工程热力学原理和装置

1、工程热力学原理和装置9 气体动力循环Gas power cycle教学目标：使学生掌握分析动力循环的一般方法；了解活塞式内燃机实际循环的分析方法；了解燃气轮机循环的分析方法。知识点：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机实际循环的简化；活塞式内燃机的理想循环；燃气轮机装置循环；燃气轮机装置的定压加热实际循环。重 点：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机循环分析;燃气轮机装置循环的分析方法。难 点：实际循环简化成理想循环的方法。热力装置动力装置：将热量通过能量的传递和转换，转变成人们所需要的功。制冷装置：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的水平。热泵装置：将热量不断

2、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。热力装置9-1 动力循环分析的一般方法 一、分析循环的目的在热力学基本定律的基础上分析循环过程中能量转换的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。二、分析动力循环的一般步骤 1）实际循环（复杂不可逆）抽象、简化可逆理论循环分析可逆循环影响经济性的主要因素和可能改进途径指导改善实际循环2）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。三、分析动力循环的方法1）第一定律分析法以第一定律为基础，以能量的数量守恒为立足点。2）第二定律分析法综合第一定律和第二定律从能量的数量和质量分析。熵分析法分析法熵产作功能力损失损效

3、率3) 内部热效率(internal thermal efficiency )i不可逆循环中实际作功量和循环加热量之比。其中与实际循环相当的内可逆循环的热效率三、分析动力循环的方法相对内部效率(relative internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失。相对热效率(relative thermal efficiency)，反映该内部可逆循环因与高、低温热源存在温差（外部不可逆）而造成的损失。与实际循环相当的卡诺循环热效率余隙对排气量的影响 显然，有效的吸气容积小于活塞排量，降低了活塞排量的利用率。它用两者的比值容积效率（Volumetric efficie

4、ncy） v表示。是余隙与活塞排量的比值，称为余隙比，式中，V=VVV h=VV3V4 V3V e12nn4350pV余隙对理论耗功的影响 不论有无余隙，压缩单位质量气体所消耗的理论压气功相同。扩压管离心式压气机结构示意图进气室进气口叶 轮蜗壳出气口出口扩压器主轴出口扩压器转速高，效率稍低，适合中小流量场合。叶轮式压气机分析不可逆绝热压缩12定熵压缩过程12s理想压缩过程实际压缩过程压气机的绝热效率叶轮式压气机分析 若为理想气体，且比热容为定值分析动力循环的方法1）第一定律分析法以第一定律为基础，以能量的数量守恒为立足点。2）第二定律分析法综合第一定律和第二定律从能量的数量和质量分析。熵分析法

5、分析法熵产作功能力损失损效率上节回顾-四.空气标准假设air-standard hypothesis气体动力循环中工作流体理想气体空气定比热燃烧和排气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活塞式内燃机分类internal combustion engine ：按燃料（Fuel）：煤气机（gas engine）、汽油机（gasoline engine）和柴油机（diesel engine）；按点火方式（ignition）：点燃式（spark ignition engine）和压燃式（compression ignition engine）；按冲程（Stroke）：四冲程(

6、four-stroke )和二冲程（two-stroke）。9-2 活塞式内燃机实际循环简化piston type internal combustion engine cycle两冲程内燃机工作过程two-stroke cycle engine进气排气进气排气四冲程内燃机工作过程four-stroke cycle enginepv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle汽油发动机循环pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cyclepv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cyclepv0Atmosphere火花塞G

7、asoline engine cyclepv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cyclepv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cyclepv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cyclepv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cyclepv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cyclepv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cyclepv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cyclepv0Atmosphere火花塞Gasol

8、ine engine cyclepv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle2pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle2pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle2pv0火花塞AtmosphereGasoline engine cycle32pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle32pv0火花塞AtmosphereGasoline engine cycle32pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle32pv0Atmosphere火

9、花塞Gasoline engine cycle32pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle32pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle324pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle324pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle324pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle324pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle324pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycl

10、e324pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle324pv0Atmosphere火花塞Gasoline engine cycle内燃机循环示功图活塞式内燃机循环特点开式循环(open cycle) 燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆； 各环节中工质质量、成分稍有变化。实际工作循环的抽象与简化：实际开式循环抽象成闭式的以空气为工质的理想循环；定容及定压燃烧加热燃气的过程简化成工质从高温热源可逆定容及定压吸热过程；忽略实际过程的摩擦阻力及进、排气阀的节流损失；膨胀和压缩过程忽略热交换，简化为可逆绝热过程。内燃机循环示功图内燃机循环示功图平均有效压力mean e

11、ffective pressure9-3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环(萨巴德循环)pv1122334455pvTsssv（现代柴油机）吸热量放热量循环热效率循环净功混合加热循环的计算pv12345Tsv而将以上两式代入上面的等式关系式有pv12345Tsv或混合加热循环的计算定容升压比compression ratio压缩比pressure ratio定压预胀比cutoff ratiopv12345Tsv混合加热循环的计算已得到混合加热循环的计算讨论：归纳：a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。 b.利用T-s图分析循环

12、较方便。 c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。32324411pvTssspv（柴油机）二、定压加热理想循环（Diesel循环）吸热量放热量热效率二、定压加热理想循环（Diesel循环）定压加热理想循环效率影响趋势结论：(压缩比) (定压预胀比) k32324411pvTsssvv三、定容加热理想循环（Otto cycle, gasoline engine）3241Tsvv吸热量放热量循环热效率循环净功定容加热循环的计算=13241Tsvv分析：若循环加热量不变,提高增压比，实际上提高了吸热平均温度，降低了放热的平均温度，所以循环的热效率提高了。(压缩比) 汽油机增压比的允许值在512

13、。实际上压缩比过大，使压缩终了时的气体产生爆燃现象，影响发动机的正常工作。 用提高压缩比来提高点燃式内燃机的热效率，实际上受到严格的限制。9-6 燃气轮机装置循环Gas Turbine cycle一、燃气轮机装置简介Gas turbine equipment燃气轮机装置特点 1.开式循环(open cycle)，工质流动 2.运转平稳，连续输出功 3.启动快，达满负荷快 4.压气机消耗了燃气轮机产生功率的很大部分，但重量功率比 (specific weight of engine)仍较大用途：航空发动机、尖峰电站、移动电站、 大型轮船、 联合循环的顶循环。Combustion chamberGas Turbine EquipmentAir inCompressorpumpExhaust gases Gas tu