第十章　气体动力循环

工程热力学课程名称：工程热力学授课对象：南华大学核反应堆工程专业责任教师：李小华所属教研室：核反应堆工程系教研室办公地点：南华大学核科学技术学院办公楼405室Email:lxh4780319@sohuTEL十章气体动力循环第十章气体动力循环教学目标：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；活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较；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；燃气轮机装置循环的分析方法，提高燃气轮机装置循环效率的方法和途径。难点：实际循环简化成理想循环的方法；提高燃气轮机装置循环效率的方法和途径。热力装置动力装置—正循环

输入热,通过循环输出功

制冷装置—逆循环输入功量（或其他代价），从低温热源取热热泵装置—逆循环输入功量（或其他代价），向高温热用户供热0)压气机10.0热力装置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。1)分析循环的目的10.1循环分析的目的与一般方法1、将实际循环抽象和简化为理想循环任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的，且十分复杂。为了进行热力分析，需要建立实际循环相对应的热力学模型，即可理想的可逆循环代替实际不可逆循环。如将实际不可逆的燃烧过程简化为可逆的吸热过程…2、将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上3、对理想循环进行分析计算计算循环中有关状态点（如最高压力点、最高温度点）的参数，与外界交换的热量、功量以及循环热效率或工作系数。2)分析循环的方法与步骤：10.1循环分析的目的与一般方法4、对理想循环进行分析计算动力循环的热效率：5、定性分析各主要参数对理想循环的吸热量、放热量及净功量的影响，进而分析对循环热效率（或工作系数）的影响，提出提高循环热效率（或工作系数）的主要措施。平均温度分析法：2)分析循环的方法与步骤：10.1循环分析的目的与一般方法6、对理想循环的计算结果引入必要的修正

考虑实际存在的不可逆性对理想循环的结果进行修正。7、对实际循环进行热力学第二定律分析熵分析火用分析2)分析循环的方法与步骤：10.1循环分析的目的与一般方法——工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净功动力循环：以获得功为目的——正向循环1)动力循环研究目的和分类10.2活塞式内燃机循环

内燃机

t1=2000oC，t2=300oC

tC=74.7%实际t=30~40%

卡诺热机只有理论意义，最高理想实际上

T

s

很难实现

火力发电

t1=600oC，t2=25oC

tC=65.9%实际t=40%回热和联合循环t

可达50%1)动力循环研究目的和分类10.2活塞式内燃机循环实际循环与卡诺循环按工质空气为主的燃气按理想气体处理蒸汽动力循环：外燃机水蒸气等实际气体气体动力循环：内燃机，燃气轮机1)动力循环研究目的和分类10.2活塞式内燃机循环按结构活塞式叶轮式小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船移动电站汽油机点燃式，压燃式汽车，摩托，小型轮船按燃料航空，大型轮船，移动电站柴油机煤油机航空按点燃方式：按冲程数：二冲程，四冲程2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环锅炉汽轮机发电机给水泵凝汽器12342)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环山东莱动内燃机L475L480型柴油机

2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环活塞式汽车发动机构造1-火花塞2-气缸盖3-出水口4-气缸5-活塞6-水套7-水泵8-活塞销9-进水口10-连杆11-飞轮12-曲轴13-机油管14-曲轴箱15-机油泵16-曲轴正时齿轮17-凸轮正时齿轮18-凸轮轴19-排气管20-进气管21-进气门22排气门23-化油器2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环汽油机动力循环2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环活塞9-53一現代噴射引擎用以驅動波音777，此為Pratt&Whitney

PW4084渦輪風扇，具有產生84,000磅的推力。其為4.87m(1.92in)長，具有一

2.84cm(112in)直徑的風扇，且其重量為6800kg(15,000lbm)。2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环航空发动机pv0Atmosphere火花塞举例:汽油机的工作循环2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞2)气体动力循环分类10.2活塞式内燃机循环举例:汽油机的工作循环3)实际工作循环的抽象与简化10.2活塞式内燃机循环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。空气、油废气吸气压缩，喷油燃烧膨胀作功排气4)四冲程柴油机工作原理10.2活塞式内燃机循环1230—1吸空气pV一般n=1.34~1.37柴油自燃t=335℃p02’01—2’

多变压缩p2’=3~5MPat2’=600~800℃2’

喷柴油2

开始燃烧2—3迅速燃烧，近似Vp↑5~9MPa4)四冲程柴油机工作原理10.2活塞式内燃机循环1、四冲程高速柴油机工作过程(P-V图)453—4边喷油，边膨胀123pVp01’2’0t4可达1700~1800℃4

停止喷柴油4—5多变膨胀V近似膨胀pp5=0.3~0.5MPat5500℃5—1’开阀排气，降压1’—0活塞推排气,完成循环4)四冲程柴油机工作原理10.2活塞式内燃机循环1、四冲程高速柴油机工作过程(P-V图)实际动力循环非常复杂不可逆，多变指数变化，燃烧等工程热力学研究方法，先对实际动力循环进行抽象和理想化，形成各种理想循环进行分析，最后进行修正。4)四冲程柴油机工作原理10.2活塞式内燃机循环1、四冲程高速柴油机工作过程(P-V图)四冲程高速柴油机（混合加热循环）（压燃式）4)四冲程柴油机工作原理10.2活塞式内燃机循环2、活塞式内燃机实际循环简化123451.

工质pVp01’2’0工质数量不变定比热理想气体(空气)P-V图p-v图2.

0-1和1’-0抵消开口闭口循环3.排气向外界放热(定容)4.燃烧外界加热5.

多变绝热6.

不可逆可逆4)四冲程柴油机工作原理10.2活塞式内燃机循环2、活塞式内燃机实际循环简化12345pvV12345pp01’2’01)混合加热理想循环（萨巴德循环）10.3活塞式内燃机的理想循环（高速柴油机）1234512345pvTs1)混合加热理想循环（萨巴德循环）10.3活塞式内燃机的理想循环分析循环吸热量，放热量，热效率和功量12345Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率1)混合加热理想循环（萨巴德循环）10.3活塞式内燃机的理想循环混合加热理想循环的计算12345pv压缩比定容增压比定压预胀比反映气缸容积反映供油规律1)混合加热理想循环（萨巴德循环）10.3活塞式内燃机的理想循环定义几个指标性参数12345Ts热效率过程方程式1)混合加热理想循环（萨巴德循环）10.3活塞式内燃机的理想循环理想混合加热循环的计算12345Ts热效率1)混合加热理想循环（萨巴德循环）10.3活塞式内燃机的理想循环理想混合加热循环的计算1、当

、不变受气缸材料限制一般柴油机潜艇用氦气，k=1.661)混合加热理想循环（萨巴德循环）10.3活塞式内燃机的理想循环各因素对混合加热循环的影响2、当不变注意：图示的研究方法不必记忆的复杂式12345pv1)混合加热理想循环（萨巴德循环）10.3活塞式内燃机的理想循环各因素对混合加热循环的影响12345pv1234pv柴油机，压燃式高增压低速柴油机压燃式2)定压加热循环（狄塞尔Diesel循环)10.3活塞式内燃机的理想循环各因素对混合加热循环的影响高速柴油机与低速柴油机循环图示1234pv1234Ts2)定压加热循环（狄塞尔Diesel循环)10.3活塞式内燃机的理想循环定压加热循环（狄塞尔Diesel循环)1234Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率2)定压加热循环（狄塞尔Diesel循环)10.3活塞式内燃机的理想循环定压加热循环的计算热效率当

不变当

不变已被淘汰2)定压加热循环（狄塞尔Diesel循环)10.3活塞式内燃机的理想循环12345pv1234pv柴油机，压燃式汽油机，点燃式3)定容加热循环（奥图OTTO循环)汽油机（点燃式）10.3活塞式内燃机的理想循环柴油机与汽油机动力循环图示12341234pvTs3)定容加热循环（奥图OTTO循环)汽油机（点燃式）10.3活塞式内燃机的理想循环1234Ts吸热量放热量(取绝对值）热效率3)定容加热循环（奥图OTTO循环)汽油机（点燃式）10.3活塞式内燃机的理想循环定容加热循环的计算汽油易爆燃一般汽油机一般柴油机效率高于汽油机的效率但汽油机小巧3)定容加热循环（奥图OTTO循环)汽油机（点燃式）10.3活塞式内燃机的理想循环定容加热循环的计算1234Ts热效率3)定容加热循环（奥图OTTO循环)汽油机（点燃式）10.3活塞式内燃机的理想循环定容加热循环的计算压缩比吸热量反映气缸结构尺寸、工艺材料反映作功量（马力）最高压力反映材料耐压、壁厚、成本最高温度反映材料耐温比较的对象：混合加热，定容加热，定压加热1)比较的条件10.4活塞式内燃机循环比较Ts平均温度法3m4m123v4v3p4p1)比较的条件10.4活塞式内燃机循环比较ε和q1相同Ts相等12v342m2p1)比较的条件10.4活塞式内燃机循环比较pmax和Tmax相同航空发动机尖峰电站移动电站大型轮船1)勃雷顿循环（BraytonCycle）用途10.4燃气轮机装置循环2)燃气轮机装置简介10.4燃气轮机装置循环2)燃气轮机装置简介10.4燃气轮机装置循环CombustionchamberAirinExhaustgases

GasturbineFuel124CompressorGeneratorElectricity31800-2300K2)燃气轮机装置简介10.4燃气轮机装置循环燃气轮机装理想化循环置示意图循环图pv1234Ts12342)燃气轮机装置定压加热理想循环－布雷顿循环10.4燃气轮机装置循环Ts1234吸热量：放热量：热效率：2)燃气轮机装置定压加热理想循环－布雷顿循环10.4燃气轮机装置循环2.布雷登循环的计算Ts1234热效率：热效率表达式似乎与卡诺循环一样2)燃气轮机装置定压加热理想循环－布雷顿循环10.4燃气轮机装置循环2.布雷登循环的计算Ts1234热效