第九章氣體動力循環(huán)

Gaspowercycles9-1分析動力循環(huán)的一般方法9-2活塞式內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)的簡化9-3活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)9-4活塞式內(nèi)燃機(jī)個正理想循環(huán)的熱力學(xué)比較9-5燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)9-6燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實際循環(huán)9-7提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率的熱力學(xué)措施9-8噴氣發(fā)動機(jī)簡介1第九章氣體動力循環(huán)9-1分析動力循環(huán)的一般方法9-2活9–1分析動力循環(huán)的一般方法一、分析動力循環(huán)的目的

在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上分析循環(huán)能量轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)性，尋求提高經(jīng)濟(jì)性的方向及途徑。二、分析動力循環(huán)的一般步驟

1.實際循環(huán)（復(fù)雜不可逆）抽象、簡化可逆理論循環(huán)分析可逆循環(huán)影響經(jīng)濟(jì)性的主要因素和可能改進(jìn)途徑實際循環(huán)指導(dǎo)改善2.分析實際循環(huán)與理論循環(huán)的偏離程度，找出實際損失的部位、大小、原因及改進(jìn)辦法29–1分析動力循環(huán)的一般方法一、分析動力循環(huán)的目的三、分析動力循環(huán)的方法1.第一定律分析法以第一定律為基礎(chǔ)，以能量的數(shù)量守恒為立足點。2.第二定律分析法綜合第一定律和第二定律從能量的數(shù)量和質(zhì)量分析。熵分析法分析法熵產(chǎn)作功能力損失火用損火用效率3三、分析動力循環(huán)的方法1.第一定律分析法以第一定律為基礎(chǔ)，四、內(nèi)部熱效率i(internalthermalefficiency)——不可逆過程中實際作功量和循環(huán)加熱量之比其中與實際循環(huán)相當(dāng)?shù)膬?nèi)可逆循環(huán)的熱效率相對內(nèi)部效率(internalengineefficiency)反映內(nèi)部摩擦引起的損失五、空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)(theair-standardhypothesis)氣體動力循環(huán)中工作流體理想氣體空氣定比熱燃燒和排氣過程吸熱和放熱過程燃料燃燒造成各部分氣體成分及質(zhì)量改變忽略不計4四、內(nèi)部熱效率i(internalthermaleff9–2活塞式內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)的簡化一、活塞式內(nèi)燃機(jī)(internalcombustionengine)簡介1．分類：按燃料：煤氣機(jī)(gasengine)汽油機(jī)(gasolineengine;petrolengine)柴油機(jī)(dieselengine)按沖程：二沖程(two-stroke)四沖程(four-stroke)按點火方式：點燃式(sparkignitionengine)壓燃式(compressionignitionengine)59–2活塞式內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)的簡化一、活塞式內(nèi)燃機(jī)(in

開式循環(huán)(opencycle)；燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為不可逆；各環(huán)節(jié)中工質(zhì)質(zhì)量、成分稍有變化。２．活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)特點6２．活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)特點6二、活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡化7二、活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡化7三、平均有效壓力(meaneffectivepressure)8三、平均有效壓力(meaneffectivepressu01吸氣12壓縮23噴油、燃燒34燃燒45膨脹作功50排氣簡化：引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)燃燒2-3等容吸熱+3-4定壓吸熱排氣5-1等容放熱壓縮、膨脹1-2及4-5等熵過程吸、排氣線重合、忽略燃油質(zhì)量忽略燃?xì)獬煞指淖兒雎?–3活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)一、混合加熱理想循環(huán)（dualcombustioncycle）901吸氣簡化：引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)燃燒2-3等容1.p-v圖及T-s圖12等熵壓縮；23等容吸熱；34定壓吸熱；45等熵膨脹；51定容放熱特性參數(shù)：壓縮比(compressionratio)定容增壓比(pressureratio)定壓預(yù)脹比(cutoffratio)101.p-v圖及T-s圖12等熵壓縮；23等容吸2.循環(huán)熱效率或112.循環(huán)熱效率或11利用表示12利用表示12兩式相除，考慮到把T2、T3、T4和T5代入求13兩式相除，考慮到把T2、T3、T4和T5代入求13討論：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要措施，是卡諾循環(huán)，第二定律對實際循環(huán)的指導(dǎo)。b.利用T-s圖分析循環(huán)較方便。c.同時考慮q1和q2或T1m和T2m平均。14討論：歸納：14二、定壓加熱理想循環(huán)(Dieselcycle)15二、定壓加熱理想循環(huán)(Dieselcycle)15討論：c)重負(fù)荷（，q1

）時內(nèi)部熱效率下降，除外還有因溫度上升而使，造成熱效率下降16討論：c)重負(fù)荷（，q1）時16三、定容加熱理想循環(huán)(Ottocycle)17三、定容加熱理想循環(huán)(Ottocycle)171818討論：c)重負(fù)荷（q1

）時內(nèi)部熱效率下降，因溫度上升使，造成熱效率下降19討論：c)重負(fù)荷（q1）時內(nèi)部熱效率下降，因溫度上9–4活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較一、壓縮比相同，吸熱量相同時的比較或209–4活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較一、壓縮比相二、循環(huán)pmax、Tmax相同時的比較或例A470299例A44727721二、循環(huán)pmax、Tmax相同時的比較或例A4709-5燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)一、燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbine)裝置簡介小型燃?xì)廨啓C(jī)229-5燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)一、燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbi軸流式燃?xì)廨啓C(jī)23軸流式燃?xì)廨啓C(jī)23242425252626構(gòu)成

壓氣機(jī)(compressor)

燃燒室(combustionchamber)

燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbine)特點

1.開式循環(huán)(opencycle)，工質(zhì)流動；2.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，連續(xù)輸出功；3.啟動快，達(dá)滿負(fù)荷快；4.壓氣機(jī)消耗了燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生功率的絕大部分，但重量功率比(specificweightofengine)仍較大。用途飛機(jī)、艦船的動力載荷機(jī)組，電站峰荷機(jī)組(peak-loadset)等。27構(gòu)成特點用途27二、定壓加熱理想循環(huán)（constant-pressurecombustioncycle，Braytoncycle）1-2等熵壓縮（壓氣機(jī)內(nèi)）2-3定壓吸熱（燃燒室內(nèi)）3-4等熵膨脹（燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)）4-1定壓放熱（排氣，假想換熱器）循環(huán)增壓比（pressureratio）

循環(huán)增溫比（temperatureratio）28二、定壓加熱理想循環(huán)1-2等熵壓縮（壓氣機(jī)內(nèi)）2-3三、定壓加熱理想循環(huán)分析1.熱效率ηt注意：式中T1、T2并非指高溫?zé)嵩矗蜏責(zé)嵩础?9三、定壓加熱理想循環(huán)分析1.熱效率ηt注意：式中T1、T2并2.分析？302.分析？303131可見：

1）對于每一τ，均有π，

其w→wnet,max

2）τ上升，即T3上升，使取得wnet,max的π上升，ηt上升，所以提高T3能帶動wnet,max及ηt同時升高。32可見：2）τ上升，即T3上升，使取得wnet,max的π9–6燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實際循環(huán)1-2不可逆絕熱壓縮；2-3定壓吸熱；3-4不可逆絕熱膨脹；4-1定壓放熱。一、定壓加熱的實際循環(huán)339–6燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實際循環(huán)1-2二、壓氣機(jī)絕熱效率(adiabaticcompressorefficiency)

和燃?xì)廨啓C(jī)相對內(nèi)效率(adiabaticturbineefficiency)34二、壓氣機(jī)絕熱效率(adiabaticcompressor三、燃?xì)廨啓C(jī)裝置的內(nèi)部熱效率(internalthermalefficiency)ηi

整理35三、燃?xì)廨啓C(jī)裝置的內(nèi)部熱效率整理35討論：增大τ是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能（wnet，ηi）的方向。36討論：增大τ是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能（wnet，ηi）的方向。9–7提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率的熱力學(xué)措施一、回?zé)幔╮egeneration）討論2）極限回?zé)?79–7提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率的熱力學(xué)措施一、回?zé)幔╮e3）回?zé)岫?regeneratoreffectiveness)注意：π達(dá)一定值，回?zé)岵荒苓M(jìn)行。4）實際循環(huán)的回?zé)?83）回?zé)岫?regeneratoreffectivenes分級壓縮，中間冷卻（multistagecompression，interveningcooling）二、分級壓縮，中間冷卻回?zé)峄A(chǔ)上壓氣機(jī)耗功很大分級壓縮可降低壓氣機(jī)耗功循環(huán)12341：循環(huán)1567341：循環(huán)12341循環(huán)67256循環(huán)67256：采用分級壓縮，中間冷卻后ηt？+39分級壓縮，中間冷卻二、回?zé)峄A(chǔ)上分級壓縮中間冷卻40回?zé)峄A(chǔ)上分級壓縮中間冷卻40三、回?zé)峄A(chǔ)上分級膨脹，中間加熱循環(huán)12389101=循環(huán)127101-循環(huán)37983若無回?zé)崛艋責(zé)嵫h(huán)12389101與循環(huán)12341比較T1m上升，T2m下降41三、回?zé)峄A(chǔ)上分級膨脹，中間加熱循環(huán)12389101=循環(huán)五、回?zé)峄A(chǔ)上

分級壓縮，中間冷卻；分級膨脹，中間加熱42五、回?zé)峄A(chǔ)上42

當(dāng)分級壓縮中間冷卻；分級膨脹中間再熱，級數(shù)趨向無窮多時，定壓加熱理想循環(huán)趨于概括性卡諾循環(huán)。43當(dāng)分級壓縮中間冷卻；分級膨脹中間再熱，級數(shù)趨向無氣體動力循環(huán)熱效率分析歸納：

基礎(chǔ)：方法：

在T-s圖上疊加、拆分等；在T-s圖上與同溫限卡諾循環(huán)比較；利用ηt=f(x,y,z···)的數(shù)學(xué)特性。例A474299例A47038944氣體動力循環(huán)熱效率分析歸納：方法：例A474299例A4709–8噴氣發(fā)動機(jī)簡介

定壓燃燒噴氣式發(fā)動機(jī)(jetengine)的理論循環(huán)及實際循環(huán)與燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)相同。下一章459–8噴氣發(fā)動機(jī)簡介定壓燃燒噴氣式發(fā)動機(jī)(je第九章氣體動力循環(huán)

Gaspowercycles9-1分析動力循環(huán)的一般方法9-2活塞式內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)的簡化9-3活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)9-4活塞式內(nèi)燃機(jī)個正理想循環(huán)的熱力學(xué)比較9-5燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)9-6燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實際循環(huán)9-7提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率的熱力學(xué)措施9-8噴氣發(fā)動機(jī)簡介46第九章氣體動力循環(huán)9-1分析動力循環(huán)的一般方法9-2活9–1分析動力循環(huán)的一般方法一、分析動力循環(huán)的目的

在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上分析循環(huán)能量轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)性，尋求提高經(jīng)濟(jì)性的方向及途徑。二、分析動力循環(huán)的一般步驟

1.實際循環(huán)（復(fù)雜不可逆）抽象、簡化可逆理論循環(huán)分析可逆循環(huán)影響經(jīng)濟(jì)性的主要因素和可能改進(jìn)途徑實際循環(huán)指導(dǎo)改善2.分析實際循環(huán)與理論循環(huán)的偏離程度，找出實際損失的部位、大小、原因及改進(jìn)辦法479–1分析動力循環(huán)的一般方法一、分析動力循環(huán)的目的三、分析動力循環(huán)的方法1.第一定律分析法以第一定律為基礎(chǔ)，以能量的數(shù)量守恒為立足點。2.第二定律分析法綜合第一定律和第二定律從能量的數(shù)量和質(zhì)量分析。熵分析法分析法熵產(chǎn)作功能力損失火用損火用效率48三、分析動力循環(huán)的方法1.第一定律分析法以第一定律為基礎(chǔ)，四、內(nèi)部熱效率i(internalthermalefficiency)——不可逆過程中實際作功量和循環(huán)加熱量之比其中與實際循環(huán)相當(dāng)?shù)膬?nèi)可逆循環(huán)的熱效率相對內(nèi)部效率(internalengineefficiency)反映內(nèi)部摩擦引起的損失五、空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)(theair-standardhypothesis)氣體動力循環(huán)中工作流體理想氣體空氣定比熱燃燒和排氣過程吸熱和放熱過程燃料燃燒造成各部分氣體成分及質(zhì)量改變忽略不計49四、內(nèi)部熱效率i(internalthermaleff9–2活塞式內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)的簡化一、活塞式內(nèi)燃機(jī)(internalcombustionengine)簡介1．分類：按燃料：煤氣機(jī)(gasengine)汽油機(jī)(gasolineengine;petrolengine)柴油機(jī)(dieselengine)按沖程：二沖程(two-stroke)四沖程(four-stroke)按點火方式：點燃式(sparkignitionengine)壓燃式(compressionignitionengine)509–2活塞式內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)的簡化一、活塞式內(nèi)燃機(jī)(in

開式循環(huán)(opencycle)；燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為不可逆；各環(huán)節(jié)中工質(zhì)質(zhì)量、成分稍有變化。２．活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)特點51２．活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)特點6二、活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡化52二、活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡化7三、平均有效壓力(meaneffectivepressure)53三、平均有效壓力(meaneffectivepressu01吸氣12壓縮23噴油、燃燒34燃燒45膨脹作功50排氣簡化：引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)燃燒2-3等容吸熱+3-4定壓吸熱排氣5-1等容放熱壓縮、膨脹1-2及4-5等熵過程吸、排氣線重合、忽略燃油質(zhì)量忽略燃?xì)獬煞指淖兒雎?–3活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)一、混合加熱理想循環(huán)（dualcombustioncycle）5401吸氣簡化：引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)燃燒2-3等容1.p-v圖及T-s圖12等熵壓縮；23等容吸熱；34定壓吸熱；45等熵膨脹；51定容放熱特性參數(shù)：壓縮比(compressionratio)定容增壓比(pressureratio)定壓預(yù)脹比(cutoffratio)551.p-v圖及T-s圖12等熵壓縮；23等容吸2.循環(huán)熱效率或562.循環(huán)熱效率或11利用表示57利用表示12兩式相除，考慮到把T2、T3、T4和T5代入求58兩式相除，考慮到把T2、T3、T4和T5代入求13討論：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要措施，是卡諾循環(huán)，第二定律對實際循環(huán)的指導(dǎo)。b.利用T-s圖分析循環(huán)較方便。c.同時考慮q1和q2或T1m和T2m平均。59討論：歸納：14二、定壓加熱理想循環(huán)(Dieselcycle)60二、定壓加熱理想循環(huán)(Dieselcycle)15討論：c)重負(fù)荷（，q1

）時內(nèi)部熱效率下降，除外還有因溫度上升而使，造成熱效率下降61討論：c)重負(fù)荷（，q1）時16三、定容加熱理想循環(huán)(Ottocycle)62三、定容加熱理想循環(huán)(Ottocycle)176318討論：c)重負(fù)荷（q1

）時內(nèi)部熱效率下降，因溫度上升使，造成熱效率下降64討論：c)重負(fù)荷（q1）時內(nèi)部熱效率下降，因溫度上9–4活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較一、壓縮比相同，吸熱量相同時的比較或659–4活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較一、壓縮比相二、循環(huán)pmax、Tmax相同時的比較或例A470299例A44727766二、循環(huán)pmax、Tmax相同時的比較或例A4709-5燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)一、燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbine)裝置簡介小型燃?xì)廨啓C(jī)679-5燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)一、燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbi軸流式燃?xì)廨啓C(jī)68軸流式燃?xì)廨啓C(jī)23692470257126構(gòu)成

壓氣機(jī)(compressor)

燃燒室(combustionchamber)

燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbine)特點

1.開式循環(huán)(opencycle)，工質(zhì)流動；2.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，連續(xù)輸出功；3.啟動快，達(dá)滿負(fù)荷快；4.壓氣機(jī)消耗了燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生功率的絕大部分，但重量功率比(specificweightofengine)仍較大。用途飛機(jī)、艦船的動力載荷機(jī)組，電站峰荷機(jī)組(peak-loadset)等。72構(gòu)成特點用途27二、定壓加熱理想循環(huán)（constant-pressurecombustioncycle，Braytoncycle）1-2等熵壓縮（壓氣機(jī)內(nèi)）2-3定壓吸熱（燃燒室內(nèi)）3-4等熵膨脹（燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)）4-1定壓放熱（排氣，假想換熱器）循環(huán)增壓比（pressureratio）

循環(huán)增溫比（temperatureratio）73二、定壓加熱理想循環(huán)1-2等熵壓縮（壓氣機(jī)內(nèi)）2-3三、定壓加熱理想循環(huán)分析1.熱效率ηt注意：式中T1、T2并非指高溫?zé)嵩矗蜏責(zé)嵩础?4三、定壓加熱理想循環(huán)分析1.熱效率ηt注意：式中T1、T2并2.分析？752.分析？307631可見：

1）對于每一τ，均有π，

其w→wnet,max

2）τ上升，即T3上升，使取得wnet,max的π上升，ηt上升，所以提高T3能帶動wnet,max及ηt同時升高。77可見：2）τ上升，即T3上升，使取得wnet,max的π9–6燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實際循環(huán)1-2不可逆絕熱壓縮；2-3定壓吸熱；3-4不可逆絕熱膨脹；4-1定壓放熱。一、定壓加熱的實際循環(huán)789–6燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實際循環(huán)1-2二、壓氣機(jī)絕熱效率(adiabaticcompressorefficiency)

和燃?xì)廨啓C(jī)相對內(nèi)效率(adiabaticturbineefficiency)79二、壓氣機(jī)絕熱效率(adiabaticcompressor三、燃?xì)廨啓C(jī)裝置的內(nèi)部熱效率(internalthermalefficiency)ηi

整理80三、燃?xì)廨啓C(jī)裝置的內(nèi)部熱效率整理35討論：增大τ是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能（wnet，ηi）的方向。81討論：增大τ是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能（wnet，ηi）的方向。9–7提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率的熱力學(xué)措施一、