热能工程教研室

第十章

气体动力循环Fortherestofthesemester..LookatdifferentcyclesthatapproximaterealprocessesYoucancategorizetheseprocessesseveraldifferentwaysPowerCyclesvsRefrigerationGasvsVaporClosedvsopenInternalCombustionvsExternalCombustionPowerCyclesSubjectofChapters10and11SabeanderCycle(萨巴德循环)DieselCycle（狄赛尔循环）OttoCycle(奥托循环)SparkIgnition内燃机BraytonCycle（布雷顿循环）GasTurbine燃气轮机RankineCycle（朗肯循环）Vapor蒸汽轮机§10-1分析动力循环的一般方法目的：在热力学基本定律的基础上分析动力循环的能量转换的经济性，寻求提高经常性的方向和途径。步骤：2）分析实际循环与可逆理论循环的偏离偏离部件、大小、原因及改进办法1）将实际循环抽象成可逆的理论循环√分析影响循环效率的主要因素？？Realvs.IdealvpActualcycleIdealcycle分析动力循环的一般方法气体动力循环：方法：1）第一定律分析法量的角度2）第二定律分析法品质的角度3）“空气标准”假设燃烧从高温热源吸热排气向低温热源放热工作流体理想气体气体性质与空气相同Air-StandardAssumptionsAircontinuouslycirculatesinaclosedloopandbehavesasanidealgasAlltheprocessesareinternallyreversibleCombustionisreplacedbyaheat-additionprocessfromtheoutsideHeatrejectionreplacestheexhaustprocessColdAirStandardAssumptionsAlsoassumeaconstantvalueforCp,evaluatedatroomtemperature提高循环效率的途径：提高循环中工质的平均吸热温度降低循环中工质的平均放热温度循环不可逆因素：散热，泄漏内部摩擦，外部温差传热分析动力循环的一般方法内部热效率。实际做功量和循环加热量之比=1–T0/T1,高低热源间卡诺循环热效率(T1和T0间的Carnot循环)与实际循环相应的内部可逆循环热效率(T1’和T2间的实际循环)循环相对内部效率。循环中实际功量与理论功量之比。反映内部摩擦引起的损失。

(T1’和T2间的实际循环)1）循环效率法hi：hc:ht:hT:T1T0q1’q2w’q1T1’T2q2’ho:相对内效率；=ht/hc；外部温差换热引起的不可逆损失分析动力循环的一般方法2）第二定定律分析法法A.熵分分析法做功能力损损失与循环环的熵产有有关做功能力损损失与循环环最大做功功能力之比比表示损失失大小B.Ex分析法设备或系统统的Ex效效率分析动力循循环的一般般方法IdealCyclesWe’llbeusingidealcyclestoanalyzerealsystems,soletsstartwiththeonlyidealcyclewe’vestudiedthusfarCarnotCycleT－sDiagramTS121-2IsothermalHeatAddition32-3IsentropicExpansion43-4IsothermalHeatRejection4-1IsentropicCompressionP—vDiagramPv4-1IsentropicCompression121-2IsothermalHeatAddition32-3IsentropicExpansion3-4IsothermalHeatRejection4And…SinceitisacycleQ-W=0Q=WInaddition,weknowthattheefficiencyforaCarnotCycleis:WQWnet=QnetCarnotCycleisnotagoodmodelformostthingsForexampleInternalcombustionengineGasturbineWeneedtodevelopanewmodel,thatisstillideal§10-2活塞式式内燃机实实际循环的的简化活塞式内燃燃机的分类类：使用燃料煤气机汽油机柴油机点火方式点燃式压燃式（煤气机、、汽油机））（柴油机））冲程四冲程二冲程(进气,压压缩,燃烧烧膨胀,排排气)(进气-压压缩-燃烧烧膨胀,排排气)四冲程柴油油机的工作作过程四冲程柴油油机:0-1:吸吸气过程程1-2:非非绝热压压缩2‘:喷喷油2-3:定定容燃烧烧3-4:定定压燃烧烧4-5:非非绝热膨膨胀5-1:定定容排气气52’243大气线－＋00Vp11’四冲程柴油油机的工作作过程的简简化1）定容容和定压燃燃烧定容和定压压吸热2）标准准空气假定定，且取定定值比热容容定容排气定容放热3）忽略略内不可逆逆因素：摩摩擦，节流流，。。。。开口系闭口系4）忽略略膨胀和压压缩过程中中气体与气气缸壁面的热交换可逆绝热过过程定压燃烧柴柴油机例如：高增增压柴油机机，船用柴柴油机大气线－00Vp1＋234只有等压燃燃烧，没有有定容燃烧烧过程可作类类似的简化化定容燃烧汽汽油机、煤煤油机燃烧过程在在接近定容的过程程下完成＋－32041”1’大气线pV0没有一边燃燃烧一边膨胀的定压压过程例如煤气机机、汽油机机活塞式柴油油机的性能能评估平均有效压压力MEP（Meaneffectivepressure）两个相同尺尺寸的发动动机进行比比较时，MEP较大大的机器的的静输出功功较大§10-3活塞式式内燃机的的理想循环环混合加热理理想循环的的p-图和T－s图一、混和加加热理想循循环pv023451大多数柴油油机的理想想循环-萨巴德循循环Ts0234515Vp一、混和加加热理想循循环特征参数：：绝热压缩比比：定容增压比比：定压预胀比比：pv023451热效率：吸热：放热：循环热效率率：表示成循环环特性参数数的形式：：一、混和加加热理想循循环Ts234511）混合加加热循环的的热效率随随压缩比e和定容增压比比l的增加而提提高。循环平均吸吸热温度提提高但循环环平均放热热温度不变变2）混合加加热循环的的热效率随随定压预胀比比r的增加而降降低。循环平均吸吸热温度提提高但循环环平均放热热温度升高高得更多：：定容线比比定压线陡陡一、混和加加热理想循循环T02341s二、定压加加热理想循循环又称狄塞尔尔（Diesel）循环可以看成是是混合加热热理想循环环的特例，，l=1p02341例如如高高增增压压柴柴油油机机及及船船用用发发动动机机定压压加加热热理理想想循循环环的的热热效效率率:表示示成成循循环环特特性性参参数数的的形形式式：：10121416180.40.50.60.7k＝1.35rht1)绝绝热热指指数数k一定定时时：：ehtT2)绝绝热热指指数数k的影影响响：：kht二、、定定压压加加热热理理想想循循环环三、、定定容容加加热热理理想想循循环环又称称奥奥托托循循环环（（煤煤气气机机、、汽汽油油机机））可以以看看成成是是混混合合加加热热理理想想循循环环的的特特例例，，r=1T02341sp02341定容容加加热热理理想想循循环环的的热热效效率率:表示示成成循循环环特特性性参参数数的的形形式式：：0sT2’214’4T333’eht同温温限限下下，，平平均均吸吸热热温温度度提提高高，，平平均均降降热热温温度度降降低低三、、定定容容加加热热理理想想循循环环定容容加加热热理理想想循循环环的的ht－k关系系曲曲线线10.1234567891000.70.60.50.40.30.2k＝1.41.35k＝1.3k＝1.25k＝1.2Tk三、、定定容容加加热热理理想想循循环环IncreasingCompressionRatioIncreasestheEfficiencyTypicalCompressionRatiosforGasolineEnginesk=1.4三、、定定容容加加热热理理想想循循环环q1增大大，，压缩缩比比e不变变，，循环环效效率率不不变变。。循环环净净功功增增大大，，输出出功功率率增增大大。。Ts123’34’4’实际际上上，，T升高高，，k减小小，，ht减小小。。◆热热负负荷荷增增大大时时活塞塞式式内内燃燃机机的的应应用用1））增增大大压压缩缩比比能能提提高高循循环环效效率率混合合加加热热（（一一般般柴柴油油机机））、、定定压压加加热热（（Diesel））、、定定容容加加热热（（煤煤气气机机/汽汽油油机机））2））压压缩缩比比的的限限制制汽油油机机，，受受预预混混燃燃料料空空气气混混合合物物爆爆燃燃条条件件的的限限制制。。采采用用5~12级级压压缩缩：：轻轻型型机机械械柴油油机机，，不不受受空空气气压压缩缩的的限限制制。。采采用用14~20级级压压缩缩：：重重型型机机械械§10-4活活塞塞式式内内燃燃机机各各种种理理想想循循环环的的热热力力学学比比较较比较较的的前前提提：：1））初初态态相相同同2））吸吸热热量量、、压压缩缩比比、、最最高高温温度度及及最最高高压压力力相相同同利用用T－－s图图进进行行比比较较最最为为简简便便一、、压压缩缩比比相相同同、、吸吸热热量量相相同同时时的的比比较较T0s5’’5’44’’4’3’’3’32’21512341：：定定容容吸吸热热122′′3′′4′′1：：混合合吸吸热热123″″4″″1：：定压压吸吸热热吸热热量量相相同同，，放热热量量不不同同TheefficiencyoftheOttocycleisalwayshigherthantheDieselcycleWhyusetheDieselcycle?Becauseyoucanusehighercompressionratios二、、循循环环最最高高压压力力和和最最高高温温度度相相同同时时的的比比较较12341：：定定容容吸吸热热12’’3’’341：：混混合合吸吸热热12’’’’341：：定定压压吸吸热热放热热量量相相同同，，吸热热量量不不同同0Ts65433’2’’2’21§10-5燃燃汽汽轮轮机机装装置置循循环环工质质：：燃气气+空空气气部件件：：压气气机机、、燃燃烧烧室室、、燃燃气气轮轮机机燃气气轮轮机机工工作作流流程程：：3压气机燃烧室燃气轮机124循环环是是开开式式的的、、不不可可逆逆的的特点点：：小尺尺寸寸、、大大功功率率、、连连续续作作功功Closedcyclemodelforagasturbineengine1-2IsentropicCompression2-3ConstantPressureheataddition3-4IsentropicExpansion4-1ConstantPressureheatrejection燃气气轮轮机机装装置置定定压压加加热热理理想想循循环环-布布雷雷顿顿循循环环T02341s应用用空空气气标标准准假假设设，，燃燃气气轮轮机机循循环环或或称称布雷雷顿顿循循环环可以以简简化化为为如如下下循循环环p02341热效效率率：：定义义：：热效效率率：：定压压加加热热理理想想循循环环的的热热效效率率取取决决于于压压气气机机中中绝绝热热压压缩缩的的初初态态温温度度和和终终态态温温度度，，或或说说取取决决于于压压缩缩比比燃气气轮轮机机装装置置定定压压加加热热理理想想循循环环-布布雷