1、第十章第十章 氣體動力循環氣體動力循環熱能工程教研室For the rest of the semester.qLook at different cycles that approximate real processesqYou can categorize these processes several different waysqPower Cycles vs RefrigerationqGas vs VaporqClosed vs openqInternal Combustion vs External Combustion熱能工程教研室Power CyclesqSubject o

2、f Chapters 10 and 11qSabeander Cycle (薩巴德循環薩巴德循環)qDiesel Cycle （狄賽爾循環）（狄賽爾循環）qOtto Cycle (奧托循環奧托循環)qSpark Ignition 內燃機內燃機qBrayton Cycle （布雷頓循環）（布雷頓循環）q Gas Turbine 燃氣輪機燃氣輪機qRankine Cycle（朗肯循環）（朗肯循環）qVapor 蒸汽輪機蒸汽輪機熱能工程教研室10-110-1分析動力循環的一般方法分析動力循環的一般方法目的：目的：在熱力學基本定律的基礎上分析動力循環的能量在熱力學基本定律的基礎上分析動力循環的能量轉換

3、的經濟性，尋求提高經常性的方向和途徑。轉換的經濟性，尋求提高經常性的方向和途徑。步驟：步驟：2）分析實際循環與可逆理論循環的偏離）分析實際循環與可逆理論循環的偏離偏離部件、大小、原因及改進辦法偏離部件、大小、原因及改進辦法1）將實際循環抽象成可逆的理論循環）將實際循環抽象成可逆的理論循環熱能工程教研室Real vs. IdealvpActual cycleIdeal cycle熱能工程教研室分析動力循環的一般方法分析動力循環的一般方法氣體動力循環：氣體動力循環：方法：方法： 1 1）第一定律分析法）第一定律分析法量的角度量的角度2 2）第二定律分析法）第二定律分析法品質的角度品質的角度3）“空

4、氣標準空氣標準”假假設設燃燒燃燒從高溫熱源吸熱從高溫熱源吸熱排氣排氣向低溫熱源放熱向低溫熱源放熱工作流體工作流體理想氣體理想氣體氣體性質氣體性質與空氣相同與空氣相同熱能工程教研室Air-Standard AssumptionsqAir continuously circulates in a closed loop and behaves as an ideal gasqAll the processes are internally reversibleqCombustion is replaced by a heat-addition process from the outsideqHe

5、at rejection replaces the exhaust process熱能工程教研室Cold Air Standard Assumptions Also assume a constant value for Cp, evaluated at room temperature熱能工程教研室提高循環效率的途徑：提高循環效率的途徑：提高循環中工質的平均吸熱溫度提高循環中工質的平均吸熱溫度降低循環中工質的平均放熱溫度降低循環中工質的平均放熱溫度循環不可逆因素：循環不可逆因素：散熱，泄漏散熱，泄漏內部摩擦，外部溫差傳熱內部摩擦，外部溫差傳熱分析動力循環的一般方法分析動力循環的一般方法熱能工

6、程教研室內部熱效率。實際做功量和循環加熱量內部熱效率。實際做功量和循環加熱量之比之比TocTti=1 T0/T1, 高低熱源間卡諾循環熱效率高低熱源間卡諾循環熱效率(T1和和T0間的間的Carnot循環循環)與實際循環相應的內部可逆循環熱效率與實際循環相應的內部可逆循環熱效率(T1和和T2間的實際循環間的實際循環)循環相對內部效率。循環中實際功量與理循環相對內部效率。循環中實際功量與理論功量之比。反映內部摩擦引起的損失。論功量之比。反映內部摩擦引起的損失。 (T1和和T2間的實際循環間的實際循環)1）循環效率法）循環效率法 i： c: t: T:T1T0q1q2wq1T1T2q2 o:相對內效

7、率；相對內效率；= t/ c；外部溫差換熱引起；外部溫差換熱引起的不可逆損失的不可逆損失分析動力循環的一般方法分析動力循環的一般方法熱能工程教研室2）第二定律分析法）第二定律分析法A. 熵分析法熵分析法njgSTI10做功能力損失與循環的熵產有關做功能力損失與循環的熵產有關做功能力損失與循環最大做功能力之比表示損失大小做功能力損失與循環最大做功能力之比表示損失大小max/WII110max1QTTWB. Ex分析法分析法設備或系統的設備或系統的Ex效率效率ExExEx提供的有效分析動力循環的一般方法分析動力循環的一般方法熱能工程教研室Ideal CyclesqWell be using ide

8、al cycles to analyze real systems, so lets start with the only ideal cycle weve studied thus farCarnot Cycle熱能工程教研室Ts DiagramTS121-2 Isothermal Heat Addition32-3 Isentropic Expansion43-4 Isothermal Heat Rejection4-1 Isentropic Compression TdSQ熱能工程教研室P v DiagramPv4-1 Isentropic Compression121-2 Isoth

9、ermal Heat Addition32-3 Isentropic Expansion3-4 Isothermal Heat Rejection4pdVW熱能工程教研室AndqSince it is a cycleth CarnotLHTT, 1qQ-W=0 Q=WqIn addition, we know that the efficiency for a Carnot Cycle is:熱能工程教研室WQWnet = Qnet熱能工程教研室Carnot Cycle is not a good model for most thingsqFor exampleqInternal combu

10、stion engineqGas turbineqWe need to develop a new model, that is still ideal熱能工程教研室10-2 10-2 活塞式內燃機實際循環的簡化活塞式內燃機實際循環的簡化活塞式內燃機的分類：活塞式內燃機的分類：使用燃料使用燃料煤氣機煤氣機汽油機汽油機柴油機柴油機點火方式點火方式點燃式點燃式壓燃式壓燃式（煤氣機、汽油機）（煤氣機、汽油機）（柴油機）（柴油機）沖程沖程四沖程四沖程二沖程二沖程(進氣進氣,壓縮壓縮,燃燒膨脹燃燒膨脹,排氣排氣)(進氣進氣-壓縮壓縮-燃燒膨脹燃燒膨脹,排氣排氣)熱能工程教研室熱能工程教研室四沖程柴油機的

11、工作過程四沖程柴油機的工作過程四沖程柴油機四沖程柴油機:0-1: 吸氣過程吸氣過程1-2: 非絕熱壓縮非絕熱壓縮2: 噴油噴油2-3: 定容燃燒定容燃燒3-4: 定壓燃燒定壓燃燒4-5: 非絕熱膨脹非絕熱膨脹5-1: 定容排氣定容排氣52243大氣線大氣線00Vp11熱能工程教研室四沖程柴油機的工作過程的簡化四沖程柴油機的工作過程的簡化1） 定容和定壓燃燒定容和定壓燃燒定容和定壓吸熱定容和定壓吸熱2） 標準空氣假定，且取定值比熱容標準空氣假定，且取定值比熱容定容排氣定容排氣定容放熱定容放熱3） 忽略內不可逆因素：摩擦，節流，。忽略內不可逆因素：摩擦，節流，。開口系開口系閉口系閉口系4） 忽略膨

12、脹和壓縮過程中氣體與氣缸壁面忽略膨脹和壓縮過程中氣體與氣缸壁面的熱交換的熱交換可逆絕熱過程可逆絕熱過程熱能工程教研室定壓燃燒柴油機定壓燃燒柴油機例如：高增壓柴油機，船用柴油機例如：高增壓柴油機，船用柴油機大氣線00Vp1234只有等壓燃燒，只有等壓燃燒，沒有定容燃燒沒有定容燃燒過程可作類似的過程可作類似的簡化簡化熱能工程教研室定容燃燒汽油機、煤油機定容燃燒汽油機、煤油機 燃燒過程在接近燃燒過程在接近定容的過程下完成定容的過程下完成32041”1大氣線pV0 沒有一邊燃燒一邊沒有一邊燃燒一邊膨脹的定壓過程膨脹的定壓過程例如煤氣機、汽油機例如煤氣機、汽油機熱能工程教研室活塞式柴油機的性能評估活塞式

13、柴油機的性能評估平均有效壓力平均有效壓力MEP（Mean effective pressure）沖程活塞面積循環靜功活塞排量循環靜功MEP兩個相同尺寸的發動機進行比較時，兩個相同尺寸的發動機進行比較時，MEPMEP較大的機器的靜輸出功較大較大的機器的靜輸出功較大熱能工程教研室10-3 10-3 活塞式內燃機的理想循環活塞式內燃機的理想循環混合加熱理想循環的混合加熱理想循環的 p- 圖和圖和 Ts 圖圖一、混和加熱理想循環一、混和加熱理想循環pv023451大多數柴油機的理想循環大多數柴油機的理想循環- -薩巴德循環薩巴德循環Ts0234515Vp熱能工程教研室一、混和加熱理想循環一、混和加熱理

14、想循環特征參數：特征參數：絕熱壓縮比：絕熱壓縮比：21vv定容增壓比：定容增壓比：23pp定壓預脹比：定壓預脹比：34vvpv023451熱能工程教研室熱效率：熱效率：吸熱：吸熱：342343321TTcTTcqqqpV放熱：放熱：15152TTcqqV循環熱效率：循環熱效率：3423151211TTkTTTTqqt表示成循環特性參數的形式：表示成循環特性參數的形式：)1() 1(111kkkt一、混和加熱理想循環一、混和加熱理想循環Ts23451熱能工程教研室)1() 1(111kkkt 1）混合加熱循環的熱效率隨）混合加熱循環的熱效率隨壓縮比壓縮比 和和定容增壓比定容增壓比 的增加而提高。

15、的增加而提高。循環平均吸熱溫度提高但循環平均放熱溫度不變循環平均吸熱溫度提高但循環平均放熱溫度不變 2）混合加熱循環的熱效率隨）混合加熱循環的熱效率隨定壓預脹定壓預脹比比 的增加而降低。的增加而降低。循環平均吸熱溫度提高但循環平均放熱溫度升高循環平均吸熱溫度提高但循環平均放熱溫度升高得更多：定容線比定壓線陡得更多：定容線比定壓線陡一、混和加熱理想循環一、混和加熱理想循環熱能工程教研室T02341s二、定壓加熱理想循環二、定壓加熱理想循環又稱狄塞爾又稱狄塞爾（Diesel）循環循環可以看成是混合加熱理想循環的特例，可以看成是混合加熱理想循環的特例， = 1p02341例如高增壓柴油機及船用發動機

16、例如高增壓柴油機及船用發動機熱能工程教研室定壓加熱理想循環的熱效率定壓加熱理想循環的熱效率: :)(11231412TTkTTqqt表示成循環特性參數的形式：表示成循環特性參數的形式：)1(111kkkt101214160.7tk1.355 . 21 . 25 . 1 t1) 絕熱指數絕熱指數k一定時：一定時： tT2) 絕熱指數絕熱指數k的影響：的影響：k t二、定壓加熱理想循環二、定壓加熱理想循環熱能工程教研室三、定容加熱理想循環三、定容加熱理想循環又稱奧托循環（煤氣機、汽油機）又稱奧托循環（煤氣機、汽油機）可以看成是混合加熱理想循環的特例，可以看成是混合加熱理想循環

17、的特例， = 1T02341sp02341熱能工程教研室定容加熱理想循環的熱效率定容加熱理想循環的熱效率: :23141211TTTTqqt表示成循環特性參數的形式：表示成循環特性參數的形式：111kt0sT22144T3331mTmT12mTmT2 t同溫限下，平均吸同溫限下，平均吸熱溫度提高，平均熱溫度提高，平均降熱溫度降低降熱溫度降低三、定容加熱理想循環三、定容加熱理想循環熱能工程教研室定容加熱理想循環的定容加熱理想循環的 t k 關系曲線關系曲線10.123456789 100tk1.41.35k1.3k1.25k1.2Tk三、定容加熱理想循環三、定

18、容加熱理想循環熱能工程教研室Increasing Compression RatioIncreases the EfficiencyTypical Compression Ratios for Gasoline Engines熱能工程教研室k=1.4熱能工程教研室三、定容加熱理想循環三、定容加熱理想循環111ktq1增大，增大，壓縮比壓縮比 不變，不變，循環效率不變。循環效率不變。循環凈功增大，循環凈功增大，輸出功率增大。輸出功率增大。Ts1233441mT2mTmT1mT2netw實際上，實際上，T升高，升高，k減小，減小， t減小。減小。熱能工程教研室活塞式內燃機的應用活塞式內燃機的應用1

19、）增大壓縮比能提高循環效率）增大壓縮比能提高循環效率混合加熱（一般柴油機）、定壓加熱混合加熱（一般柴油機）、定壓加熱（DieselDiesel）、定容加熱（煤氣機）、定容加熱（煤氣機/ /汽油機）汽油機）2）壓縮比的限制）壓縮比的限制汽油機，受預混燃料空氣混合物爆燃條汽油機，受預混燃料空氣混合物爆燃條件的限制。采用件的限制。采用512512級壓縮：輕型機械級壓縮：輕型機械柴油機，不受空氣壓縮的限制。采用柴油機，不受空氣壓縮的限制。采用14201420級壓縮：重型機械級壓縮：重型機械熱能工程教研室10-4 10-4 活塞式內燃機各種理想循環的熱力學比較活塞式內燃機各種理想循環的熱力學比較比較的前

20、提：比較的前提：1）初態相同）初態相同2 2）吸熱量、壓縮比、最高溫度及最）吸熱量、壓縮比、最高溫度及最高壓力相同高壓力相同利用利用T Ts s圖進行比較最為簡便圖進行比較最為簡便熱能工程教研室一、壓縮比相同、吸熱量相同時的比較一、壓縮比相同、吸熱量相同時的比較T0s554443332215mVT,2mmT,2mpT,2mpT,1mmT,1mVT,112341：定容吸熱：定容吸熱122341： 混合吸熱混合吸熱12341： 定壓吸熱定壓吸熱tptmtV吸熱量相同，吸熱量相同，放熱量不同放熱量不同熱能工程教研室The efficiency of the Otto cycle is always

21、higher than the Diesel cycleqWhy use the Diesel cycle?qBecause you can use higher compression ratios熱能工程教研室二、循環最高壓力和最高溫度相同時的比較二、循環最高壓力和最高溫度相同時的比較12341：定容吸熱：定容吸熱123 341：混合吸熱：混合吸熱12 341：定壓吸熱：定壓吸熱放熱量相同，放熱量相同，吸熱量不同吸熱量不同tVtmtp0Ts654332221mT2mVT,1mmT,1mpT,1maxTminTmaxpminp熱能工程教研室10-5 10-5 燃汽輪機裝置循環燃汽輪機裝置循環

22、工質：工質：燃氣燃氣+空氣空氣部件：部件：壓氣機、燃燒室、燃氣輪機壓氣機、燃燒室、燃氣輪機燃氣輪機工作流程：燃氣輪機工作流程：3壓氣機壓氣機燃燒室燃燒室燃氣輪機燃氣輪機124循環是開式的、循環是開式的、不可逆的不可逆的特點：特點：小尺寸、大功率、連續作功小尺寸、大功率、連續作功熱能工程教研室Closed cycle model for a gas turbine engine1-2 Isentropic Compression2-3 Constant Pressure heat addition3-4 Isentropic Expansion4-1 Constant Pressure heat

23、 rejection熱能工程教研室燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環- -布雷頓循環布雷頓循環T02341s應用空氣標準假設，燃氣輪機循環或應用空氣標準假設，燃氣輪機循環或稱稱布雷頓循環布雷頓循環可以簡化為如下循環可以簡化為如下循環p02341熱能工程教研室熱效率：熱效率：211tqq 定義：定義：12pp循環最低壓力循環最高壓力循環增壓比13TT循環最低溫度循環最高溫度循環增溫比熱效率：熱效率：kktTT121111定壓加熱理想循環的熱效率取決于壓氣機中絕熱壓定壓加熱理想循環的熱效率取決于壓氣機中絕熱壓縮的初態溫度和終態溫度，或說取決于壓縮比縮的初態溫度和終態溫度，或說取決于壓縮比燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環-布雷頓循環布雷頓循環41321hhhh 熱能工程教研室比循環功：比循環功： 1 1111243kkkkpcompressorturbinenetTchhhhwww增溫比增溫比 一定的條件下的一定的條件下的 最大比循環功最大比循環功21max,12max1Tcwpnetkk1Tcwpnet0101.0 = 2345材料熱強度許可范材料熱強度許可范圍內盡可能提高圍內盡可能提高T3燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環燃氣輪機裝置定壓加熱理