工程热力学总复习

2019/11/19,1,工程热力学总复习,2019/11/19,2,热力学本质和起源,thermodynamics,thermo,热,dynamics,动力学,热力学,即由热产生动力，事实上，热力学起源是源于对热机的研究（17631784年间，Watt的凝汽式单缸蒸气机）。热力学是研究物质的能量、能量传递和转换以及与能量转换有关的物性间相互关系的科学。在此省去对热力学发展史的介绍，但事实上，对科学发展史的学习以及从中凝练出指导科学研究的科学哲学，是提高思考力和整体对科学掌握、理解能力的一个重要手段。,2019/11/19,3,思考题,1、为了获得一定数量的机械能是否必须投入热量？反之，为了使热量从低温物体传给高温物体，是否一定要以消耗功或热作为代价？2、为什么在各种动力装置中既要吸热又要放热？这是不是热功转换的必要条件？3、不同的工质对热工转换的程度是否有影响？4、影响能量转换的因素有哪些？如何提高转换的效果？,2019/11/19,4,全书内容划分,第3章气体和蒸汽的性质,第4章理想气体的热力过程,及热力学一般关系式第6章实际气体性质,第1章基本概念,第2章第一定律,第5章第二定律,第12章理想气体混合物及湿空气,第7章气体和蒸汽的流动,第8章压气机的热力过程,第9章气体动力循环,第10章蒸汽动力装置循环,第11章制冷循环,热力学基本概念和基本理论,工质性质,基本热力过程以及应用,2019/11/19,5,学习方法,把握线索（大量的基本概念贯穿于整个工程热力学的前前后后，抽象且相互联系，必须掌握好）；学会抽象简化的研究方法（基本定律、基本关系式是解决问题的基础，必须掌握并能灵活运用）；重视习题和实验等（理解是基础，方法是关键，熟能生巧)。扩大工程实际的知识面，从应用中理解。,2019/11/19,6,绝热热力系,孤立热力系,闭口热力系,开口热力系,1.闭口系与外界无物质交换的热力系。2.开口系与外界有物质交换的热力系。3.绝热系与外界无热量交换的热力系。4.孤立系与外界无任何联系的热力系。,第一章基本概念,灵活掌握：按具体分析需要划分系统,2019/11/19,7,本课程主要涉及两类系统：闭口系和稳流的开口系,闭口系,开口系,2019/11/19,8,第一章基本概念,状态参数具有以下特征：单值函数;变化量与路径无关，点函数。微元差是全微分。P、T、v、U、H和S;对简单可压缩系统，热功转换中只存在容积变化功。某一个状态参数可以由另外两个参数确定两维座标图。,基本状态参数，掌握温标转换压力测量（转换）比体积与密度的转换。,2019/11/19,9,系统在不受外界的影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称平衡状态。,平衡与稳定,平衡与均匀,第一章基本概念,准平衡既是平衡，又是变化；既可以用状态参数描述，又可进行热功转换只有准平衡过程，才能在坐标图中用连续的曲线表示。可逆准平衡无摩擦和其它损耗零压差温差和摩擦,2019/11/19,10,第一章基本概念,功和热是过程量，可逆过程功和热在状态参数坐标图上表示。,2019/11/19,11,循环：封闭的热力过程。工质在经历了一个循环后状态的变化量为零(过程的净热量与经功量相等)。正向自然自发，热能从高温流向低温的过程中部分利用，转变成功；逆向：热量从低温传向高温，非自发，需要输入功,经济性指标=,得到的收益,花费的代价,高温热源,热能动力装置,低温热源,吸热q1,做功wnet,放热q2,消耗热，获得功。,消耗功，获得热。,高温热源,制冷装置/热泵,低温热源,放热q1,做功net,吸热q2,正向循环,正向循环,2019/11/19,12,小结,v,p,T,T1,T2,a,b,d,c,s1,s2,d,b,a,c,q1,q2,q1,q2,s,s,s,T2,T1,sab,wnet,1.首先，（经抽象和简化）对所需研究的对象主观地划分系统。2.将其状态、经历的过程、循环表示在pv图和Ts图上。3.计算过程（比）功量、热量和效率、功率等。,2019/11/19,13,各种热工装置的热力学共性内容归纳,内燃机装置,燃气轮机装置,蒸汽动力装置,装置名称工作物质热源冷源功,水蒸汽,高温物体,冷却水,对外输出功,燃气,燃烧烟气,大气,对外输出功,燃气,燃烧烟气,大气,对外输出功,压缩制冷装置,制冷剂,被冷却物体,大气,消耗功,2019/11/19,14,第二章热力学第一定律,热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中的应用。确定了热力过程中各种能量在数量上的相互关系。“热可以变为功，功也可以变为热。在热能和机械能之间相互转换时，一定量的热消失时必产生相应量的功；消耗一定量的功时必出现与之对应的一定量的热。”,各章基本知识点,实质是能量的收支平衡：Q吸热为正；内能增加U为正；对外作功为正,2019/11/19,15,第二章热力学第一定律,热力学能U(内能)包括分子热运动引起的内动能(T相关)和分子间的相互作用力引起的内位能(v相关)；总能E包括内部储存能（热力学能）U和外部储存能（宏观运动能及位能）,各章基本知识点,焓=热力学能+推动功,技术功=容积功-流动功(推动功之差),对流动工质(开口系统)，焓表示沿流动方向传递的总能量中，取决于热力状态的那部分能量。,2019/11/19,16,第二章热力学第一定律,闭口系能量平衡方程式：,各章基本知识点,只有对可逆过程，有,稳定流动开口系统能量方程式：,v,p,1,v1,p1,2,v2,p2,0,P1v1,P2v2,膨胀功w,技术功wt,2019/11/19,17,第二章热力学第一定律,热力学第一定律的能量方程式在工程上应用很广，但首先要对其不同的形式进行有较为全面的认识：,从闭口系推导，与开口系方程形式不同，实质相同,在闭口、开口系均成立，应用于闭口系时，不存在推动功p1v1、p2v2，轴功wi要变为膨胀功w，,开口、闭口系统；稳定、不稳定流动；可逆、不可逆过程。,2019/11/19,18,第二章热力学第一定律,一、动力机：wi=-h=h1-h2=wt工质在其中膨胀，其对外输出的净功等于工质进出口焓降二、压气机：wC=-wi=h=h2h1=wt工质在其中被压缩，外界对其做功全部转变为工质焓增。三、换热器：q=h=h2-h1工质与外界交换的热量主要用于改变其的焓值。四、管道：1/2（cf22cf12）=h1-h2工质的焓降用于增加其自身动能。五、节流：h1=h2节流前后工质的焓值保持不变。,各章基本知识点,2019/11/19,19,第三章理想气体的性质,理想气体的概念：微观模型宏观解释现实应用微观模型：分子是弹性、不具体积的质点，分子间没有作用力。宏观解释：实际气体在p0,v时的极限状态，此时分子本身体积远小于其活动空间，内位能可以忽略。现实应用：工程中常用的氧气、氮气、空气、燃气等工质，在通常使用的温度、压力下都可作为理想气体处理。实际气体：氨、氟里昂、水蒸气,各章基本知识点,2019/11/19,20,第三章气体和蒸汽的性质,理想气体的状态方程式：,各章基本知识点,气体常数，与状态无关，只与种类有关，J/(kgK),令，则R是与理想气体的状态和种类都无关的普适恒量，称为摩尔气体常数（或通用气体常数）。因而有：,不同物量时状态方程的形式,2019/11/19,21,理想气体的比热容,c:质量比热容、Cm:摩尔比热容、C:容积比热容热量是过程量，因此比热容也与热力过程特性有关;也与物体自身的热力性质、状态有关;,各章基本知识点,定容比热容,定压比热容,一般关系式，适用于任何工质cv和cp分别是状态参数u和h对T的偏导数，因此对于确定的过程，cv和cp也是状态参数。,2019/11/19,22,对于理想气体而言，忽略分子间相互作用(内位能),热力学能u与焓h仅与内动能有关，是温度的函数，理想气体的cp和cv也仅仅是温度的函数。cp和cv之差为气体常数Rg比值cp/cv称为比热容比(绝热指数)，非定值,迈耶公式,2019/11/19,23,比热应用的4种形式,真实比热容(多项式拟合)：平均比热容(区域平均)-查表，准确平均比热容直线关系式定值比热容：给定、查表、按分子运动理论导出(绝热指数),2019/11/19,24,理想气体热力学能和焓只是温度的单值函数，与p、v无关,对于理想气体，通常取0K时的焓值为0，这时任意温度T时的h、u实质上是从0K计起的相对值。,熵是描述热力系统混乱度的状态参数，与途径无关。,对于可逆过程，由于qf0，于是有,2019/11/19,25,理想气体熵方程虽从可逆过程推导而来，但只涉及状态量或状态量的增量，因此不可逆过程同样适用即理想气体的熵变s1-2完全取决于初态和终态，熵为状态参数,理想气体熵方程,2019/11/19,26,规定p0101325Pa、T00K时，=0。任意状态（T，p）时的s值为:,状态（T，p0）时的s0值为:,熵基准状态的确定：,S0实质上是选定基准状态（T0，p0）后状态（T，p0）的熵值,仅为温度的函数，可依温度排列制表（见附表8）,2019/11/19,27,水蒸气,水的相图和三相点、临界点；水定压加热汽化过程的图示；水蒸气热力性质图表的熟悉和使用。,各章基本知识点,一定的饱和温度对应于一定的饱和压力，反之也成立，即两者间存在单值关系。,2019/11/19,28,水温超过一定数值tc时，液相不可能存在，而只能是气相-临界状态,各章基本知识点,2019/11/19,29,未饱和水状态饱和水状态湿饱和蒸汽状态干饱和蒸汽状态过热蒸汽状态,过热阶段,水蒸汽的定压生成过程,饱和水的汽化阶段,水的预热阶段,水蒸汽的定压生成过程小结,干度x,2019/11/19,30,一点、二线、三区、五态,各章基本知识点,加热汽化过程在pv图和Ts图上可归纳为：一点：临界点；二线：饱和水线和饱和蒸汽线；三区：过冷水区、湿蒸汽区及过热蒸汽区；五态：过冷水、饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽及过热蒸汽。,p,T,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,a,b,c,d,e,饱和水线,饱和水线,饱和蒸汽线,饱和蒸汽线,临界点,临界点,pcr=22.064MPa,Tcr=647.14K,2019/11/19,31,水蒸气图表,各章基本知识点,水蒸气是典型的非理想气体，勿用理想气体公式计算！水蒸气表和图的熟悉和使用。典型：给定饱和蒸气和饱和水的热力学参数，根据干度算出湿蒸气的热力学参数，再进行运算！当然，需要根据T、p判断状态。,2019/11/19,32,情况一：已知（p,t）,在湿蒸气区，p、t不是两个独立的变量，因此不能由p、t确定状态点。,查饱和表得已知压力（或温度）下的饱和温度ts(p)（或饱和压力ps(t)）：,2019/11/19,33,情况二：已知p（或t）及某一比参数y（v或s或h）：,查饱和表得已知压力（或温度）下的y、y”：,在湿蒸气区干度及其它参数的的计算：,2019/11/19,34,h-s图-方便进行定压热量和绝热功量计算,湿区：有定压（定温）线和定干度线；过热区：有定压线和定温线。,图中粗线为界限曲线，其上为过热蒸汽区，其下为湿蒸汽区。,定压线在湿区为倾斜直线，进入过热区斜率逐渐增大(向上倾斜)。,定温线由左右延伸，过热区，定温线较平坦，越往右越接近水平线理想气体。,由于工程上用的水蒸汽都是过热蒸汽或x50%的水蒸汽，对于x0.7,2019/11/19,35,第四章气体和蒸汽的基本热力过程,一般为可逆过程、理想气体、定值比热容。典型过程：定容、定压、定温和绝热；,根据系统平衡的性质及过程中系统与外界热传递和功传递的特定条件，建立过程方程式p=f(v)。借助过程方程和状态方程,找出不同状态间的参数关系,进而相互确定之（对于实际气体，常采用图表计算）。在p-v图和T-s图中画出过程曲线,直观地描述过程中参数的变化规律及能量转换情况。计算热力过程始、末状态间的比热力学能,比焓和比熵的变化量（u、h、s）。确定1kg工质对外作出的功和过程热量。,分析热力过程的一般步骤,思考，热量如何计算？,2019/11/19,36,第四章理想气体的热力过程,定容过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换,各章基本知识点,V=Constant,公式都只给出定比热容的形式，对于变比热容的情况，请自行变换。参照P101，注意k值也非定值。,2019/11/19,37,第四章理想气体的热力过程,定压过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换,各章基本知识点,p=Constant,2019/11/19,38,第四章理想气体的热力过程,定温过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换,各章基本知识点,T=Constant,2019/11/19,39,第四章理想气体的热力过程,定熵过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换,各章基本知识点,2019/11/19,40,第四章理想气体的热力过程,多变过程：过程方程式p,v,T关系u,h,s计算能量交换,各章基本知识点,要会求多变过程比热容,2019/11/19,41,第四章理想气体的热力过程,各章基本知识点,四个基本热力过程在p-v,T-s图上的表示。各种特征多变过程在p-v和T-s图上表示（习题4-12）。,v,p,s,T,定压,n=0,定压,n=0,定容,n=,定容,n=,定温,n=1,定温,n=1,定熵,n=k,定熵,n=k,0n1,0n1,1nk,1k,图4-3各种过程的p-v图和T-s图,2019/11/19,42,(1)功热转化(2)有限温差传热（温差）(3)自由膨胀（压力势）(4)混合过程（浓度势）自然界一切自发进行的物理现象均有方向性（单向），系统总是由不平衡状态朝着平衡状态进行。一个非自发过程的实现，一定是以另一个自发过程的进行作为补充。*凡是能够独立地、无条件自动进行的过程，称为自发过程。其它不能自动进行而需要外界帮助的过程称为非自发过程。,第五章热力学第二定律,2019/11/19,43,第五章热力学第二定律,关于能量传递或转化时的方向、条件和限度开尔文普朗克说法热功转换角度不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其他任何变化的循环工作的热力发动机。克劳修斯说法传热角度热不可能自发地、不付代价地从低温物体传至高温物体。2种表述的相互证明。,各章基本知识点,2019/11/19,44,第五章热力学第二定律,卡诺循环：吸热与放热过程中热源与工质间T=0时，热效率最高-定温吸、放热+绝热压缩、膨胀。,各章基本知识点,v,p,T,T1,T2,a,b,d,c,s1,s2,d,b,a,c,q1,q2,q1,q2,s,s,s,T2,T1,图5-3卡诺循环,sab,wnet,定温吸热,定温放热,绝热膨胀,绝热压缩,2019/11/19,45,第五章热力学第二定律,各章基本知识点,卡诺循环效率：,c只决定于T1、T2，与工质性质无关；T1、T2，温差越大，c！c只能小于1,因T1=或T2=0都不能实现。（热二律）当T1=T2时,c=0。表明:“凡有温差皆有动力”“单热源热机不可能”。,卡诺定理,定理一：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环，其热效率都相等，与可逆循环的种类无关，与采用哪种工质也无关。定理二：在温度同为T1的热源和同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环，其热效率必小于可逆循环。,2019/11/19,46,回热是提高热效率的一种行之有效的方法，被广泛采用。,概括性卡诺循环,h,n,g,m,T,d,b,a,c,q1,q2,T1,T2,多热源可逆循环,T,0,s,m,n,D,d,e,a,A,h,B,b,c,C,l,T1,T2,g,ds,s,T1,T2,Ti,2019/11/19,47,第五章热力学第二定律,克劳修斯法导出状态参数-熵,各章基本知识点,P,V,O,任意可逆循环看作无数个微元卡诺循环组成。微元卡诺循环,图5-7熵参数导出用图,变化量与路径无关，只与初终态有关，其微元差是全微分，定义为状态参数-熵s,Tr1、Tr2是换热时的热源温度，统一用T表示。,2019/11/19,48,热力学第二定律的数学表达式：,熵的影响因素有：热流、不可逆损耗、物流,1、卡诺定理:TC,2、克劳修斯积分等式和不等式,3、过程方程式：,4、孤立系统熵增原理：,dSiso=Sg0,5、能量贬值原理：,dEx,iso0,2019/11/19,49,孤立系熵增原理及其应用,孤立系统的熵只能增大，或者不变，绝不能减小，,各章基本知识点,热源熵变,工质熵变,冷源熵变,由卡诺定理二可知：,0,1、热功过程,2019/11/19,50,2、温差传热过程,若为有限温差传热，TATB，则有,3、摩擦耗散，功转化成热,耗散热Qg耗散功Wl，由孤立系内某个物体吸收，引起熵增大,如果吸收耗散热的物体温度环境温度，它将不再具有做功的能力，做功能力损失I，dIdWl。,2019/11/19,51,熵增原理的实质,孤立系统内部存在不平衡势差是过程自动进行的推动力，也是总熵增大的原因。当自动过程停止进行时，孤立系统的总熵达到最大值，系统达到相应的平衡状态，这时，即为平衡判据。因而，熵增原理指出了热过程进行的限度。,实际过程都不可逆，所以实际的热力过程总是朝着使系统总熵增大的方向进行。熵增原理阐明了过程进行的方向。,导致孤立系统熵减的过程不可能单独进行，除非有补偿过程（使孤立系统熵增的过程）伴随发生，以使孤立系统总熵增大（至少不变）。从而熵增原理也揭示了热过程进行的条件。熵增原理全面地、透彻地揭示了热过程进行的方向、限度和条件，这些正是热力学第二定律的实质。,2019/11/19,52,一、闭口系（控制质量）熵方程,（5-23）,控制质量的熵变等于熵流和熵产之和。,2019/11/19,53,二、开口系（控制体积）熵方程,开口系熵方程的一般形式:,图5-17熵方程导出模型,控制体积熵变,热源熵变(放热-),系统流出熵变（物质源流入）,系统流入熵变（物质源流出）,控制体积的熵变等于熵流与熵产之和。,热熵流(吸热-),物质熵流,熵产,注意：熵产和熵流同过程有关，同样的系统初、终态之间有不同的不可逆过程，各自的熵产和熵流可以不相同，但综合效应引起的系统熵变相同。,2019/11/19,54,（火用）的概念、孤立系中熵增与（火用）损失，能量贬值原理,可无限转换的能量称为（火用）“有用功”。而把能量中不可能转化为有用功的部分称为（火无）（“废热”）。（火用）损失/有用功损失,各章基本知识点,2019/11/19,55,热量（火用）,冷量（火用）,2019/11/19,56,TA和T0之间的可逆热机可做的最大功即为TA温度体系的热量（火用）为1234,(火无)为3564。而由于温差不可逆传热，体系B的温度比体系A的要低，其热量（火用）为1234，(火无)为3564。,s,T,TA,T0,火用,火无,1,2,TB,sA,siso,1,2,三、孤立系中熵增与（火用）损失，能量贬值原理,5,3,4,6,3,5,sB,(火无)增,2019/11/19,57,孤立系熵增等于熵产表明：环境温度T0一定时，孤立系统（火用）损失与其熵增成正比。上式同样适用与开口或闭口系统。孤立系统中进行热力过程时（火用）只会减小不会增大，极限情况下（可逆过程）（火用）保持不变，这就是能量贬值原理，即,由于实际过程总有某种不可逆因素，能量中的一部分（火用）不可避免地将退化为（火无），而且一旦退化为（火无）就再也无法转变为（火用），即能量贬值。因而尽可能地减少（火用）损失是合理用能和节能的指导方向。,2019/11/19,58,第七章气体和蒸汽的流动,熟悉当地音速、绝热滞止、马赫数、喷管的类型、扩压管等概念；喷管的计算（状态判断、出口面积、出口速度）和选型；了解背压变化时喷管内流动过程、有摩阻的绝热流动和绝热节流等。,各章基本知识点,2019/11/19,59,稳定流动的基本方程式：,四、声速方程,三、过程方程式,二、能量方程,一、质量方程,普适，必须条件,普适，绝热过程忽略高度能,定值比热的理想气体或实际气体的经验公式,状态参数，各截面音速不断变化,2019/11/19,60,一、力学条件,（8-9）,由流动过程能量方程式和热力学第一定律解析式，得：,式（8-9）即为促使流速变化的力学条件，即压力降低时技术功为正，故气流动能增加，流速增加；相反，如压力升高，则流速必降低。反过来，要使气流速度增加，必须膨胀以降低其压力。,或,（b）,2019/11/19,61,二、几何条件,（8-8）,（8-9）,可见流速变化时气流截面面积的变化规律不但与流速的高低（与当地声速比较）有关，还与喷管是渐缩还是扩压管有关（dcf的正负）。,再+连续性方程式微分式,绝热过程方程式,力学条件,2019/11/19,62,促使流速改变的条件,1、力学条件,2、几何条件,压力降低时技术功为正，故气流动能增加，流速增加；相反，如压力升高，则流速必降低。反过来，要使气流速度增加，必须膨胀以降低其压力。,符合几何条件则膨胀或压缩过程的不可逆损失减少，截面面积的变化规律与Ma的高低有关，也与是膨胀还是压缩有关（是喷管还是扩压管）。,2019/11/19,63,喷管内工质各参数沿流动方向的变化规律,2019/11/19,64,各章基本知识点,图8-3喷管(dp0,dcf0),Ma1,Ma1,Ma1,dA0渐扩,dA0缩放,扩压管是使工质流过后，速度降低而压力升高的设备。气体在扩压管中的能量转换过程，正好和喷管中的过程相反,2019/11/19,65,喷管的计算（状态判断、出口面积、出口速度）和选型,各章基本知识点,cr=0.528,双原子理想气体，若比热容取定值,k=1.4,cr=0.546,过热蒸汽,k=1.3,cr=0.577,干饱和蒸汽,k=1.135,关键：状态判断(习题8-2),流量按最小截面（即收缩喷管的出口截面，缩放喷管的喉部截面）来计算,0,a,qm,c,b,图8-7喷管流量qm,临界,临界流量,2019/11/19,66,收缩喷管，qm随压比p2/p0的降低而增加，但当(p2/p0)=cr时流量达最大值，并且压比继续降低亦不能使流量继续增大。-先判断收缩喷管的出口压力能否降到临界压力。缩放喷管：虽然喷管出口截面的压力p2继续降低，喉部截面以后气流速度达到超声速，喷管截面面积也扩大，但由于缩放喷管的喉部截面保持临界状态，故流量保持不变。对于喷管设计时，先确定喷管的几何形状，再按照给定的流量计算截面尺寸。,各章基本知识点,2019/11/19,67,喷管两种计算,各章基本知识点,2019/11/19,68,*,了解背压变化时喷管内流动过程：渐缩喷管1.pbpcr，气体能够完全膨胀，p2=pb。AB2.pbpcr，刚好完全膨胀，p2=pb=pcr。达到当地声速cf,cr，和最大流量qm,max。AC3.pbpcr，膨胀不足。p2=pcr和cf,cr、qm,max。ACD,各章基本知识点,D,p,A,B,C,p0,p2,pb,pcr,D,p0,p2,pb,p,A,B,C,G,E,F,p0,缩放喷管,1.pb设计出口压力p2:ABC。2.pbp2:过度膨胀:EG。,2019/11/19,69,有摩阻的绝热流动Vc/Vh,V。即余隙容积的存在限制了增压比的提高。,各章基本知识点,图9-3有余隙容积时的示功图,V,p,4,1,3,2,g,f,0,6,V=V1-V4,Vh=V1-V3,Vc,V4-V6,有效吸气容积(V1-V4)/活塞排量(V1-V3),耗功量仍为：,2019/11/19,75,多级压缩和级间冷却的优点：耗功、终温、高压气缸比体积，直径。最佳压缩比：每级压气机所需的功相等。每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同（T2=T3）。每级向外排热量相等，而且每一级的中间冷却器向外排热量也相等。,各章基本知识点,V,p,P1,1,P2,2,3,e,g,f,2,3,Pm,3T,图9-4两级压缩、中间冷却压气机示意图（b）,多级压缩和级间冷却,2019/11/19,76,活塞式压缩机的评价指标：叶轮式压气机的评价指标：,各章基本知识点,定温效率,绝热效率,可逆定温压缩过程耗功,实际压缩过程耗功,可逆绝热压缩过程耗功,实际压缩过程耗功,2019/11/19,77,第九章气体动力循环,活塞式内燃机的三种理想加热循环及其相关无量纲量的定义；三种理想加热循环的热经济性的计算比较；布雷顿(Brayton)循环的图示及其热效率计算。,各章基本知识点,2019/11/19,78,分析动力循环的一般方法,各章基本知识点,1、将实际循环抽象和简化成理想循环,任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的，且十分复杂。为了进行热力分析，需要建立实际循环相对应的热力学模型，即可用理想的可逆循环代替实际不可逆循环。如将实际不可逆的燃烧过程简化为可逆的吸热过程,动力循环的热效率：,2、将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上,3、对理想循环进行分析计算,计算循环中有关状态点（如最高压力点、最高温度点）的参数，与外界交换的热量、功量以及循环热效率或工作系数。,2019/11/19,79,分析动力循环的一般方法,各章基本知识点,5、对理想循环的计算结果引入必要的修正,考虑实际存在的不可逆性对理想循环的结果进行修正。,4、定性分析各主要参数对理想循环的吸热量、放热量及净功量的影响，进而分析对循环热效率（或工作系数）的影响，提出提高循环热效率（或工作系数）的主要措施。,平均温度分析法：,6、对实际循环进行热力学第二定律分析,熵分析火用分析,2019/11/19,80,空气标准假设及内燃机循环的简化,气体动力循环在简化时常应用所谓“空气标准”假设：假定工作流体是一种理想气体；假设它具有与空气相同热力性质；将排气过程和燃烧过程用向低温热源的放热过程和自高温热源的吸热过程取代。1）燃烧过程可逆定容或（和）定压吸热过程；把排气过程向低温热源可逆定容放热过程；2）工质定值比热的理想气体（空气）；3）吸、排气过程忽略摩擦及节流损失，认为进、排气推动功相抵消，即图10-1中0-1和1-0重合，加之把燃烧改成加热后，不必考虑燃烧耗氧问题，因而开式循环就可抽象为闭式循环；4）膨胀和压缩过程可逆绝热（等熵）过程；,2019/11/19,81,图10-4混合加热理想循环,（1）压缩比：压缩前、后比体积之比，表征内燃机工作体积大小。,（2）定容升压比:定容加热后与加热前压力之比，表示内燃机定容燃烧情况。,（3）定压预胀比:定压加热后与加热前比体积之比，表示内燃机定压燃烧情况。,混合加热循环,2019/11/19,82,图10-4混合加热理想循环,混合加热循环,循环中工质从高温热源吸收的热量q1为：,向低温热源放出的热量q2为：,循环净功wnet为：,据循环热效率定义有：,定容和定压吸热2个过程,2019/11/19,83,通常把气体动力循环的热效率表示为循环特性参数的函数。因为1-2与4-5是定熵过程，故有:,注意到v1=v5、p4p3、v2=v3,并将上两式相除得:,2019/11/19,84,3-4是定压过程，有:,2-3是定容过程，有:,1-2是定熵过程，有:,由于5-1是定容过程，所以:,2019/11/19,85,上式说明：t随压缩比和定容增压比的增大而提高。t随定压预胀比的增大而降低。*在循环特性参数（、及）一定的条件下，提高初态参数，对热效率虽然并无影响，但可以提高净功。因此可以采用“增压”等措施来提高柴油机的净功。,混合加热循环的热效率为:,=v1/v2,T2,=p3/p2,T3,=v4/v3,T4，但T5也,平均吸热温度升高,因为定容线比定压线陡，平均放热温度的提高比平均放热温度的提高要大,=v1/v2,T2,=p3/p2,T3,=v4/v3,T4，但T5也,平均吸热温度升高,因此定容线比定压线陡，平均放热温度的提高比平均放热温度的提高要大,2019/11/19,86,定压加热循环,高速柴油机的燃烧过程主要在活塞离开上止点后的一段行程中进行，这时燃料燃烧和燃气膨胀同时进行，气缸内压力基本保持不变简化成定压加热理想循环，可以看成混合加热理想循环的特例没有定容加热过程=1：,2019/11/19,87,定压预胀比对循环热效率的影响,3,2,3,2,4,4,1,1,p,v,T,s,s,s,p,v,增大预胀比，可使吸热平均温度升高，放热平均温度也升高，因定容线比定压线陡，所以放热平均温度增长的比吸热平均温度增长的快，使循环热效率减小。,2019/11/19,88,各章基本知识点,定容加热循环,由于煤气机、汽油机和柴油机燃料性质不同，机器的构造也不同，其燃烧过程接近于定容过程，不再有边燃烧边膨胀接近于定压的过程，相当于预胀比1时的混合加热循环：,2019/11/19,89,各种理想循环的热力学比较,压缩比相同、q1相同的比较：,各章基本知识点,定压,混合,定容,最高压力和温度相同时的比较：,定压,混合,定容,2019/11/19,90,燃气轮机布雷顿(Brayton)循环,各章基本知识点,绝热膨胀,定压加热的理想循环的循环的特性参数是循环增压比和循环增温比，分别表示循环压力和温度的最大值与最小值之比。,2019/11/19,91,由于燃气轮机装置实际循环各过程都伴随有不可逆损失，主要是压缩过程和膨胀过程存在的摩擦等不可逆性熵增、焓（温）升。,燃气轮机装置的定压加热实际循环,分析：压气机实际耗功wC=h2h1(h2h1)/C,s(10-16)燃气轮机实际作功wT=h3h4T(h3h4)(10-17)利用两个效率参数，可把循环内部热效率表示为：,图10-19燃气轮机装置实际循环的T-s图,压缩机的绝热效率,燃气轮机的相对内部效率,2019/11/19,92,第十章蒸汽动力循环装置,为什么不能采用工质为水蒸气的卡诺循环？朗肯循环，以及蒸汽参数对其热效率的影响；再热循环的目的及其热效率计算；抽汽回热循环中抽汽量、做功量和热效率的计算。（参考P309例题11-3）,各章基本知识点,2019/11/19,93,为什么不能采用工质为水蒸气的卡诺循环？,1、工质处于低干度的湿汽状态（点8）!水汽混合物的压缩（状态8）有困难，压缩机工作不稳定，而且8点的湿蒸汽比容比水大得多（通常大成千上万倍），需用比水泵大得多的压缩机，使得输出的净功大大减少，同时对压缩机不利。2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多，不利于动力机的安全。,3(2),2019/11/19,94,各章基本知识点,因为,循环的热效率为,略去水泵消耗比轴功，,h3=h2,蒸汽动力装置的热效率为,一般很小，占0.8-1%，,新蒸汽焓,乏汽焓,凝结水焓,朗肯循环热效率,2019/11/19,95,1、初温T1对热效率的影响。,四、蒸汽参数对热效率的影响,优点：循环吸热温度，有利于汽机安全。,缺点：对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在550，很少超过600;汽机出口尺寸大,3,2,1,4,5,T1,T1,s,T,2019/11/19,96,2、初压p1对热效率的影响,提高初压将使绝热膨胀终点的干度下降。因为提高初温能提高乏汽的干度,所以提高初压和提高初温应同步进行。,2019/11/19,97,3、背压p2对热效率的影响,优点：,局限：受环境温度限制，现在大型机组p2为0.00350.005MPa，相应的饱和温度t2约为2733，已接近事实上可能达到的最低限度。冬天环境温度较低，可以达到较低的凝结温度，p2，热效率较高。此外，降低p2若不提高t1，亦会引起乏汽干度x2a降低，其后果与单独提高p1类似。,2019/11/19,98,有摩阻的实际循环,摩阻！熵增！,各章基本知识点,汽轮机实际所做的技术功：,2019/11/19,99,再热循环,P,1,2,3,4,B,C,T,为了使x2,可采用再热循环:当新汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导入锅炉中特设的再热器R或其他换热设备中，使之再加热，然后再导入汽轮机继续膨胀到背压p2。设备简图如右图所示。,S,R,2019/11/19,100,再热循环,再热后膨胀到相同背压时干度x2增高，给提高初压创造了条件。再热初衷是解决湿度问题。现在的初温提高了，初压力比较小的都不需要再热，而且再热的管道耗费、散热严重、控制困难。循环热效率与再热压力有关,各章基本知识点,T,s,0,图11-9再热循环的T-s图,即分子、分母均加上（ha-hb）。,2019/11/19,101,回热循环利用蒸汽回热消除朗肯循环中水在较低温度下吸热的不利影响,提高热效率,实际上是不同能级的热量的合理利用。抽汽回热循环中抽汽量、做功量和热效率的计算。（参考P309例题11-3）,各章基本知识点,2019/11/19,102,T,s,0,图11-9一级抽气回热循环T-s图,对于一级抽汽回热循环，每千克状态为1的新蒸汽绝热膨胀到状态01（p01,t01），即从汽轮机中抽出1kg，将之引入回热器。剩下的（1-1）kg蒸汽在汽轮机内继续膨胀到2，然后进入冷凝器，被冷却凝结成冷却水2,再经给水泵加压到p01进入回热器。在其中被1kg的抽汽加热成饱和水，并与1kg的蒸汽凝结的水汇成1kg状态为的饱和水。然后被给水泵加压，泵入锅炉，继续完成循环。由于T-s图上各点质量不同，面积不再直接代表热和功。,1kg,kg,kg,2019/11/19,103,循环热效率:,抽汽量:,一般忽略水泵的耗功，认为，并有：,可以证明：回热循环的热效率一定大于单纯朗肯循环的热效率。现代大型蒸汽动力装置都采用回热循环，但一般很少超过8级，以免系统过于复杂。,回热循环的计算,回热过程中的热平衡关系式：,2019/11/19,104,(1)回热循环的t大于单纯朗肯循环的t；(2)锅炉热负荷减低，可减少锅炉受热面积，节省金属材料；(3)汽耗率增大使高压端蒸汽流量增加，而抽汽减少了低压端的排汽流量，于是，解决了第一级叶片太短而末级叶片太长的矛盾。(4)可减少冷凝器换热面积，节省铜材。,回热循环的优点:,回热循环的特点:,循环中工质自热源吸热量q1，向冷源放热量q2及循环净功wnet都比原朗肯循环的对应量要小。但由于工质平均吸热温度提高，平均放热温度不变，故循环热效率提高。回热效率提高的基本原理在于热能的分级、合理利用。,2019/11/19,105,第十一章制冷循环,逆向循环的经济性能指标；压缩空气制冷循环可视为逆向布雷顿循环，对应的回热式循环的的优点；压缩蒸汽制冷循环的图示及其制冷系数的表达。,各章基本知识点,压气机,2019/11/19,106,第十二章制冷循环,各章基本知识点,制冷系数：,热泵系数：,逆向卡诺循环,工程上把制冷系数称为制冷装置的工作性能系数，用COP表示。,2019/11/19,107,第十二章制冷循环,工程上气体的定温加热和定温排热不易实现，故用定压加热和定压排热代替，可视为布雷顿循环的逆循环，,各章基本知识点,3,4,5,8,定压放热,定压加热,绝热膨胀,绝热压缩,2019/11/19,108,第十二章制冷循环,各章基本知识点,把空气理想化成定比热容的理想气体,则有：,循环增压比、，但比较循环1-7-8-9-1和1-2-3-4-1可知，也会导致循环制冷量减少。制冷系数和制冷量是一对矛盾。-大流量叶轮式压气机和膨胀机+回热！,9,4,4,s,1,o,3,T,2,0,T,7,1,c,T,9,6,5,8,2019/11/19,109,提高增压比可获得较低温度，但使压气机和膨胀机的负荷加重。为此可采用回热器，用空气在回热器中的预热过程代替一部分绝热压缩过程，从而降低增压比。回热器就是一个换热器,空气在其中的放热量(过程4-5)等于被预热空气在其中的吸热量(过程1-2)。,回热式空气制冷循环,2019/11/19,110,回热式空气制冷循环,同温限，使增压比可以降低！可以使用大流量、压比不能很高的叶轮式压气机和膨胀机，循环既有较高的制冷系数，又有较大的制冷量。此外，由于不应用回热时，在压气机中至少要把工质从TC压缩到T0以上才有可能制冷（因工质要放热给大气环境）。而在气体液化等低温工程中，TC和T0之间的温差很大，这就要求压气机有很高的，叶轮式压气机很难满足这种要求。应用回热则解决这一困难。由于减少，压缩过程和膨胀过程的不可逆损失的影响也可减小。,各章基本知识点,T0,Tc,Tmax,2019/11/19,111,压缩蒸汽制冷循环,压缩蒸气制冷循环的设备示意图如右图所示，主要部件：压缩机、冷凝器、节流阀（膨胀阀）和蒸发器。,压缩空气制冷循环2个缺点：偏离逆向卡诺循环的等温过程；空气的定压比热容小q2也小。,压缩蒸汽制冷循环，2个特点：湿蒸汽区的定压即等温；蒸汽定压比热容比空气大。,回