1、1第九章第九章 氣體動力循環氣體動力循環 Gas power cycles9-1 分析動力循環的一般方法分析動力循環的一般方法9-2 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9-3 活塞式內燃機的理想循環活塞式內燃機的理想循環9-4 活塞式內燃機個正理想循環的熱力學比較活塞式內燃機個正理想循環的熱力學比較9-5 燃氣輪機裝置循環燃氣輪機裝置循環9-6 燃氣輪機裝置定壓加熱實際循環燃氣輪機裝置定壓加熱實際循環9-7 提高燃氣輪機裝置熱效率的熱力學措施提高燃氣輪機裝置熱效率的熱力學措施9-8 噴氣發動機簡介噴氣發動機簡介291 分析動力循環的一般方法分析動力循環的一般方法一、分析動力循

2、環的目的一、分析動力循環的目的 在熱力學基本定律的基礎上分析循環能量轉化的經濟性，在熱力學基本定律的基礎上分析循環能量轉化的經濟性，尋求提高經濟性的方向及途徑。尋求提高經濟性的方向及途徑。二、分析動力循環的一般步驟二、分析動力循環的一般步驟 1. 實際循環（復雜不可逆）實際循環（復雜不可逆）抽象、簡化抽象、簡化可逆理論循環可逆理論循環分析可逆循環分析可逆循環影響經濟性的主要因素和可能改進途徑影響經濟性的主要因素和可能改進途徑實際循環實際循環指導改善指導改善2. 分析實際循環與理論循環的偏離程度，找出實際分析實際循環與理論循環的偏離程度，找出實際 損失的部位、大小、原因及改進辦法損失的部位、大小

3、、原因及改進辦法3三、分析動力循環的方法三、分析動力循環的方法1. 第一定律分析法第一定律分析法以第一定律為基礎，以能以第一定律為基礎，以能量的數量守恒為立足點。量的數量守恒為立足點。2. 第二定律分析第二定律分析法法綜合第一定律和第二定律綜合第一定律和第二定律從能量的數量和質量分析。從能量的數量和質量分析。熵分析法熵分析法分析法分析法熵產熵產作功能力損失作功能力損失火用火用損損火用火用效率效率4四、內部熱效率四、內部熱效率 i(internal thermal efficiency )不可逆過程中實際作功量和循環加熱量之比不可逆過程中實際作功量和循環加熱量之比net,actTnetiTt11

4、wwqq 其中其中nett1wq 與實際循環相當的內可逆循環的熱效率與實際循環相當的內可逆循環的熱效率net,actTnetww相對內部效率相對內部效率(internal engine efficiency) 反映內部摩擦引起的損失反映內部摩擦引起的損失五、空氣標準假設五、空氣標準假設(the air-standard hypothesis)氣體動力循環中工作流體氣體動力循環中工作流體理想氣體理想氣體空氣空氣定比熱定比熱燃燒和排氣過程燃燒和排氣過程吸熱和放熱過程吸熱和放熱過程燃料燃燒造成各部分氣體成分及質量改變忽略不計燃料燃燒造成各部分氣體成分及質量改變忽略不計592 活塞式內燃機實際循環的簡

5、化活塞式內燃機實際循環的簡化一、活塞式一、活塞式內燃機內燃機(internal combustion engine)簡介簡介1分類分類：按燃料：煤氣機按燃料：煤氣機(gas engine) 汽油機汽油機(gasoline engine; petrol engine) 柴油機柴油機(diesel engine) 按沖程：二沖程按沖程：二沖程(two-stroke ) 四沖程四沖程(four-stroke )按點火方式：點燃式按點火方式：點燃式(spark ignition engine) 壓燃式壓燃式(compression ignition engine)6 開式循環開式循環(open cyc

6、le)； 燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為不可逆不可逆； 各環節中工質各環節中工質質量、成分稍有變化質量、成分稍有變化。活塞式內燃機循環特點活塞式內燃機循環特點7二、活塞式內燃機循環的簡化二、活塞式內燃機循環的簡化8netMEPhWpV三、平均有效壓力三、平均有效壓力(mean effective pressure)901 吸氣吸氣12 壓縮壓縮23 噴油、燃燒噴油、燃燒34 燃燒燃燒45 膨脹作功膨脹作功50 排氣排氣簡化簡化：引用空氣標準假設：引用空氣標準假設燃燒燃燒2-3等容吸熱等容吸熱+3-4定壓吸熱定壓吸熱排氣排氣5-1等容放熱等容放熱壓縮、膨脹壓縮、

7、膨脹1-2及及4-5等熵過程等熵過程吸、排氣線吸、排氣線重合、忽略重合、忽略燃油質量燃油質量忽略忽略燃氣成分改變燃氣成分改變忽略忽略93 活塞式內燃機的理想循環活塞式內燃機的理想循環一、混合加熱理想循環一、混合加熱理想循環 （dual combustion cycle）101. p-v圖及圖及T-s圖圖12 等熵壓縮；等熵壓縮；23 等容吸熱；等容吸熱；34 定壓吸熱；定壓吸熱；45 等熵膨脹；等熵膨脹；51 定容放熱定容放熱特性參數特性參數：12vv32pp43vv壓縮比壓縮比(compression ratio)定容增壓比定容增壓比(pressure ratio)定壓預脹比定壓預脹比 (c

8、utoff ratio)112. 循環熱效率循環熱效率nett1wqnet1 22 33 44 55 11 23 44 5wwwwwwwww或或netnet12wqqq11gg5213434141111RRppTpvvTpp342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV12512t1324311TTqqTTTT 、 、111211212vTTTv13321223pTTTp14431334vTTTv551151pTTp利用利用表示表示t131 1225544p vp vp vp v；兩式相除，考慮到兩式相除，考慮到325134vvvvpp5344412323pppvvppvpvt

9、11111 5511pTTp51TT51t32431TTTTTT 把把T2、T3、T4和和T5代入代入求求15pp14討論討論：)a) c歸納：歸納： a.吸熱前壓縮氣體，提高平均吸熱溫度是提高熱效率的重吸熱前壓縮氣體，提高平均吸熱溫度是提高熱效率的重要措施，是卡諾循環，第二定律對實際循環的指導。要措施，是卡諾循環，第二定律對實際循環的指導。 b.利用利用T-s圖分析循環較方便。圖分析循環較方便。 c.同時考慮同時考慮q1和和q2或或T1m和和T2m平均。平均。)bttt15二、定壓加熱理想循環二、定壓加熱理想循環(Diesel cycle)2t11qq 41t321TTTT t11111 1

10、42TTcqV231TTcqpt11111 2321vvvv16討論：討論：tnet)awnet)tbwc) 重負荷（重負荷（ ，q1 ）時）時 內部熱效率下降，除內部熱效率下降，除 外還有因溫度上升而使外還有因溫度上升而使 ，造成熱效率下降，造成熱效率下降17三、定容加熱理想循環三、定容加熱理想循環(Otto cycle)2321ppvv18231TTcqV111111111t 142TTcqV23141211TTTTqqt2321ppvv19討論：討論：t)anet);tbw不變，但c ) 重負荷（重負荷（q1 ）時內部熱效）時內部熱效率下降，率下降，因溫度上升使因溫度上升使 ，造，造成熱

11、效率下降成熱效率下降2094 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 111vmpqqq或或pmvTTT222pmvqqq222tvtmtppmvTTT11121二、循環二、循環pmax、Tmax相同時的比較相同時的比較 222pmvqqq或或vmpTTT222vmpqqq221t,t,t,pmvvmpTTT111例例A470299例例A447277229-5 燃氣輪機裝置循環燃氣輪機裝置循環一、燃氣輪機一、燃氣輪機(gas turbine)裝置簡介裝置簡介 小型燃氣輪機小型燃氣輪機23軸流式

12、燃氣輪機軸流式燃氣輪機24252627構成構成 壓氣機壓氣機(compressor) 燃燒室燃燒室(combustion chamber) 燃氣輪機燃氣輪機(gas turbine)特點特點 1.開式循環開式循環(open cycle)，工質流動；，工質流動； 2.運轉平穩，連續輸出功；運轉平穩，連續輸出功； 3.啟動快，達滿負荷快；啟動快，達滿負荷快； 4.壓氣機消耗了燃氣輪機產生功率壓氣機消耗了燃氣輪機產生功率 的絕大部分，但重量功率比的絕大部分，但重量功率比 (specific weight of engine)仍較大。仍較大。用途用途飛機、艦船的動力載荷機組，電站峰荷機組飛機、艦船的動

13、力載荷機組，電站峰荷機組(peak-load set) 等。等。28二、定壓加熱理想循環二、定壓加熱理想循環（constant-pressure combustion cycle， Brayton cycle）1-2 等熵壓縮（壓氣機內）等熵壓縮（壓氣機內）2-3 定壓吸熱（燃燒室內）定壓吸熱（燃燒室內）3-4 等熵膨脹（燃氣輪機內）等熵膨脹（燃氣輪機內）4-1 定壓放熱（排氣，假想換熱器）定壓放熱（排氣，假想換熱器）21pp循環增壓比循環增壓比（pressure ratio）32TT 循環增溫比循環增溫比（temperature ratio）29三、定壓加熱理想循環分析三、定壓加熱理想循環分

14、析1.熱效率熱效率t321323232tpmtpqhhcTTcTT1212113434ppTTppTT2314pppp2134TTTT212314TTTTTT1t21111TT 注意注意：式中式中T1、T2并非指高溫并非指高溫 熱源，低溫熱源。熱源，低溫熱源。141414241TTcTTchhqpttpm241t13211qTTqTT 302.分析分析 t)a1net)bqw一定1t21111TT ？t3T與 無關t不變31netmax) cww一定， 取某值net12wqqnet0dw 1423TTTTcp111111Tcp21netnet,maxww32net)dw與 及 的關系1net1

15、1)11pc wc T由可見：可見： 1）對于每一）對于每一，均有，均有， 其其wwnet,max 2）上升，即上升，即T3上升，使取得上升，使取得wnet,max 的的 上升，上升，t上升，所以上升，所以提高提高T3 能帶動能帶動wnet,max 及及t同時升同時升高。高。3396 燃氣輪機裝置定壓加熱實際循環燃氣輪機裝置定壓加熱實際循環 1-2 不可逆絕熱壓縮；不可逆絕熱壓縮； 2-3 定壓吸熱；定壓吸熱； 3-4 不可逆絕熱膨脹；不可逆絕熱膨脹； 4-1 定壓放熱。定壓放熱。一、定壓加熱的實際循環一、定壓加熱的實際循環 34二、壓氣機絕熱效率二、壓氣機絕熱效率(adiabatic com

16、pressor efficiency) 和燃氣輪機相對內效率和燃氣輪機相對內效率(adiabatic turbine efficiency)s21C,sC,sC21hhwwhhsC21C,s1whh s2121C,s1hhhhst,T34Tt,T34whhwhhst,TT34whh s43T34hhhh35三、燃氣輪機裝置的內部熱效率三、燃氣輪機裝置的內部熱效率 (internal thermal efficiency)ineti1wq 整理整理ssnett,TCT3421Cs1wwwhhhhs1323121Cs1qhhhhhh sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hh

17、hhhhhh36討論討論：CsT)ia除 、 外 還與、有關i),b一定時，但有極值ic,)增大增大是提高燃氣輪機裝置性能（是提高燃氣輪機裝置性能（wnet，i）的方向。）的方向。sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhhTCsiTCs0.85 0.920.85 0.90目前，3797 提高燃氣輪機裝置熱效率的熱力學措施提高燃氣輪機裝置熱效率的熱力學措施一、回熱（一、回熱（regeneration） 討論討論182731) 1TTcqTTcqpp回回22tt,1111qTqT 回回回回回2 2）極限回熱）極限回熱162531TTcqTTcqpp回回383）回熱

18、度回熱度(regenerator effectiveness) 64842527hhhhhhhh量理論上極限可利用的熱實際回熱利用的熱量注意：注意：達一定值，回熱不能進行。達一定值，回熱不能進行。4）實際循環的回熱實際循環的回熱72725246hhhhhhhh 39分級壓縮，中間冷卻分級壓縮，中間冷卻 （multistage compression ， intervening cooling ）二、二、 分級壓縮，中間冷卻分級壓縮，中間冷卻回熱基礎上回熱基礎上壓氣機耗功很大壓氣機耗功很大分級壓縮可降低壓氣機耗功分級壓縮可降低壓氣機耗功循環循環12341：t111循環循環1567341：循環循環12341循環循環67256循環循環67256：tt1111 采用分級壓縮，中間冷卻后采用分級壓縮，中間冷卻后t ？+t1567341t1234140回熱基礎上分級壓縮中間冷卻回熱基礎上分級壓縮中間冷卻net,1567341net,12341ww12341, 11567341, 1qqt,1567341t,1234141三、回熱基礎上分