际循环 二、压气机绝热效率二、压气机绝热效率(adiabat

19、ic compressor efficiency) 和燃气轮机相对内效率和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)s21C,sC,sC21hhwwhhsC21C,s1whh s2121C,s1hhhhst,T34Tt,T34whhwhhst,TT34whh s43T34hhhh由于压气机绝热效率为由于压气机绝热效率为因此有因此有又：燃气又：燃气轮机相对轮机相对内效率为内效率为因此实际因此实际功与焓为功与焓为三、燃气轮机装置的内部热效率三、燃气轮机装置的内部热效率i (internal thermal efficiency)neti1wq 整理整理ssnet

20、t,TCT3421Cs1wwwhhhhs1323121Cs1qhhhhhh sssT1T3421CsCsiTCs31211CsCs11(, , , )1111hhhhfhhhh 如仅考虑上述两项损失如仅考虑上述两项损失则实际循环内部热效率：则实际循环内部热效率：讨论讨论：CsT)ia 除 、 外， 还与、有关i),b一定时，但有极值ic,)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。sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhhTCsiTCs0.85 0.920.85 0.90目前，循环增压比循环增压比32TT 循环增温

21、比循环增温比21pp一、回热一、回热（regeneration） 讨论讨论182731) 1TTcqTTcqpp回回22tt,1111qTqT 回回回回回2 2）极限回热）极限回热162531TTcqTTcqpp回回9-79-7* * 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3）回热度回热度(regenerator effectiveness) 64842527hhhhhhhh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）实际循环的回热实际循环的回热72725246hhhhhhhh 分级压缩，中间冷却分级压缩

22、，中间冷却 （multistage compression ， intervening cooling ）二、二、 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压气机耗功很大压气机耗功很大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：t111循环循环1567341：循环循环12341循环循环67256循环循环67256：tt1111 采用分级压缩，中间冷却后采用分级压缩，中间冷却后t ？+t 1567341t 12341,，回热基础上分级压缩中间冷却回热基础上分级压缩中间冷却net,1567341net,12341ww12341, 11567341, 1qqt

23、,1567341t,12341三、回热基础上分级膨胀，中间加热三、回热基础上分级膨胀，中间加热循环循环12389101= 循环循环127101- -循环循环37983若无回热若无回热t,12341t,127101若回热若回热 循环循环12389101与循环与循环12341 比较比较T1m上升，上升，T2m下降下降t,12389101t,12341t,2389101t,127101t,2389101t,12341四、四、回热基础回热基础上上 分级压缩，中间冷却；分级膨胀，中间加热分级压缩，中间冷却；分级膨胀，中间加热 当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数趋向无穷当分级压缩中间冷却；分级膨胀

24、中间再热，级数趋向无穷多时，定压加热理想循环多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环趋于概括性卡诺循环。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：net22111111LthwqTTqqTT 方法：方法： 在在T- -s图上叠加、拆分等；图上叠加、拆分等； 在在T- -s图上与同温限卡诺循环比较；图上与同温限卡诺循环比较； 利用利用t= f (x, y, z )的数学特性。的数学特性。例例A474299例例A47038998* 喷气发动机喷气发动机 定压燃烧喷气式发动机定压燃烧喷气式发动机(jet engine)的理论循环及实际循环与的理论循环及实际循环与燃气轮机装置定

25、压加热循环相同。燃气轮机装置定压加热循环相同。本本 章章 结结 束束kknettppTTTTTTTTTTTThhhhqqqw1122123214123142314121111)1()1(1111 kkt111 3.最佳增压比最佳增压比)1()1()()(1111213341311243 kkkkppCtnetTcTTTTTTTTTchhhhwww ,max22(1),max1,(1)netkkwnetpwc T燃气轮机相对内效率：燃气轮机相对内效率：TTTww实际膨胀作出的功理想膨胀作出的功 压气机绝热效率：压气机绝热效率：,cscscww )(1)(12,43hhhhwwwscTcTnet

26、)(112,13231hhhhhhqsc sckkscTkknetnetiqw,1,11111 蒸汽及蒸汽动力装置蒸汽及蒸汽动力装置(steam power plant)1）蒸汽是历史上最早广泛使用的工质，）蒸汽是历史上最早广泛使用的工质，19世世纪后期蒸汽动力装置的大量使用，促使生产力纪后期蒸汽动力装置的大量使用，促使生产力飞速发展，促使资本主义诞生。飞速发展，促使资本主义诞生。2）目前世界约）目前世界约75%电力、国内电力、国内78%电力来自电力来自火电厂，绝大部分来自蒸汽动力。火电厂，绝大部分来自蒸汽动力。3）蒸汽动力装置可利用各种燃料。）蒸汽动力装置可利用各种燃料。4）蒸汽是无污染、价

27、廉、易得的工质。）蒸汽是无污染、价廉、易得的工质。一、概述一、概述水蒸气卡诺循环有可能实现水蒸气卡诺循环有可能实现，但：，但： 1）温限小）温限小 2）膨胀末端）膨胀末端x太小太小 3）压缩两相物质的困难）压缩两相物质的困难实际并不实行实际并不实行 卡诺循环卡诺循环1. 水蒸气的卡诺循环及其改进水蒸气的卡诺循环及其改进2. 水蒸气朗肯循环水蒸气朗肯循环 1）流程图）流程图2）p-v，T-s及及h-s图图 322411hhqhhq 21hhwT 34hhwP 41342111211()(hhhhhhqwwqqqqwPTnett ） t,Pt,Tww若忽略水泵功，同时近似取若忽略水泵功，同时近似取

28、h4 h3，则，则1212t1312hhhhhhhh耗汽率耗汽率(steam rate)及耗汽量及耗汽量 理想耗汽率理想耗汽率(ideal steam rate) d0 装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量装置每输出单位功量所消耗的蒸汽量 0121dhhkg/J,kg/ kW h工程上用耗汽量耗汽量0000WDd PP功率,nett,Tww12,TT不变问题问题 1、x2下降造成液下降造成液态水含量增大态水含量增大 2、p太高造成强太高造成强度问题。度问题。t12TT不变 或或 循环循环1a2a3561a =循环循环123561+循环循环11a2a21tt(11 2 21)t(123561)aat

29、12,TT不变t问题问题1、受制于环境温度，、受制于环境温度，不能任意降低不能任意降低2、x2下降，液态水下降，液态水增多增多有摩阻的实际朗肯循环有摩阻的实际朗肯循环 忽略水泵功：忽略水泵功： 11322act2qhhqhh不变tT-s图及图及h-s图图设备流程及设备流程及T-s图图)()(56411hhhhq )()(2651hhhhwT ）564126511()()(hhhhhhhhqwTt 混合式混合式间壁式间壁式抽汽回热循环的两种回热方式抽汽回热循环的两种回热方式3. 循环热效率循环热效率 net1010121whhhh 101012nett11011hhhhwqhh 讨论：讨论： 1）抽汽回热）抽汽回热t 提高；提高； 2）抽汽级数越多，）抽汽级数越多，t 越越高高 ，级数趋向无穷，级数趋向无穷t =1net121011whhhh0111hhq 2221hhq222t1101111hhqqhh 10-4 热电联产热电联产（power-and-heating plant cycle）背压式背压式设备流程及设备流程及T- -s图图特点特点发电量受热负荷