第6章_气体动力循环

1、第第6 6章章 气体动力循环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 engineexternal combustion engine气体动力循环分类气体动力

2、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，移动电站联合循环的顶循环联合循环的顶循环piston engineGas turbine cycle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航空航空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

3、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，最后进行修正修正。6-2 6-2 活塞式内燃机混合加热循环活塞式内燃机混合加热循环一、四冲程高速柴油机一、四冲程高速柴油机（混合加热循环）（

4、混合加热循环）high-speed diesel engin四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作原理空气空气废气废气吸气吸气压缩压缩膨胀膨胀排气排气IntakeCompressionExpansionExhaustExhaust gasAirIntake valveExhaust valveFuel油油四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程上止点上止点Top dead center下止点下止点Bottom dead center四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程bdab 吸空气吸空气pV一般一般n=1.341.37柴油自燃柴油自燃t=335p0cabc 多变压缩多变压缩

5、p2=35MPat2=600800c 喷柴油喷柴油 开始燃烧开始燃烧cd迅速燃烧，近似迅速燃烧，近似 Vp59MPaAutoiginition四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程bdefde边喷油，边膨胀边喷油，边膨胀pVp0gcatd可达可达17001800停止喷柴油停止喷柴油ef 多变膨胀多变膨胀V近似近似 膨胀膨胀pp5=0.30.5MPat5 500fg开阀排气，开阀排气， 降压降压ga 活塞推排气活塞推排气,完成循环完成循环四冲程高速柴油机的理想化四冲程高速柴油机的理想化bcdef1. 工质工质pVp0ga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-

6、v图图2. a-b和和g -a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(Sabathe)理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算12345Ts吸热量吸热量1v32p43qcTTcTT放热量放热量(取绝对值）取绝对值）2v51qcTT热效率热效率12t11wqqqq5121324311TTqqTTk TT 定义几个指

7、标性参数定义几个指标性参数12345pv压缩比压缩比12vv定容压升比定容压升比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理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算12345Ts热效率热效率51t32431TTTTk TT 1112112kkvTTTv12vv133212kpTTTp 32pp144313kvTTTv 43vv理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算12345Ts热效率热效率51t32431TTTTk TT 154541151kkpvTTTTvp t11111kkk 各因素对混合加

8、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定容加热循环（奥图定容加热循环（奥图OTTO循环循环)

9、)12341234pvTs定容加热循环的计算定容加热循环的计算1234Ts吸热量吸热量1v32qcTT放热量放热量(取绝对值）取绝对值）2v41qcTT热效率热效率12241t1113211wqqqTTqqqTT 定容加热循环的计算定容加热循环的计算1234Ts热效率热效率41t321TTTT 411322111TTTTTT 1321124kTTvTvT11212111kTTvv 111k 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1

10、421柴油机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定压加热循环（狄塞尔定压加热循环（狄塞尔Diesel循环循环) )1234pv1234Ts定压加热循环的计算定压加热循环的计算1234Ts吸热量吸热量1p32qcTT放热量放热量(取绝对值）取绝对值）2v41qcTT热效率热效率122t1111wqqqqqq 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已被淘汰已被淘汰6-2 6-2 活塞式内燃机循环比较活塞式内燃机循

11、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，定压加热和和 相同相同Ts2t11qq tvtmtp2v2m2pqqq平均温度法平均温度法1q3m4m123v4v3p4p和和 相同相同Ts211tqq 1p1m1vqqq2q相等相等maxpmaxT12v342mtptmtv2p和和 相同相同3p4mTs211tq

12、q 2p2m2vqqq1qmaxp2ptptmtv3m12v4v3v4p2m？ 和和 相同，图示相同，图示 大小大小maxT1qtptmtv,6-3 6-3 斯特林（斯特林（Stirling) )循环循环1816年提出，近几十年才实施年提出，近几十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6-4 6-4 勃雷登循环勃雷登循环（Brayton Cycle）用途：用途： 航空发动机航空发

13、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 联合循环的顶循环联合循环的顶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 chamberCompressorTurbinepvTs12341234T-s and P-v diagrams for the ideal Brayton Cycle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：2p41

14、qcTT热效率：热效率：12241t1113211wqqqTTqqqTT 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：t12111kkpp 定义：定义：增压比增压比21pp111kk tktPressure ratio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：

15、 循环增温比循环增温比31TT324134211111pppwcTTcTTTTTc TTTT净1111kkkkpc T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 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净存在最佳存在最佳 ，使，使 最大最大w净111tkk 1T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211o

16、ptpwc T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燃气轮机的实际循环的净功燃气轮机的实际循环的净功Ts123424314221oi34cwhhhhhhhh净净功净功吸热量吸热量2113312chhqhhhh21kkoptoicw 净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热效率热效率影响燃气机实际循环热效率的因

17、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 optt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6-5 6-5 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Rege

18、neration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回热在回热在Ts 图上的表示图上的表示2134Ts4R2R2A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室间冷器间冷器5压气机压气机62Intercooler压气机间冷在压气机间冷在Ts图上的表示图上的表示2134Ts265ABt1wq净间12

19、341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：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62回热器回热器4R2RIntercoolerRegenerator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

20、回简结论：结论：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：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回热器回热器间冷器间冷器燃烧室燃烧室12R4R结论：结论：再热再热+间冷间冷+回热回热在在Ts图上的表示图上的表示3Ts214tt+1wq净再+间+回再 回tttt再+间回再+回回简wwww再+间回再+回回简+ww再+间+回再 回2R4R无穷