工程热力学第9章

1、1第九章第九章 气体动力循环气体动力循环 Gas power cycles9-1 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法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 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较9-6 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环9-7 燃气轮机装置定压加热实际循环燃气轮机装置定压加热实际循环*9-8 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*9-9 喷气发动机简介喷气发动机简介*9-5 活塞式热力发动机及其循环活塞式热力发动机及其循环2

2、讲授：讲授：第九章第九章 气体动力循环气体动力循环 Gas power cycles9-1 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法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 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较391 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一、分析动力循环的目的: 在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的经济性经济性，寻求寻求提高经济性提高经济性的方向及途径。的方向及途径。二、分析动力循环的

3、一般步骤二、分析动力循环的一般步骤: 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影响经济性的主要经济性的主要因素因素和可能和可能改进途径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。损失的部位、大小、原因及改进办法。4三、分析动力循环的方法三、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，以能量的量的数量守恒数量守恒为为立足点立足点。2. 第二定律分析

4、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从能量的数量和质量分析能量的数量和质量分析。熵分析法熵分析法火 用火 用 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 损损火 用火 用 效率效率5四、内部热效率四、内部热效率 i(Internal thermal efficiency )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 其中其中nett1wq 与实际循环相当的与实际循环相当的内可逆循环内可逆循环的热效率。的热效率。net,actTnetww相对内部效率相对内部效率(Internal E

5、ngine Efficiency) 反映内部摩擦引起的损失。反映内部摩擦引起的损失。五、空气标准假设五、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692 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(ga

6、s 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 engine)7 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。活塞式内燃机循环特

7、点活塞式内燃机循环特点8二、活塞式内燃机循环的简化二、活塞式内燃机循环的简化点火点火排气冲程排气冲程膨胀冲程膨胀冲程点火燃烧冲程点火燃烧冲程9三、平均有效压力三、平均有效压力(mean effective pressure)hnetVWMEP冲程活塞面积循环净功活塞排量循环净功MEPMEP 活塞式内燃机的压缩、膨胀过程中压力是变化的，由于假定理想循环经历一系列内部可逆过程，引进平均有效压力。10理论循环中按燃烧过程不同：理论循环中按燃烧过程不同：定压加热循环定压加热循环定容加热循环定容加热循环混合加热循环混合加热循环 93 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环11点燃式点燃式汽油机定容

8、加热汽油机定容加热循环图循环图 定容，定压，混合定容，定压，混合高速柴油机的混合加热循环高速柴油机的混合加热循环 进入工质：进入工质：油油/ /气混合物气混合物进入工质：进入工质：纯空气纯空气0-10-1：进气冲程：进气冲程：节流，节流，p p小于小于p p0 0. .1-21-2：压缩冲程：压缩冲程：可逆绝热压缩。可逆绝热压缩。2-32-3：定容燃烧过程定容燃烧过程3-43-4：工作冲程：工作冲程：绝热膨胀过程绝热膨胀过程4-04-0：排气冲程。：排气冲程。0-10-1：进气冲程：进气冲程：节流，节流，p p小于小于p p0 0. .1-21-2：压缩冲程：压缩冲程：可逆绝热压缩。可逆绝热压

9、缩。22点开始喷油，点开始喷油，2 2点达到柴油自点达到柴油自燃温度。燃温度。压燃式压燃式柴油机定压加热柴油机定压加热循环图循环图 22-32-3：定压燃烧过程定压燃烧过程3-43-4：工作冲程：工作冲程：绝热膨胀过程绝热膨胀过程4-04-0：排气冲程。：排气冲程。进入工质：进入工质：纯空气纯空气增压高速，早期低速柴油机。增压高速，早期低速柴油机。整个整个过程接近定压过程接近定压燃烧过程。燃烧过程。3-43-4：定压加热过程定压加热过程4-54-5：工作冲程：工作冲程：绝热膨胀过程绝热膨胀过程5-15-1：定容放热。：定容放热。2-32-3：定容加热过程定容加热过程22点开始喷油，点开始喷油，

10、2 2点柴油自燃点柴油自燃12点燃式点燃式汽油机定容加热汽油机定容加热循环图循环图 定容，定压，混合定容，定压，混合高速柴油机的混合加热循环高速柴油机的混合加热循环 进入工质：进入工质：油油/ /气混合物气混合物进入工质：进入工质：纯空气纯空气0-10-1：进气冲程：进气冲程：节流，节流，p p小于小于p p0 0. .1-21-2：压缩冲程：压缩冲程：可逆绝热压缩。可逆绝热压缩。2-32-3：定容燃烧过程定容燃烧过程3-43-4：工作冲程：工作冲程：绝热膨胀过程绝热膨胀过程4-04-0：排气冲程。：排气冲程。0-10-1：进气冲程：进气冲程：节流，节流，p p小于小于p p0 0. .1-2

11、1-2：压缩冲程：压缩冲程：可逆绝热压缩。可逆绝热压缩。22点开始喷油，点开始喷油，2 2点达到柴油自点达到柴油自燃温度。燃温度。压燃式压燃式柴油机定压加热柴油机定压加热循环图循环图 22-32-3：定压燃烧过程定压燃烧过程3-43-4：工作冲程：工作冲程：绝热膨胀过程绝热膨胀过程4-04-0：排气冲程。：排气冲程。进入工质：进入工质：纯空气纯空气增压高速，早期低速柴油机。增压高速，早期低速柴油机。整个整个过程接近定压过程接近定压燃烧过程。燃烧过程。3-43-4：定压加热过程定压加热过程4-54-5：工作冲程：工作冲程：绝热膨胀过程绝热膨胀过程5-15-1：定容放热。：定容放热。2-32-3：

12、定容加热过程定容加热过程22点开始喷油，点开始喷油，2 2点柴油自燃点柴油自燃高速柴油机的高速柴油机的混合加热循环混合加热循环 1301 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1.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、忽略燃油质量变化燃油质量变化忽略忽略燃气成分改变燃气成分改变忽略忽略一、混合加热理想循环一、混合加热理想循环 （dual combustion

13、cycle）142.高速柴油机的混合加热循环高速柴油机的混合加热循环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：(pressure ratio)定压预胀比：定压预胀比： (cutoff ratio)反映气缸容积反映气缸容积反反映映供供油油规规律律三种循环的三种循环的p-v图和图和T-s图图15汽油机定容加热汽油机定容加热柴油机定压加热柴油机定压加热高速柴油机的混合加热高速

14、柴油机的混合加热16p、v、T、q1、q2、wnet 、 tp1、v1、T1、 理想气体的状态方程式理想气体的状态方程式 理想气体热力过程中功量和热量的求解公式理想气体热力过程中功量和热量的求解公式 热力循环热效率公式热力循环热效率公式循环热效率：循环热效率：nett1wqnet1 22 33 44 55 11 23 44 5wwwwwwwww或或netnet12wqqq11gg5213434141111RRppTpvvTpp342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV1. 混合加热循环：混合加热循环： 18512t1324311TTqqTTTT 、 、111211212vT

15、TTv13321223pTTTp14431334vTTTv551151pTTp利用利用表示表示t191 1225544p vp vp vp v；两式相除，考虑到两式相除，考虑到325134vvvvpp5344412323pppvvppvpvt11111 5511pTTp51TT51t32431TTTTTT 把把T2、T3、T4和和T5代入代入求求15pp20混合加热循环：混合加热循环： 34p23v1p1v34231T-TcT-Tcqqqqq比热为定值比热为定值 0T-Tcqq15vv512210q-qw ，Kf111111kkktss212.定容加热循环：定容加热循环： 1可看作可看作不存在

16、定压加热不存在定压加热过程过程的混合加热的混合加热理想循环，理想循环，此时混合加热循环中的此时混合加热循环中的3 3、4 4点重合点重合3 3点，点，5 5点点4 4点点。 1vv3422123v1T-Tcq 0T-Tcqq14vv412210q-qw Kf11qw1K10t，ttKT吸热：吸热：放热：放热：循环净功：循环净功：循环热效率：循环热效率： 比热为定值比热为定值2.定容加热循环：定容加热循环： 2311pp2324123p1T-Tcq 14v2T-Tcq 210q-qw ，Kf1K1-1qw1KK10t吸热：吸热：放热：放热：循环净功：循环净功：循环热效率：循环热效率： 比热为定值

17、比热为定值25tttt三、三种循环计算的分析三、三种循环计算的分析混合加热循环热效率：混合加热循环热效率： 111111kkkt94 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较一、压缩比一、压缩比 相同，吸热量相同时的比较相同，吸热量相同时的比较且：且：1-21-2线重合，定容放热过程均在通过点线重合，定容放热过程均在通过点1 1的定容线上的定容线上 111vmpqqq或或pmvTTT222pmvqqq222tvtmtppmvTTT111吸热量：吸热量：放热量：放热量：效率：效率：27二、循环二、循环pmax、Tmax相同时的比较相同时的比较 222pmvqqq或

18、或vmpTTT222vmpqqq111t,t,t,pmvvmpTTT111吸热量：吸热量：放热量：放热量：效效 率：率：28例例A470299例例A44727729C60t0.1Mpapo11、15vv211.4pp23Kkg0.718KJcKkgKJ1.005cvp，例例1 1：已知某活塞式内燃机：已知某活塞式内燃机混合加热混合加热理想循环理想循环压缩比：压缩比：定容升压比：定容升压比：定压预胀比：定压预胀比：试分析计算循环试分析计算循环各点温度、各点温度、压力、比体积及循环热效率压力、比体积及循环热效率。设工质比热容取定值，设工质比热容取定值，1.45vv3430KKgKJ0.2870.7

19、181.005c-cRvpg kgm0.9557Pa100.1K273.1560KKgJ0.287pTRv3611g1kgm0.063715kgm0.9557vv33124.43MPa150.1MPapvvpp1.4k1k2112983.52KKkgJ287kgm0.0637Pa104.43RvpT36g22223vv 解：解：316.203MPa4.43MPa1.4pp231376.8KKkgJ287kgm0.0637Pa106.203RvpT36g33334pp kgm0.09241.45kgm0.0637vv33341996.3KKkgJ287kgm0.0924Pa106.203RvpT

20、36g44415vv 320.236MPakgm0.9557kgm0.09246.203MPavvpp1.433k5445784.39KKkgJ287kgm0.9557Pa100.236RvpT36g555吸热：吸热：kgKJ905.0K1376.81996.3KkgJ1005K983.521376.85KkgKJ0.718T-TcT-Tcq34p23v1kgKJ324.0K333.15784.39KkgKJ0.718T-Tcq15v20.642kgKJ905.0kgKJ324.01qq112t放热：放热：循环热效率：循环热效率：33作业 习题 P312 NO.9-4 NO.9-5NO.9-9

21、（1）（2）34 讲授：讲授：第九章第九章 气体动力循环气体动力循环 Gas power cycles9-6 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环9-7 燃气轮机装置定压加热实际循环燃气轮机装置定压加热实际循环35燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环构成构成 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 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

22、消耗了燃气轮机产生功率 的绝大部分，但的绝大部分，但重量功率比重量功率比 (specific weight of engine)仍较大。仍较大。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。369-6 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37轴流式燃气轮机轴流式燃气轮机38394041燃气轮机电厂燃气轮机电厂42二、定压加热理想循环二、定压加热理想循环( (布雷顿循环布雷顿循环) )（constant-pressure combu

23、stion cycle（Brayton cycle）1-2 等熵压缩等熵压缩（压气机内）（压气机内）2-3 定压吸热定压吸热（燃烧室内）（燃烧室内）3-4 等熵膨胀等熵膨胀（燃气轮机内）（燃气轮机内）4-1 定压放热定压放热（排气，假想换热器）（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）43三、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t321323232tpmtpqhhcTTcTT1212113434ppTTppTT2314pppp2134TTTT212314TTTTTT

24、1t21111TT 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。141414241TTcTTchhqpttpm241t13211qTTqTT 44452.分析：分析： t)a1net)bqw一定1t21111TT ？t3T与 无关t不变tk46112141311423TTTTTTTcTTcTTcwppp净1111kkkkpTcTs1234定义：定义：循环增温比：循环增温比：c） 对循环净功的影响对循环净功的影响勃雷登循环净功的计算：勃雷登循环净功的计算：13TT47 对循环净功的影响对循环净功的影响1111kkkkpTcw净1t21111TT Ts1234

25、34当当 不变不变不变不变w净但但T T3 3 受材料耐热限制受材料耐热限制13TT48 对净功的影响对净功的影响:1111kkkkpTcw净13TTTs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1Tkkt11149最佳增压比最佳增压比 opt（wnet,max）的求解）的求解netmax)cww一定， 取某值1111kkkkpTcw净net0dw令令最大循环净功最大循环净功:net0dw21netnet,maxww211Tcwpmax,net50netmax) cww一定， 取某值net12wqqnet0dw 1423TTTTcp111111Tcp

26、21netnet,maxww51net)dw与 及 的关系可见：可见： 1）对于每一）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，所以上升，所以提高提高T3 能带动比功率能带动比功率wnet,max 及及t同时升高。同时升高。kkpnetTcw1111529 97 7 燃气轮机装置定压加热实际循环燃气轮机装置定压加热实际循环 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、定压加热的实际循环一、定压加热的实

27、际循环 53二、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：压气机耗功：压气机耗功：实际压缩终了焓：实际压缩终了焓：燃气轮机相对内效率：燃气轮机相对内效率：燃气轮机实际作功：燃气轮机实际作功：实际膨胀终了焓：实际膨胀终了焓：54三、燃气轮机装置的内

28、部热效率三、燃气轮机装置的内部热效率 (internal thermal efficiency)ineti1wq 循环内部热效率：循环内部热效率：ssnett,TCT3421Cs1wwwhhhhs1323121Cs1qhhhhhh sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhh实际循环的内部净功：实际循环的内部净功：循环中气体实际吸热量：循环中气体实际吸热量：55讨论讨论：CsT)ia除 、 外 还与、有关i),b一定时，如图。，但有极值一定，,)cis ,CT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。sssT1T34

29、21CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhhTCsiTCs0.85 0.920.85 0.90目前，56作业 P305 例 9-3 P314 习题 9-15*例例A474299579 98 8 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（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583）回热度回热度(regenerator effectiveness) 64842527hhhhhhhh量理论上极限可利

30、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 59分级压缩，中间冷却分级压缩，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 ？+t1567341t1234160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,1567341t,1234161三、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,