1、第十、十一、十二章熱力裝置及其循環氣（氣體動力循環、蒸汽循環、制冷循環、熱泵循環）氣體動力循環一、目的及要求了解各種內燃機的熱力過程，掌握朗肯循環的熱力循環過程，了解制冷循環及熱泵循環的熱力過程。二、內容：10.1 分析動力循環的一般方法10.2 活塞式內燃機實際循環的簡化10.3 活塞式內燃機的理想循環10.4 活塞式內燃機各種理想循環的熱力學比較10.5 燃氣輪機裝置循環10.6 燃氣輪機裝置的定壓加熱實際循環10.7 簡單蒸汽動力裝置循環朗肯循環10.8 再熱循環及回熱循環10.9 制冷循環概況10.10 壓縮空氣與壓縮蒸汽制冷循環10.11 制冷劑的性質10.12 熱泵循環三、重點及難

2、點：10.1 掌握各種裝置循環的實施設備及工作流程。10.2 掌握將實際循環抽象和簡化為理想循環的一般方法，并能分析各種循環的熱力過程組成。10.3 掌握各種循環的吸熱量、放熱量、作功量及熱效率等能量分析和計算的方法。10.4 會分析影響各種循環熱效率的因素。10.5 掌握提高各種循環能量利用經濟性的具體方法和途徑。四、主要外語詞匯：sabeander cycle, diesel cycle, otto cycle, spark ignition, brayton cycle, gas turbine, rankine cycle, vapor, air standard assumption

3、s, refrigerator cycle, heat pump cycle五、本章節采用多媒體課件六、復習思考題及作業：1、試以活塞式內燃機和定壓加熱燃氣輪機裝置為例，總結分析動力循環的一般方法。2、活塞式內燃機循環理論上能否利用回熱來提高熱效率？實際中是否采用？為什么？3、燃氣輪機裝置循環中，壓縮過程若采用定溫壓縮可減少壓縮所消耗的功，因而增加了循環凈功，但在沒有回熱的情況下循環熱效率為什么反而降低，試分析之。4、干飽和蒸汽朗肯循環與同樣初壓下的過熱蒸汽朗肯循環相比較，前者更接近卡諾循環，但熱效率卻比后者低，如何解釋此結果？5、各種實際循環的熱效率，無論是內燃機循環、燃氣輪機裝置循環或是蒸

4、汽循環肯定地與工質性質有關，這些事實是否與卡諾定理相矛盾？6、蒸汽動力循環中，在動力機中膨脹作功后的乏氣被排入冷凝器中，向冷卻水放出大量的熱量q2，如果將乏汽直接送入汽鍋中使其再吸熱變為新蒸汽，不是可以避免在冷凝器中放走大量熱量，從而減少對新汽的加熱量q1，大大提高熱效率嗎？這樣的想法對不對？為什么？7、壓縮蒸氣制冷循環采用節流閥來代替膨脹機，空氣制冷循環是否也可以采用這種方法？為什么？8、壓縮空氣制冷循環采用回熱措施后是否提高其理論制冷系數？能否提高其實際制冷系數？為什么？作業：102，103，107，112，114，116，123，125第十章 氣體動力循環在學習本章過程中需要掌握三個問題

5、：1） 余隙容積對壓氣機產生什么影響？2） 壓縮比的影響如何？如有矛盾采用什么方法解決？3） 請說明多級壓縮級間冷卻原理？§101分析動力循環的一般方法動力裝置，制冷裝置和熱泵裝置統稱為熱力裝置。動力裝置的任務是將熱量通過能量不斷地從系統排向環境以使系統溫度降到所要求的某一低于環境溫度的水平，并使該系統溫度保持不變。熱泵裝置的任務則相反，是將熱量不斷地傳給系統以使系統溫度提高到所要求的某一高于環境溫度的水平，并使該系統溫度保持不變。在本章中主要給大家介紹動力循環中的內燃機及燃氣輪機的循環，及它們的熱力性能，揭示能量利用的完善程度和影響其性能的主要因素。動力裝置的實際工作循環是很復雜的

6、，定量的燃料究竟能產生多少機械能，這與很多實際因素有關。例如，燃燒狀況，溫差傳熱，摩擦損失，流動阻力，散熱損失等等，這些不可逆因素都會影響動力裝置的工作性能。對于各種動力裝置，不可逆轉到是普遍存在的，僅是影響程度不同而已，而且必須具體分析，才有實際意義。在氣體動力循環中目前所采用的步驟及方法可歸納如下：1） 將實際循環抽象成理想循環；例：將不可逆燃燒過程用可逆的吸熱過程來代替；將工質在發動機中的不可逆膨脹過程用可逆膨脹過程來代替，等等。2） 將簡化的理想可逆循環表示有p-v圖及T-s圖上；3） 對理想循環進行分析計算，即計算循環中有關狀態點的參數，與外界交換的熱量及功量，以及循環熱效率或工作系

7、數等等；4） 定性分析各主要參數對理想循環的吸熱量，放熱量，凈功量的影響，進而分析對循環熱效率的影響，提出提高熱效率的主要措施；5） 對理想循環的主要特點結果引入必要的修正；6） 對實際循環進行第一及第二定律分析，重點是第一定律分析。在4）中，可利用適用于理想氣體可逆循環的熱效率的平均溫度表達式來探討提高循環熱效率的途徑，即：（101）即要使熱效率增大，必須設法提高平均吸熱溫度、降低平均放熱溫度。在6）的討論中，應用熱力學第一定律進行能量轉換量的分析時有：其中： 不可逆循環中實際作功量和循環加熱量之比，為該循環的內部熱效率； 以T1為高溫熱源，To為低溫熱源時卡諾循環熱效率； 與實際循環相應的

8、內部可逆循環的熱效率； ()相對熱效率，是考慮了內部可逆理論循環因與高、低溫熱源存在溫差時造成的損失； 循環相對內部效率，是循環中實際功量和理論功量之比，反映了內部摩擦引起的損失。應用第二定律時，采用熵產及有效能損失的分析方法：即： （102）過程的熵產能反映過程不可逆性的程度及作功能力損失的大小，因此，對整個動力裝置逐一分析各設備的熵產，即可找出不可逆性程度最大的薄弱環節，指導實際循環的改善。同時，也以作功能力損失與循環最大作功能力之比表示損失的大?。浩渲?，分析循環的不可逆損失也可采用用方法，設備或系統的用效率用表示：用效率考慮了從供給能量的最大作功能力中獲得的效果，是從能量的質和量兩方面來

9、評價熱力系統熱力學完善程度的參數。§102活塞式內燃機實際循環的簡化1、活塞式內燃機的實際循環以四沖程的柴油機為例：在實際過程中，柴油機活塞運行如下：01：活塞右行的吸氣過程，到達1點（下死點），進氣閥關閉；12：活塞左行到上死點之前的2，柴油噴入汽缸；22：噴入的柴油需有一個滯燃期后才燃燒，且柴油機轉速較高，所以當活塞運行到接近上止點2時，柴油燃燒；23：燃料燃燒過程，接近定容過程，且活塞到達上死點3點后，準備右行；34：燃燒繼續進行，氣缸的內壓力幾乎不變，接近定容，在4點氣體溫度可達1700oC1800oC；45：活塞右行膨脹，實現高壓氣體膨脹作功，同時向氣缸夾套的冷卻水放熱，因

10、此為不完全絕熱過程。51：5點，氣體壓力約為0.30.5MPa，t500oC，排氣閥打開，此時氣缸內的壓力突然下降，因此接近定容過程；10：活塞左行，廢氣在壓力稍高于大氣壓時排向大氣，并完成一個循環。所以從以上分析看，實際的柴油機循環是比較復雜的，為了便于理論分析，必須忽略一些將要因素，引入“空氣標準假設”對實際循環加以合理的抽象和概括，并按照不同的燃燒方式歸納成三類理想循環：定容加熱理想循環、定壓加熱理想循環和混合加熱理想循環，也稱為：奧托循環、狹塞爾循環、薩巴德循環。這里所說的“空氣標準假設”是指：把實際開口循環看作是閉式的以空氣為工質的理想循環。2、活塞式內燃機的合理簡化歸納起來主要為：

11、1） 將燃料燃燒回執工質的過程看成是自然熱源吸入同樣數量的可逆加熱過程；排氣放熱過程看成向冷源放出同樣數量熱量的可逆放熱過程；2） 忽略實際過程中的摩阻及進、排氣閥的節流損失；以上將實際循環就理想化為一個定質量的閉口可逆循環；。3） 將有熱交換的壓縮及膨脹過程作可逆絕熱處理，以空氣性質代替燃氣性質，按定比熱容的理想氣體作熱力分析。所以理想的四沖程柴油機循環就簡化成右圖所示的p-v圖表示的過程：為簡化計算并提供一種往復式發動機的比較手段，工程界引進平均有效壓力的概念，用MEP表示，定義為：這里沖程指：上止點到下止點的距離。§103活塞式內燃機的理想循環1、混合加熱理想循環（定容燃燒定壓

12、燃燒）（薩巴德循環）（1）表征混合加熱循環的特征參數壓縮比：定容增壓比：定壓預脹比：（2）循環中各過程的熱量及功量：12：絕熱壓縮過程： 23：定容吸熱過程： 34：定壓吸熱過程： 45：絕熱膨脹過程：51：定容放熱過程：循環凈功： 若用特征參數表示，則進一步對上式進行簡化：12及45為定熵過程： 又 51時：將以上各溫度代入表達式中有：亦即，柴油機混合理想循環熱效率隨壓縮比和定容增壓比的增大而提高，隨預脹比的增大而降低。另外，受強度機械效率等實際因素的影響，柴油機的壓縮比不能任意提高，實際柴油機的壓縮比一般在=1320范圍內變化。2、定壓加熱理想循環（狹塞爾循環）（無定容加熱過程）如

13、7;102中介紹的高增壓柴油機，一邊膨脹，一邊燃燒，整個燃燒過程氣體壓力基本保持不變，省去1中23定容吸熱過程。如下圖所示。12，絕熱壓縮： 23，定壓加熱： 34，絕熱膨脹：41，定容放熱：用特征參數可表示為：即隨增大而增大，隨的增大而減小。3、定容加熱理想循環（奧托循環）如煤氣機、汽油機的燃燒過程可近似看成定容加熱。在循環中23為定容加熱過程：34為定熵膨脹過程：41為定容放熱過程：12為定熵壓縮過程：上式表明：定容加熱理想循環的熱效率依壓縮比而定，且隨的增大而提高，但由于汽油機在吸氣過程中吸入氣缸的是空氣 汽油的混合物，受混合氣體自燃溫度的限制，壓縮比又不能任意提高，一般限定在= 512

14、的范圍內；循環熱效率也與指數k有關，且k值隨氣體溫度增大而減小，使減低。例：內燃機定容加熱理想循環如圖所示。若已知壓縮初溫和循環的最高溫度，求循環凈功達到最大時T2、T4及此時熱效率各為多少？解：先尋找未知溫度T2、T4與已知溫度T1、T3之間的關系。過程12和過程34是定熵過程，于是：12：34：過程23及過程41為定容過程， 有 (1)而定容加熱循環時，循環凈功為：將（1）式代入上式，并要使循環凈功為最大時，則有：，即：有： 即： (2)將此結果代入（1）式得： 則此循環熱效率為：§104活塞式內燃機各種理想循環的熱力學比較對各種理想循環熱效率作比較時，必須要有一個共同的標準，一

15、般在初始狀態相同的情況下，分別以壓縮比、吸熱量、最高壓力和最高溫度相同作為比較基礎，且在Ts圖上最為簡便。1、相同壓縮比，相同吸熱量q1時的比較在右圖中：12341為定容加熱，122341為混合加熱，12341為定壓加熱。q1相同，即比較q2：定容過程：，混合過程：，定壓過程： 又 在上述結論中，回避了不同機型應彩不同壓縮比的問題，但實際上，由于采用不同的燃料，壓縮比應取不同值，顯然這一標準與實際情況不完全符合。2、最高循環壓力和最高循環溫度相同時的比較這種比較實質上是熱力強度和機械強度相同情況下的比較。在右圖中，12341是定容加熱理想循環；123341為混合加熱理想循環，12341為定壓加

16、熱理想循環。從圖中可以看出：.即：而： 所以有結論：在進氣狀態相同、循環的最高壓力和最高溫度相同的條件下，定壓加熱理想循環的熱效率最高，混合加熱理想循環次之，而定容加熱理想循環最低。這是符合實際的。事實上，柴油機的熱效率通常高于汽油機的熱效率。§106燃氣輪機裝置循環1、燃氣輪機裝置簡介燃氣輪機的動力裝置由壓氣機、燃燒室和燃氣機三個基本部件人組成，和內燃機循環中各個過程都在氣缸內不同，燃氣輪機裝置中工質在不同設備間流動完成循環。其簡單流程如圖所示：空氣首先進入壓氣機內，壓縮到一定壓力后送入燃燒室，和噴入的燃油混合后進行燃燒，產生高溫燃氣，并與燃燒室剩余空氣混合后，進入燃氣輪機的噴管，

17、膨脹加速而沖擊燃氣輪機的葉片對外作功。作功后的廢氣排入大氣。而燃氣輪機所作功的一部分用于帶動壓氣機，其余部分（稱為凈功）對外輸出，用于帶動發電機或其它負載。燃氣輪機是一種旋轉式熱力發動機，設有往復運動部件以及由此引起的不平衡性力，故可以設計成很高的轉速，并且工作過程是連續的。因此，它可以在重量和尺寸都很小的情況下發出很大的功率。目前，燃氣輪機裝置在航空器、艦船、機車、峰負電站等部門得到廣泛應用。2、燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環 布雷頓循環12：絕熱壓縮（壓氣機）23：定壓加熱（燃燒室）34：絕熱膨脹（燃氣輪機）41：定壓放熱其熱效率：循環吸收的熱量：循環放出的熱量：又 則由各過程特征有： 上式

18、表明：布雷頓循環的熱效率取決于循環增壓比，且隨的增大而提高。而對于增壓比的選擇還應考慮它對循環凈功的影響。循環凈功的求法如下：又上式表明：在一定溫度范圍T1、T3骨，循環凈功量僅僅是增壓比的函數，將循環凈功對增壓比求導并令導數為零，即：則得使循環凈功達到最大值時的最佳增壓比為：此時：由此可得：對布雷頓循環，值增大，可使提高，而為了獲得最大凈功，又存在最佳的值。因此，在選擇燃氣輪機裝置增壓比時，熱效率與循環凈功必須兼顧，以使既有較好的效率，又能提供較多的循環凈功。§107燃氣輪機裝置的定壓加熱實際循環燃氣輪機實際循環的各個過程都存在不可逆因素帶來的損失，這里主要考慮壓氣機和燃氣輪機內部

19、的不可逆損失。因為工質流經它們時，通常流速很高，這時流體之間、液體和流道之間的摩擦損失再不能忽略，所以流經它們的過程是不可逆絕熱過程，其循環見右圖中1234所示。為考慮不可逆因素對循環性能的影響，引入壓氣機絕熱效率與燃氣輪機相對內效率來修正。它們的定義分別為： 而實際循環的吸熱量為：實際循環的放熱量為：實際循環的凈功為：實際循環的熱效率可利用已求得的、或求得：即：為了要分析影響循環熱效率的因素，經過推導，當工質比熱容為定值時，實際循環的熱效率又可寫成：從上式可以看出：（1）提高增溫比可提高循環熱效率。但T1取決于大氣溫度，而T3受金屬材料耐熱性能的限制，與冶金工業和材料科學的發展密切相關。目前

20、采用高溫合金及氣膜冷卻等措施，T3已高達1200K到1300K。從循環特性參數方面來講，這也是提高循環熱效率的主要方向；（2）提高和，可提高循環熱效率。、主要取決于壓氣機和燃氣輪機葉片之間氣流通道的設計及加工，目前水平為、；（3）影響實際循環熱效率的因素除、外，還有增壓比。對一定的、，開始時循環熱效率隨的增加而增大，但達到某一最大值后反而隨的增加而降低。有最佳值問題。從以上分析可看出，影響燃氣輪機裝置實際循環熱效率的因素，與理想循環有顯著差別。§108提高燃氣輪機熱效率的其它措施在增溫比和增壓比確定后，進一步提高燃氣輪機裝置的循環熱效率必須改變循環，重新組織、安排過程。其中，最有效的

21、措施有：（1）采用回熱；（2）在回熱基礎上，分級壓縮中間冷卻，分級膨脹中間再熱。這些措施，無論是對燃氣輪機裝置的實際循環，還是理想循環，都是有效的。下圖即為具有回熱裝置的燃氣輪機裝置的實際循環，分析（a）所示的實際循環12341，注意到燃氣輪機排氣溫度T4通?？偸歉哂趬簹鈾C出口T2，循環加熱和放熱過程的溫度變化范圍有交叉。利用這個溫度交叉段增設回熱器，進行內部回熱，就可以達到提高循環平均吸熱溫度和降低循環平均放熱溫度的目的，從而提高循環的熱效率。在回熱器中，若燃氣被冷卻到可能的最低溫度T6（T2），壓縮空氣被加熱到可能的最高溫度T5（T4），則這種理想情況稱為極限回熱，極限回熱雖然對提高裝置的

22、內部效率最為有效，但由于傳熱必須有溫差，因此無法實現。我們用回熱度來表示實際的回熱程度，其定義為實際回熱量與理想回熱量的比值，即：通常。在對采用了回熱措施的循環進行能量分析和計算時要注意吸熱過程、放熱過程初、終態變化，至于計算方法與不采用回熱時相同。例：燃氣輪機裝置循環的Ts圖如下圖所示，若工質視為空氣，空氣進入壓氣機的溫度為，壓力為100KPa，循環增壓比5，燃氣輪機進口溫度為，且壓氣機絕熱效率，燃氣輪機相對內效率，空氣的質量流量為。試計算：在理想極限回熱時，及由于回熱器有溫差傳熱、回熱度時，實際循環輸出凈功率和循環熱效率各為多少？解：（1）首先確定各點的狀態：點1：點2：點2： 點3：點4

23、：點4： 點5：點5： 由得：點6：點6：由得： （2）理想極限回熱時，實際循環的凈功率及熱效率：循環吸熱量為：循環放熱量為：循環凈功率為：循環熱效率為：（3）回熱度為0.65時，實際循環的凈功率及熱效率：不完全回熱時，循環的吸熱量為：循環放熱量為：循環凈功率為：循環熱效率為：可見采用回熱時，循環凈功率不隨回熱度的改變而改變，但循環熱效率隨回熱程度的加大而增大。第十一章 蒸汽動力循環裝置水蒸氣是工業上最早使用來作為動力機的工質。在蒸汽動力裝置中水時而處于液態，時而處于氣態。因而蒸汽動力裝置循環不同于氣體動力循環。此外，水和水蒸氣不能燃燒，只能從外界吸收熱量，所以蒸汽循環必須配備鍋爐，因此裝置設

24、備也不同于氣體動力裝置。由于燃燒產物不參與循環，故而蒸汽動力裝置可利用各種燃料，如煤、渣油，甚至可燃垃圾。§111簡單蒸汽動力裝置循環 朗肯循環1、工質為水蒸氣的卡諾循環由第二定律可知，在相同溫限內卡諾循環的熱效率最高，而采用氣體作工質的循環中，定溫過程（加熱及放熱）難以實現，并且氣體絕熱線及等溫線在p-v圖上斜率接近，因此有較小。在采用蒸汽做工質時，由于水的汽化和凝結，當壓力不變時溫度也不變，因而有了定溫放熱和定溫吸熱的可能。又因為定溫即是定壓，其在p-v圖上與絕熱線斜率相差較大，因而可提高，所以蒸汽機原則上可采用卡諾循環，如圖中56785所示。而實際的蒸汽動力裝置中不采用上凍循環

25、，其主要原因有以下幾點：1） 在壓縮機中絕熱壓縮85過程難以實現；2） 徨僅局限于飽和區，上限溫度受臨界溫度的限制，故即使實現卡諾循環，其熱效率也不高；3） 膨脹末期，濕蒸汽干度過小，含水分甚多，不利于動力機安全。所以，實際蒸汽動力循環均以朗肯循環為其基礎。2、朗肯（Rankine）循環朗肯循環是最簡單也是最基本的蒸汽動力循環，它由鍋爐、汽輪機、冷凝器和水泵4個基本的、也是主要的設備組成。右圖中為該裝置的示意圖。水在鍋爐中被加熱汽化，直至成為過熱蒸汽后，進入汽輪機膨脹作功，作功后的低壓蒸汽進入冷凝器被冷凝成水，凝結后的水在水泵中被壓縮升壓后，再回到鍋爐中，完成一個循環。為了突出主要矛盾，分析主

26、要參數對循環的影響，與前述循環一樣，首先對實際循環進行簡化和理想化，略去摩阻及溫差傳熱等不可逆因素，理想化后的循環由右圖(a)所示的熱力過程組成，對應的T-s圖如圖(b)所示。朗肯循環的能量分析與計算如下：循環的吸熱量：循環的放熱量：水蒸氣流經汽輪機時，對外作出的功為：水在水泵中升壓所消耗的功為：由于水的不可壓縮性，在壓縮過程中的容積變化可以忽略。水泵中升壓，因此泵功可以用下式近似計算：那么循環熱效率為：由于水泵耗功相對于汽輪機作出的功而言極小，這樣熱效率可近似表示為：而以上各點的參數可由已知條件查水和水蒸氣熱力性質圖或表得到。3、有摩阻的實際循環實際上，蒸汽動力裝置中全部過程都是不可逆過程，

27、尤其是蒸汽經過汽輪機的絕熱膨脹與理想可逆過程的差別較為顯著，在以下討論中，僅僅考慮到汽輪機中有摩阻損耗的實際循環。所以在Ts圖中，原來的可逆絕熱過程12由不可逆絕熱過程12act所代替，則蒸汽經過汽輪機時實際所作技術功為： 少作的功為冷凝器中多排出的熱量用表示汽輪機內蒸汽實際作功與理論作功之比，稱為汽輪機的相對內效率，即： 理想絕熱焓降，實際循環凈功為： 水泵功較小，可忽略：用（內部循環熱效率）來表示蒸汽在實際循環中所作的循環凈功與循環中熱源所供給的熱量之比：用表示機械效率，則軸功為：軸功率為： 蒸汽耗量4、提高蒸汽動力循環熱效率的途徑和方法（1）蒸汽參數對熱效率的影響可通過提高蒸汽初態壓力、

28、初溫，降低終參數的辦法來提高。當循環初壓提高（見圖114P300）時，循環的平均溫差增大。因此熱效率提高。提高蒸汽初溫（見圖113P300），此時：增加循環的高溫加熱段，使循環溫差增大，提高了熱效率；提高初溫，可使終態2的干度增大，這對提高汽輪機的相對內效率和延長汽輪機的壽命有利，而降低背壓，也是為了增加循環溫差。然而，初溫度的提高受到金屬材料耐高溫性的限制；終壓的降低受到環境溫度的限制；在初溫提高受到限制的條件下，提高初壓又會引起排氣干度的降低，危及汽輪機的運行安全。因此引出再熱循環和回熱循環，希望通過過程的合理組織，提高能量利用的經濟性。（2）再熱循環所謂再熱循環，就是蒸汽在汽輪機中膨脹到

29、某一中間壓力時全部引出，進入到鍋爐再熱器中再次加熱，然后再全部回到汽輪機內繼續膨脹作功，再循環的示意圖及在Ts圖上的表示如圖所示。忽略泵功時，再熱循環所作的功為：循環加熱量：再熱循環熱效率：從上圖的Ts圖中可以看出，選擇合適的再熱壓力，不僅可以使乏汽干度得到提高，而且由于附加循環25622提高了整個循環的平均吸熱溫度，因此還可以使循環熱效率得到提高。依據計算及運行經驗，最佳中間再熱壓力一般在蒸汽初壓力的20%30%之間。（3）回熱循環分析朗肯循環熱效率不高的原因，主要是平均吸熱溫度不高。而平均吸熱溫度不高的主要原因在于對水加熱這一段的溫度較低。為了消除或減少這一不利因素的影響，可以利用一部分作過功的蒸汽不加熱給水，即采用抽汽回熱的辦法回熱給水。采用一級抽汽、混合式給水加熱器的回熱循環，如圖所示，顯然，由于采用了抽汽回熱，工質在熱汽（鍋爐）中的吸熱從朗肯循環的41變到51，從而使平均吸熱溫度得到了提高。另外，還可用解析的方法，把一級抽汽回熱循環的熱效率與無回熱的朗肯循環熱效率