华北电力大学（北京）工程热力学课件（第十章）

工程热力学课件,华北电力大学（北京）动力工程系工程热物理教研室制作2005年5月,2,第十章 气体的动力循环 -Gaspowercycles,3,101 分析动力循环的一般方法,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，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,1）实际循环（复杂不可逆）,抽象、简化,可逆理论循环,分析可逆循环,影响经济性的主要因素和可能改进途径,实际循环,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 损失的部位、大小、原因及改进办法。,4,三.分析动力循环的方法,1）第一定律分析法,以第一定律为基础，以能量的数量守恒为立足点。,2）第二定律分析法,综合第一定律和第二定律从能量的数量和质量分析。,熵分析法,火用分析法,熵产,作功能力损失,火用损,火用效率,5,3) 内部热效率(internal thermal efficiency )i,不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。,其中,与实际循环相当的卡诺循环热效率,与实际循环相当的内可逆循环的热效率,相对热效率(relative thermal efficiency)， 反映该内部可逆循环因与高、低温热源 存在温差（外部不可逆）而造成的损失,相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失,一.活塞式内燃机(internalcombustionengine)简介,分类： 按燃料：煤气机(gasengine)、汽油机(gasolineengine; petrolengine)、柴油机(dieselengine) 按点火方式：点燃式(sparkignitionengine)、压燃式 (compressionignitionengine) 按冲程：二冲程(two-stroke)、四冲程(four-stroke),7,活塞式内燃机循环特点：开式循环(opencycle)；,燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆；各环节中工质质量、成分稍有变化。,8,二、平均有效压力- mean effective pressure,9,三.活塞式内燃机循环的简化,01 吸气12 压缩23 喷油、燃烧34 燃烧45 膨胀作功50 排气,简化：引用空气标准假设,燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热,排气5-1等容放热,压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程,吸、排气线重合、忽略,燃油质量忽略,燃气成分改变忽略,11,103 活塞式内燃机的理想循环,一.混合加热理想循环（dualcombustioncycle） 1.p-v图及T-s图,12 等熵压缩；23 等容吸热；34 定压吸热；45 等熵膨胀；51 定容放热,特性参数：,压缩比compressionratio,定容增压比pressure ratio,定压预胀比 cutoff ratio,12,2.循环热效率,或,13,14,两式相除，考虑到,把T2、T3、T4和T5代入,求,15,讨论：,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要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。,b.利用T-s图分析循环较方便。,c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。,16,二.定压加热理想循环Dieselcycle,17,讨论：,C) 重负荷（，q1 ）时 内部热效率下降，除 外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降,18,三.定容加热理想循环Ottocycle,19,20,讨论：,C) 重负荷（q1 ）时内部热效率下降，因温度上升使 ，造成热效率下降,104 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较,压缩比相同、放热量相同,最高压力相同、最高温度相同,23,10-5 燃气轮机装置循环,24,特点： 1.开式循环(opencycle)，工质流动 2.运转平稳，连续输出功 3.启动快，达满负荷快 4.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 (specificweightofengine)仍较大,用途：飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-loadset)，和蒸汽机组组成联合循环等。,燃气轮机装置循环的四个过程： 绝热压缩过程（压气机）； 定压加热过程（燃烧室、加热器）； 绝热膨胀过程（燃气轮机、气轮机）； 定压放热过程（大气、冷却器）。,一、定压加热燃气轮机循环 布雷登循环 Braytoncycle,燃气轮机装置,闭式燃气轮机装置,循环特性参数： 增压比=p2/p1 最高温度T3 升温比= T3/T1,参数关系：,循环加热量：,循环放热量：,循环热效率：,将参数关系代入，有：,可见，热效率提高。,功量燃气轮机轴功：,压气机耗功：,时循环净功有极大值。,可见w0仅为增压比的函数，当为,29,分析,？,30,31,可见： 1）对于每一，均有其wnet,max 2）上升，即T3上升，使取 得wnet,max 的 上升，t上 升，所以提高T3 能带动 wnet,max 及t同时升高。,32,106 燃气轮机装置定压加热实际循环,一.定压加热的实际循环 1-2 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀； 4-1 定压放热。,33,二.压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency) CS 和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)T,34,三.燃气轮机装置的内部热效率 (internalthermalefficiency)i,35,讨论：,增大是提高燃气轮机装置性能（wnet，i）的方向。,36,107 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施,一.回热regeneration,讨论,2）极限回热,38,3）回热度regeneratoreffectiveness,注意：达一定值，回热不能进行,4）实际循环的回热,39,分级压缩，中间冷却multistage compression and intervening cooling,40,二. 分级压缩，中间冷却,采用分级压缩，中间冷却后t？,循环12341：,循环1567341：,循环12341,循环67256,循环67256：,回热基础上分级压缩中间冷却,回热基础上,42,三.回热基础上分级膨胀，中间加热,循环12389101 =循环127101-循环37983,若无回热,若回热 循环12389101与循环12341 比较T1m上升，T2m下降,注意： 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。,例：某燃气轮机装置定压加热循环，循环增压比=7，增温比=4，压气机吸入空气压力p1=0.8MPa，t1=17c。压气机绝热效率cs=0.90，燃机轮机相对内效率T=0.92，若空气取定比热，其cp=1.03kJ/kgK，Rg=0.287 kJ/kgK，=1.3863。试求：1）装置内部热效率 i，循环吸热量q1和放热量q2； 2）压气机及燃气轮机中的不可逆损失； 3）装置每一循环的可用能损失。,1）,2）压气机内空气,sf=0,燃气轮机内,Sf=0,3),例：一燃气轮机装置实际循环，压气机入口空气参数为100 kPa，22c，出口参数为600kPa，燃气轮机入口温度为800c。压气机绝热效率cs=0.85。气体绝热流经燃气轮机过程中熵产为0.098kJ/kgk。工质可视为理想气体，且燃气性质近似空气，=1.4，cp=1.03kJ/kgk，Rg=0.287 kJ/kgk求1）循环热效率，2）若采用极限回热，求循环热效率,解：1）,所以，循环效率,极限回热后,53,气体动力循环热效率分析归纳： 基础：,方法： 在T-s图上叠加、拆分等； 在T-s图上与同温限卡诺循环比较； 利用t=f(x,y,z)的数学特性。,54,108 喷气发动机(jetengine)简介,定压燃烧喷气式发动机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。,1 总结由热机工作循环抽象为理想的热力循环的基本方法。 2 提高热机循环热效率的基本途径是什么？为此可采取什么基本措施？ 3 燃气轮机装置实际循环的