第十章气体动力循环

1、锅锅炉炉汽轮机汽轮机发电机发电机给水泵给水泵凝汽器凝汽器1234山东莱动内燃机有限公司山东莱动内燃机有限公司L475 L480型柴油机型柴油机 活塞式汽车发活塞式汽车发动机构造动机构造火花塞火花塞 2-气缸盖气缸盖 3-出出水口水口 4-气缸气缸 5-活塞活塞 6-水套水套 7-水泵水泵 8-活塞销活塞销 9-进水口进水口 10-连杆连杆 11-飞轮飞轮 12-曲轴曲轴 13-机油管机油管 14-曲轴箱曲轴箱 15-机油泵机油泵 16-曲轴正时齿轮曲轴正时齿轮 17-凸轮凸轮正时齿轮正时齿轮 18-凸轮轴凸轮轴 19-排气管排气管20-进气管进气管 21-进气门进气门 22排气门排气门 23-

2、化油器化油器汽油机汽油机动力循环动力循环按工质按工质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蒸汽动力循环蒸汽动力循环：外燃机：外燃机水蒸气等水蒸气等实际气体实际气体气体动力循环气体动力循环： 内燃机，内燃机， 燃气轮机燃气轮机按结构按结构活塞式活塞式叶轮式叶轮式小型汽车，摩托小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船中、大型汽车，火车，轮船移动电站移动电站汽油机汽油机点燃式，压燃式点燃式，压燃式汽车，摩托，小型轮船汽车，摩托，小型轮船按燃料按燃料航空，大型轮船，移动电站航空，大型轮船，移动电站柴油机柴油机煤油机煤油机航空航空按点燃方式：按点燃方式：按冲程数：按冲程数：二冲程，四冲程

3、二冲程，四冲程活塞活塞10-110-1动力循环研究方法动力循环研究方法四冲程高速柴油机为例四冲程高速柴油机为例（混合加热循环）（混合加热循环）（压燃式）（压燃式）空气、油空气、油废气废气吸气吸气压缩，压缩，喷油燃烧喷油燃烧膨胀膨胀作功作功排气排气12301 吸空气吸空气pV一般一般n=1.341.37柴油自燃柴油自燃t=335p02012 多变压缩多变压缩p2=35MPat2=6008002 喷柴油喷柴油2 开始燃烧开始燃烧23 迅速燃烧，近似迅速燃烧，近似 Vp59MPa4534 边喷油，边膨胀边喷油，边膨胀123pVp0120t4可达可达170018004 停止喷柴油停止喷柴油45 多变膨

4、胀多变膨胀V近似近似 膨胀膨胀pp5=0.30.5MPat5 50051 开阀排气，开阀排气， 降压降压10 活塞推排气活塞推排气,完成循环完成循环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。四冲程高速柴油机四冲程高速柴油机（混合加热循环）（混合加热循环）（压燃式）（压燃式）123451. 工质工质pVp0120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

5、体(空气空气)P-V图图p-v图图2. 0-1和和1 -0抵消抵消开口开口闭口循环闭口循环3.排气排气向向外界放热外界放热(定容定容)4.燃烧燃烧外界加热外界加热5. 多变多变绝绝热热6. 不可逆不可逆可逆可逆1235pp0120一、一、混合加热混合加热理想循环（萨巴德循环）理想循环（萨巴德循环）12345pv（高速柴油机）（高速柴油机）1234512345pvTs12345Ts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 wq12345pv1234pv柴油机，压燃式柴油机，压

6、燃式汽油机，点燃式汽油机，点燃式12341234pvTs1234Ts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 1234Ts热效率热效率41t321TTTT 411322111TTTTTT 1321124kTTvTvT11212111kTTvv 111k 12345pv1234pv柴油机，压燃式柴油机，压燃式高增压低速柴油机高增压低速柴油机压燃式压燃式1234pv1234Ts1234Ts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122t1111wqqq

7、qqq 12345pv压缩比压缩比12vv定容增压比定容增压比32pp定压预胀比定压预胀比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12345Ts热效率热效率51t32431TTTTk TT 1112112kkvTTTv12vv133212kpTTTp 32pp144313kvTTTv 43vv12345Ts热效率热效率51t32431TTTTk TT 154541151kkpvTTTTvp t11111kkk 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=1.6

8、62、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t12345pvt11111kkk 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1421柴油机热效率热效率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

9、、壁厚、成本反映材料耐压、壁厚、成本最高温度最高温度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Ts2t11qq tvtmtp2v2m2pqqq平均温度法平均温度法3m4m123v4v3p4pTs211tqq 1p1m1vqqq2q相等相等12v342mtptmtv2p3p4mTs211tqq 2p2m2vqqq2ptptmtv3m12v4v3v4p2m？ 和和 相同，图示相同，图示 大小大小maxT1qtptmtv,用途：用途： 航空发动机航空发动机 尖峰电站尖峰电站 移动电站移动电站 大型轮船大型轮船理想化：理想化：123

10、4压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃料燃料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2）闭口闭口 循环循环3）可逆过程可逆过程燃烧室燃烧室pvTs12341234Ts1234吸热量：吸热量：1p32qcTT放热量：放热量：2p41qcTT热效率：热效率：12241t1113211wqqqTTqqqTT 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Ts1234热效率：热效率：t1

11、2111kkpp 定义：定义：循环增压循环增压比比21pp111kk tktTs1234定义：定义： 循环增温比循环增温比31TT324134211111pppwcTTcTTTTTc TTTT净1111kkkkpc TTs123431TT1111kkkkpwc 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 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 1TTs1111kkkkpwc T净令令opt3T2(1)opt()kkw净1T0w净最大循环净功最大循环净功2

12、11optpwc TTs1234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34oi34hhhhTs123424314221oi34cwhhhhhhhh净净功净功吸热量吸热量2113312chhqhhhh21kkoptoicw 净Ts1234241111111oikckkckwq净t热效率热效率1111111oikckkckwq净toict一定，一定，t一定，有最佳一定，有最佳 optt optt右移右移 opttoptw净optw净地面上，尺寸次要

13、，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4R2A2134Ts4R2R2A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 4R2A1234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6

14、22134Ts265ABt1wq净间12341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：ABtA1AtB1Bt1A1B1A1B1A1BtAtB1A1B1A1Bwwqqqqqqqqqqqq净净间当当tAtBtAtBt间tAtBtAtBt间tAtBtAtBt间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4R2R2134Ts265tt1wq净间+回简4R2Rtt1wq净间+回回ttt间+回回简www间+回回简结论：结论：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235213Ts344tt再简ww再简5结

15、论：结论：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14R2R53213Ts344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：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2R4R2134Ts两个等温过程两个等温过程两个等压过程两个等压过程+回热回热概括性卡诺循环概括性卡诺循环级数越多，越复杂，造价越高，一般级数越多，越复杂

16、，造价越高，一般23级级燃气轮机循环：燃气轮机循环：理想循环和实际循环的计算理想循环和实际循环的计算 和比较和比较活塞式内燃机循环：活塞式内燃机循环：( 特点、计算、比较特点、计算、比较 )提高热效率的手段：提高热效率的手段：回热回热 间冷间冷+回热回热 再热再热+回热回热1、为了提高效率，燃气轮机的废气能否再继续为了提高效率，燃气轮机的废气能否再继续膨胀作功，能否废气不放热再压缩再膨胀作功膨胀作功，能否废气不放热再压缩再膨胀作功不能使不能使0pp可逆时，可逆时，tucww不可逆时，不可逆时，tucwwp0pv12342、回热器能否装在压气机前回热器能否装在压气机前t简Ts1234w净123、能否先加热，后压缩能否先加热，后压缩Ts0w净动力循环的一般规律动力循环的一般