工程热力学第9章

第九章第九章 气体动力循环气体动力循环 Gas power cycles9-1 分析动力循环的一般方法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活塞式内燃机的理想循环9-4 活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较9-5 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环9-6 燃气轮机装置定压加热实际循环燃气轮机装置定压加热实际循环9-7 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施提高燃气轮机装置热效率的热力学措施9-8 喷气发动机简介喷气发动机简介191 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法一、分析动力循环的目的一、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，在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。寻求提高经济性的方向及途径。二、分析动力循环的一般步骤二、分析动力循环的一般步骤 1.实际循环（复杂不可逆）实际循环（复杂不可逆）抽象、简化抽象、简化可逆理论循环可逆理论循环分析可逆循环分析可逆循环影响经济性的主要因素和可能改进途径影响经济性的主要因素和可能改进途径实际循环实际循环指导改善指导改善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、原因及改进办法损失的部位、大小、原因及改进办法2三、分析动力循环的方法三、分析动力循环的方法1.第一定律分析法第一定律分析法以以第一定律为基础，以能第一定律为基础，以能量的数量守恒为立足点。量的数量守恒为立足点。2.第二定律分析第二定律分析法法综合第一定律和第二定律综合第一定律和第二定律从能量的数量和质量分析。从能量的数量和质量分析。熵熵分析法分析法 分析法分析法熵产熵产作功能力损失作功能力损失火用火用 损损火用火用 效率效率3四、内部热效率四、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不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比其中其中 与实际循环相当的内可逆循环的热效率与实际循环相当的内可逆循环的热效率相对内部效率相对内部效率(internal engine efficiency)反映内部摩擦引起的损失反映内部摩擦引起的损失五、空气标准假设五、空气标准假设(the air-standard hypothesis)气体动力循环中工作流体气体动力循环中工作流体理想气体理想气体空气空气定比热定比热燃烧和排气过程燃烧和排气过程吸热和放热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燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计492 活塞式内燃机实际循环的简化活塞式内燃机实际循环的简化一、活塞式一、活塞式内燃机内燃机(internal combustion engine)简介简介1分类分类：按燃料：按燃料：煤气机煤气机(gas engine)汽油机汽油机(gasoline engine;petrol engine)柴油机柴油机(diesel engine)按冲程：按冲程：二冲程二冲程(two-stroke)四冲程四冲程(four-stroke)按点火方式：按点火方式：点燃式点燃式(spark ignition engine)压燃式压燃式(compression ignition engine)5 开式循环开式循环(open cycle)；燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆不可逆；各环节中工质各环节中工质质量、成分稍有变化质量、成分稍有变化。活塞式内燃机循环特点活塞式内燃机循环特点6二、活塞式内燃机循环的简化二、活塞式内燃机循环的简化7三、平均有效压力三、平均有效压力(mean effective pressure)801 吸气吸气12 压缩压缩23 喷油、燃烧喷油、燃烧34 燃烧燃烧45 膨胀作功膨胀作功50 排气排气简化简化：引用空气标准假设：引用空气标准假设燃烧燃烧2-3等容吸热等容吸热+3-4定压吸热定压吸热排气排气5-1等容放热等容放热压缩、膨胀压缩、膨胀1-2及及4-5等熵过程等熵过程吸、排气线吸、排气线重合、忽略重合、忽略燃油质量燃油质量忽略忽略燃气成分改变燃气成分改变忽略忽略93 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环一、混合加热理想循环 （dual combustion cycle）91.p-v图及图及T-s图图12 等熵压缩；等熵压缩；23 等容吸热；等容吸热；34 定压吸热；定压吸热；45 等熵膨胀；等熵膨胀；51 定容放热定容放热特性参数特性参数：压缩比压缩比(compression ratio)定容增压比定容增压比(pressure ratio)定压预胀比定压预胀比(cutoff ratio)102.循环热效率循环热效率或或11利用利用表示表示12两式相除，考虑到两式相除，考虑到把把T2、T3、T4和和T5代入代入求求13讨论讨论：归纳：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。要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。b.利用利用T-s图分析循环较方便。图分析循环较方便。c.同时考虑同时考虑q1和和q2或或T1m和和T2m平均。平均。14二、定压加热理想循环二、定压加热理想循环(Diesel cycle)15讨论：讨论：c)重负荷（重负荷（，q1 ）时时 内部热效率下降，除内部热效率下降，除 外还有因温度上升而使外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降，造成热效率下降16三、定容加热理想循环三、定容加热理想循环(Otto cycle)1718讨论：讨论：c)重负荷（重负荷（q1 ）时内部热效时内部热效率下降，率下降，因温度上升使因温度上升使，造，造成热效率下降成热效率下降1994 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较一、压缩比相同，吸热量相同时的比较一、压缩比相同，吸热量相同时的比较 或或20二、循环二、循环pmax、Tmax相同时的比较相同时的比较 或或例例A470299例例A447277219-5 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环一、燃气轮机一、燃气轮机(gas turbine)装置简介装置简介 小型燃气轮机小型燃气轮机22轴流式燃气轮机轴流式燃气轮机23242526构成构成 压气机压气机(compressor)燃烧室燃烧室(combustion chamber)燃气轮机燃气轮机(gas turbine)特点特点 1.开式循环开式循环(open cycle)，工质流动；工质流动；2.运转平稳，连续输出功；运转平稳，连续输出功；3.启动快，达满负荷快；启动快，达满负荷快；4.压气机消耗了燃气轮机产生功率压气机消耗了燃气轮机产生功率 的绝大部分，但重量功率比的绝大部分，但重量功率比 (specific weight of engine)仍较大。仍较大。用途用途飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set)等。等。27二、定压加热理想循环二、定压加热理想循环（constant-pressure combustion cycle，Brayton cycle）1-2 等熵压缩（压气机内）等熵压缩（压气机内）2-3 定压吸热（燃烧室内）定压吸热（燃烧室内）3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）等熵膨胀（燃气轮机内）4-1 定压放热（排气，假想换热器）定压放热（排气，假想换热器）循环增压比循环增压比（pressure ratio）循环增温比循环增温比（temperature ratio）28三、定压加热理想循环分析三、定压加热理想循环分析1.热效率热效率t注意注意：式中式中T1、T2并非指高温并非指高温 热源，低温热源。热源，低温热源。292.分析分析？3031可见：可见：1）对于每一）对于每一，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 能带动能带动wnet,max 及及t同时升同时升高。高。3296 燃气轮机装置定压加热实际循环燃气轮机装置定压加热实际循环 1-2 不可逆绝热压缩；不可逆绝热压缩；2-3 定压吸热；定压吸热；3-4 不可逆绝热膨胀；不可逆绝热膨胀；4-1 定压放热。定压放热。一、定压加热的实际循环一、定压加热的实际循环 33二、压气机绝热效率二、压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency)和燃气轮机相对内效率和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)34三、燃气轮机装置的内部热效率三、燃气轮机装置的内部热效率 (internal thermal efficiency)i 整理整理35讨论讨论：增大增大是提高燃气轮机装置性能（是提高燃气轮机装置性能（wnet，i）的方向。的方向。3697 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施提高燃气轮机装置热效率的热力学措施一、回热（一、回热（regeneration）讨论讨论2 2）极限回热）极限回热373）回热度回热度(regenerator effectiveness)注意：注意：达一定值，回热不能进行。达一定值，回热不能进行。4）实际循环的回热实际循环的回热38分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却 （multistage compression，intervening cooling）二、二、分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却回热基础上回热基础上压气机耗功很大压气机耗功很大分级压缩可降低压气机耗功分级压缩可降低压气机耗功循环循环12341：循环循环1567341：循环循环12341循环循环67256循环循环67256：采用分级压缩，中间冷却后采用分级压缩，中间冷却后t？+39回热基础上分级压缩中间冷却回热基础上分级压缩中间冷却40三、回热基础上分级膨胀，中间加热三、回热基础上分级膨胀，中间加热循环循环12389101=循环循环127101-循环循环37983若无若无回热回热若若回热回热 循环循环12389101与循环与循环12341 比较比较T1m上升，上升，T2m下降下降41五、五、回热基础回热基础上上 分级压缩，中间冷却；分级膨胀，中间加热分级压缩，中间冷却；分级膨胀，中间加热42 当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数趋向无穷当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数趋向无穷多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。43气体动力循环热效率分析归纳气体动力循环热效率分析归纳：基础基础：方法：方法：在在T-s图上图上叠加、拆分等；叠加、拆分等；在在T-s图上与同温限卡诺循环比较；图上与同温限卡诺循环比较；利用利用t=f(x,y,z )的数学特性。的数学特性。例例A474299例例A4703894498 喷气发动机简介喷气发动机简介 定压燃烧喷气式发动机定压燃烧喷气式发动机(jet engine)的理论循环及实际循环与的理论循环及实际循环与燃气轮机装置定压加热循环相同。燃气轮机装置定压加热循环相同。下一章下一章45