工程热力学机械第09章

1、第九章 气体动力循环1一、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 经济性，寻求提高经济性的方向及途径。91 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般步骤实际循环（复杂不可逆） 吸热、放热、作功、热效率实际循环指导改善可逆理论循环抽象、简化分析4 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。熵分析法火用分析法熵产作功能力损失火用损火用效率5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其中 与实际循环相当的

2、内可逆循环的热效率相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失分析动力循环的一般方法：内燃机采用燃烧前压缩技术,以提高平均吸热温度所用燃料为液体或气体加热按定容、定压或介于定容定压之间的过程循环采用四冲程或两冲程点火方式为点燃式或压燃式空气标准假设(the 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按加热方式分类的各类循环：1. 定容加热循环2. 定压加热循环3. 混合加热循环分析动力循环主要采用两种方法：1. 以热力学第一定律为

3、基础的“第一定律分析法”以能量数量为立足点,以热效率为指标。2.以热力学第一定律和第二定律为依据、从能量的数量和品质来分析，以“作功能力损失和火用效率为其指标的第二定律分析法”。煤气机(gas engine)汽油机(gasoline engine; petrol engine)柴油机(diesel engine) 分类：二冲程(two-stroke )四冲程(four-stroke ) 点燃式(spark ignition engine)压燃式(compression ignition engine)92 活塞式内燃机实际循环的简化按燃料：按点火方式：按冲程：10压燃式柴油机空气和燃料 (柴油

4、 )分别压缩,自行发火式发动机。 柴油机： 0-1 吸气 1-2-2 压缩 2喷油 2-3 定容加热(燃烧) 3-4 定压加热(燃烧) 4-5 膨胀 5-0 排气 柴油机实际工作循环（1）不计吸气和排气过程，将内燃机的工作过程看作是气缸内工质进行状态变化的封闭循环。（2）把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，并认为23是定容加热过程，34是定压加热过程。（3）略去压缩过程和膨胀过程中工质与气缸壁之间的热量交换,近似地认为是绝热过程。（4）用定容放热过程来代替废气排入大气中的实际放热过程。（二）实际工作循环的抽象与简化简化原则为: 活塞式内燃机循环的简化（三）活塞式内燃机循环的简化01 吸气 1

5、2 等熵压缩 23 定容加热 34 定压加热 45 等熵膨胀 51 排气10 排气排气51 等容放热吸气01排气线10重合略去，封闭循环燃油质量忽略燃气成分改变忽略进一步说明 工质为空气定比热二、平均有效压力 mean effective pressure 一、混合加热理想循环12 等熵压缩；23 等容吸热； 34 定压吸热；45 等熵膨胀； 51 定容放热该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为“混合加热循环”，也称“萨巴太循环”。93 活塞式内燃机的理想循环1、p-v图及T-s图二、内燃机的特性参数及混合加热理想循环各典型点的状态参数（1）压缩比compression ratio ：压缩

6、前的比体积与压缩后的比体积之比，它是表征内燃机工作体积大小的结构参数。（2）定容升压比pressure ratio : 定容加热后的压力与加热前的压力之比，它是表示内燃机定容燃烧情况的特性参数。（3）定压预胀比 cutoff ratio : 定压加热后的比体积与加热前的比体积之比，它是表示内燃机定压燃烧情况的特性参数。循环热效率三、混合加热循环的能量分析和性能分析，求出得讨论：把T2、T3、T4和T5代入循环净功和净热分别为 在循环特性参数（、及）一定的条件下，提高初态参数，对热效率虽然并无影响，但可以提高净功。因此可以采用“增压”等措施来提高柴油机的净功。四、定压加热理想循环Diesel c

7、ycle热效率 热效率随着压缩比的增大,预胀比的减小和采用高值的气体而增大。五.定容加热理想循环Otto cycle热效率图101所示的定容加热活塞式内燃机理想循环，工质为空气，比热容为定值并取已知压缩比试求循环各点的温度、压力、比体积，循环热效率及平均有效压力。解：由已知条件：例：一.压缩比相同，吸热量相同时的比较或 94 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较或二.循环pmax，Tmax相同时的比较一.燃气轮机装置简介9-5 燃气轮机装置循环(gas turbine) 特点：1.运转平稳，连续输出功 2.启动快，达满负荷快 3.重量功率比 仍较大用途： 飞机、舰船的动力载荷机组， 电站峰荷机

8、组(peak-load set)，等。优点： 其热能转变为机械能的过程是在燃气轮机中实现，它是一种旋转式热力发动机，转速可设计很高，且工作过程连续。可在设备重量小，尺寸小的条件下发出很大功率。缺点：叶片材料、设计、加工、装配要求很高。燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的热动力设备小型燃气轮机轴流式燃气轮机压气机简图：燃烧室燃气轮机简图燃烧室为定压燃烧，压缩、膨胀过程与绝热相近。故定压燃烧燃气轮机装置的理想循环组成如下： 绝热压缩、定压吸热、绝热膨胀、定压放热燃烧室燃气轮机压气机q1321图 1016二. 定压加热理想循环定压燃烧燃气轮机装置流程示意图如下:二.定压加热理想循环过程1-2 等熵

9、压缩（压气机内）过程2-3 定压吸热（燃烧室内）过程3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）过程4-1 定压放热循环增压比pressure ratio 循环增温比temperature ratio1.热效率t注意：式中T1，T2并非指高温 热源，低温热源。三.定压加热理想循环分析2.分析一.定压加热的实际循环 96 燃气轮机装置定压加热实际循环1-2a 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4a 不可逆绝热膨胀； 4-1 定压放热。二、压气机绝热效率 adiabatic compressor efficiency三、燃气轮机相对内效率 adiabatic turbine efficiency三、燃气

10、轮机装置的内部热效率 (internal thermal efficiency)i 整理回热regeneration 97 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施1）极限回热2）回热度regenerator effectiveness 注意：达一定值，回热不能进行3） 98 喷气发动机(jet engine)简介12 扩压管压缩 23 压气机压缩34 定压燃烧45 膨胀作功 56 喷管加速 定压燃烧喷气式发动机的理论循环及实际循环与燃气轮机装置定压加热循环相同理想循环注意：压缩和膨胀过程 都分两段作业：91, 5, 15第九章 完End of Preface定容加热理想循环中，如果绝热膨胀不在4点停下，而使之继续膨胀到，5