1、1,1,第九章 气体动力循环 Gas power cycles,9-1 分析动力循环的一般方法,9-2 活塞式内燃机实际循环的简化,9-3 活塞式内燃机的理想循环,9-4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较,9-6 燃气轮机装置循环,9-7 燃气轮机装置定压加热实际循环,2,工程热力学的研究内容,1、能量转换的基本定律,2、工质的基本性质与热力过程,3、热功转换设备、工作原理,4、化学热力学基础,3,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：将热量不断地传给系统使系统
2、温度提高到所要求的某一高于环境温度的水平。,热力装置,4,4,汽车发动机PV图,91 分析动力循环的一般方法,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，合理安排循环，提高热效率，寻求提高经济性的方向及途径。,5,动力循环的分类,按工质,气体动力循环：内燃机,蒸汽动力循环：外燃机,空气为主的燃气,按理想气体处理,水蒸气等实际气体,internal combustion engine,external combustion engine,6,气体动力循环分类,按结构,活塞式,叶轮式,汽车，摩托，小型轮船,航空，大型轮船，移动电站,piston engine,Gas
3、 turbine cycle,7,气体动力循环分类,小型汽车，摩托,中、大型汽车，火车，轮船，移动电站,汽油机 petrol (gasoline) engine,按燃料,柴油机 diesel engine,煤油机 kerosene oil engine,航空,8,气体动力循环分类,点燃式 spark ignition,按点燃方式：,按冲程数：,四冲程 four-stroke,压燃式 compression ignition,二冲程 two-stroke,9,9,返回,10,10,二、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
4、素和可能的改进途径,实际循环,指导改善,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,11,11,三、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,12,12,四、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,与实际循环相当的内可逆循环的热效率,相对内部效率(internal engine efficiency)
5、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,13,13,五、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,14,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,1活塞式内燃机循环特点,92 活塞式内燃机实际循环的简化,一、活塞式内燃机(internal
6、combustion engine)简介,15,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,进气阀门打开,16,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,开始进气,17,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,进气压力稍低于大气压,18,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,活塞右行,19,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,进气过程缸内气体容积增加,20,p,v,0
7、,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,进气过程缸内气体质量增加,21,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,进气完成,22,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,进气阀门关闭,23,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,压缩开始,24,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,压力上升,25,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cyc
8、le,活塞左行,26,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,气体比容减小,27,2,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,点火,28,2,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,开始燃烧,29,2,p,v,0,火花塞,Atmosphere,Gasoline engine cycle,迅速燃烧，压力上升,30,3,2,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,迅速燃烧，近似定容,31,3,2,p,v,0,火花塞,
9、Atmosphere,Gasoline engine cycle,燃烧结束，膨胀开始,32,3,2,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,活塞右行,33,3,2,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,压力下降,34,3,2,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,比容增大,35,3,2,4,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,膨胀结束,36,3,2,4,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasol
10、ine engine cycle,排气阀门打开，压力稍降,37,3,2,4,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,活塞左行，排气开始,38,3,2,4,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,排气压力稍高于大气压,39,3,2,4,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,气缸内气体减少,40,3,2,4,p,v,0,Atmosphere,火花塞,Gasoline engine cycle,排气结束,41,3,2,4,p,v,0,Atmosphere,火花塞
11、,Gasoline engine cycle,排气阀门关闭，循环结束,42,42,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。,活塞式内燃机循环特点,43,1,2,3,4,5,1. 工质,p,V,p0,1,2,0,工质数量不变,定比热理想气体,P-V图p-v图,2. 0-1和1 -0抵消,开口闭口循环,3. 燃烧外界加热,4. 排气向外界放热,5. 多变绝热,6. 不可逆可逆,二、活塞式内燃机循环的简化,44,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
12、源可逆定容及定压的吸热过程；忽略实际过程摩擦阻力及进、排气阀节流损失；膨胀和压缩过程忽略热交换，简化为可逆绝热过程。,45,45,三、平均有效压力(mean effective pressure),46,46,01 吸气12 压缩23 喷油、燃烧34 燃烧45 膨胀作功50 排气,简化：引用空气标准假设,燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热,排气5-1等容放热,压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程,吸、排气线重合、忽略,燃油质量忽略,93 活塞式内燃机的理想循环,一、混合加热理想循环 （dual combustion cycle）,燃气成分改变忽略,47,理想混合加热循环（萨巴德循环）,1,2,3,
13、4,5,1,2,3,4,5,p,v,分析循环吸热量，放热量，热效率和功量,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,s,s,48,48,1. p-v图及T-s图,特性参数：,压缩比(compression ratio),定容增压比(pressure ratio),定压预胀比 (cutoff ratio),反映气缸容积,49,49,2. 循环热效率,50,50,利用,表示,51,51,两式相除，考虑到,把T2、T3、T4和T5代入,求,52,各因素对混合加热循环的影响,a) 当 、 不变,受气缸材料限制 一般柴油机,潜艇用氦气，k =1.66,压缩比,53,
14、53,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图分析循环较方便。 c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。,图示的研究方法,不必记忆 的复杂式,定容增压比,定压预胀比,54,柴油机与低速柴油机循环图示,1,2,3,4,5,p,v,1,2,3,4,p,v,柴油机，压燃式,低速柴油机，压燃式,55,55,二、定压加热理想循环(狄塞尔Diesel cycle),56,56,讨论：,c) 重负荷（，q1 ）时 内部热效率下降，除 外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降,57,柴油机与汽油机动力循环图示,1,2
15、,3,4,5,p,v,柴油机，压燃式,汽油机，点燃式,58,58,三、定容加热理想循环(奥托Otto cycle),59,59,60,60,讨论：,c ) 重负荷（q1 ）时内部热效率下降，因温度上升使 ，造成热效率下降,61,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,62,比较的条件,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,94 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较,63,63,一、压缩比相同，吸热量相同时的比较,或,64,64,二、循环pmax、Tmax相同时的比较,或,例9-1,例
16、A447277,65,65,已知柴油机混合加热理想循环p1=0.17 MPa、t1=60，压缩比=14.5，气缸中气体最大压力10.3 MPa，循环加热量q1 = 900 kJ/kg。设工质为空气，比热容为定值并取cp = 1004 J/(kgK)，cV = 718 J/(kgK)，=1.4；环境温度t0= 20，压力p0=0.1 MPa。试分析该循环并求循环热效率及火用效率。,解： 由已知条件 p1=0.17 kPa、T1=333.15 K,点1：,点2：,例9-1,66,66,1-2是定熵过程，有,点3：,67,67,点4：,=10.3 MPa，,所以,点5：,68,68,或,在吸热过程中
17、空气工质熵增为,69,69,所以平均吸热温度为,循环吸热量中的可用能：,循环火用效率,返回,70,70,若使活塞式内燃机按卡诺循环运行，并设其温度界限与下图所示混合循环相同，试从工程实践角度比较两个循环，已知： p1 = 0.17 MPa，T1 = 333 K，p4 = 10.3 MPa，T4 =1 985 K，v2 = 0.038 7 m3/kg,A447277,71,71,解：,72,72,2）pb=0.019 9 MPa，压力太低，真空状态难以维持；,3）,4）活塞从 ab移动距离太长，摩擦损耗太大，虽然每循环理论wnet增大，但实际收效甚少。,从工程实用角度出发：,1）pa= 87.9
18、 MPa，压力太高；,体积变化太大,返回,73,73,9-6 燃气轮机装置循环,一、燃气轮机(gas turbine)装置简介,小型燃气轮机,74,74,轴流式燃气轮机,75,75,76,76,77,77,78,78,构成 压气机(compressor) 燃烧室(combustion chamber) 燃气轮机(gas turbine),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的绝大部分功率，但功率重量比 (specific weight of engine)仍较大。,用途:飞机、舰船的动力载荷机
19、组，电站峰荷机组(peak-load set) 等。,79,79,二、定压加热理想循环(布雷顿循环)（constant-pressure combustion cycle， Brayton cycle）,1-2 等熵压缩（压气机内）,2-3 定压吸热（燃烧室内）,3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）,4-1 定压放热（排气，假想换热器）,循环增压比（pressure ratio）,循环增温比（temperature ratio）,80,80,1.热效率t,注意：式中T1、T2并非指高温 热源，低温热源。,81,81,2.分析,？,结论：与有关，与 无关,82,82,83,83,可见： 1）对于每一，
20、均有一， 其wwnet,max,2）上升，即T3上升，使取得wnet,max 的 上升，t上升，所以提高T3 能带动wnet,max 及t同时升高。,84,84,97 燃气轮机装置定压加热实际循环,1-2 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀； 4-1 定压放热。,一、定压加热的实际循环,85,85,二、压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency) 和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency),燃气轮机相对内效率,压气机绝热效率,86,86,三、燃气轮机装置的内部热效率 (internal thermal efficiency)i,整理,87,87,讨论：,增大是提高燃气轮机装置性能（wnet，i）的方向。,
