热力循环与热工设备简介

1、作作 业业 5-1 5-2 2 第五章第五章 热力循环热力循环 与热工设备简介与热工设备简介 热力循环研究目的和分类热力循环研究目的和分类 动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净 功 按工质 气体动力循环：内燃机 蒸汽动力循环：外燃机 空气为主的燃气 按理想气体处理 水蒸气等 实际气体 研究目的：合理安排循环，提高热效率 ICE ECE 气体动力循环分类气体动力循环分类 按结构 活塞式 叶轮式 汽车，摩托，小型轮船 航空，大型轮船，移动电站 联合循环的顶循环 piston engine Gas turbine cycle 气体动力循环分类气体动力循环分类 小型汽车

2、，摩托 中、大型汽车，火车， 轮船，移动电站 汽油机 petrol (gasoline) engine 按燃料 柴油机diesel engine 煤油机 kerosene oil engine 航空 气体动力循环分类气体动力循环分类 点燃式 spark ignition按点燃方式： 按冲程数： 四冲程 four-stroke 压燃式 compression ignition 二冲程 two-stroke 动力循环研究方法动力循环研究方法 实际动力循环非常复杂 不可逆，多变指数变化，燃烧等 工程热力学研究方法，先对实际动 力循环进行抽象和理想化，形成各种理 想循环进行分析，最后进行修正。 5-1

3、 5-1 内燃机的基本构造及循环内燃机的基本构造及循环 一、四冲程高速柴油机（混合加热循环） high-speed diesel engin 四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作原理 空气 废气 吸气 压缩 膨胀 排气 Intake Compression Expansion Exhaust Exhaust gas Air Intake valve Exhaust valve Fuel 油 四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程 上止点 Top dead center 下止点 Bottom dead center 四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程 1 2 3 01 吸

4、空气 p V 一般n=1.341.37 柴油自燃t=335 p0 2 0 12 多变压缩 p2=35MPat2=600800 2 喷柴油 2 开始燃烧 23 迅速燃烧，近似 V p59MPa Autoiginition 四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程 1 2 3 4 5 34 边喷油，边膨胀 p V p0 1 2 0 t4可达17001800 4 停止喷柴油 45 多变膨胀 V 近似 膨胀 p p5=0.30.5MPa t5500 51 开阀排气， 降压 10 活塞推排气,完成循环 四冲程高速柴油机的理想化四冲程高速柴油机的理想化 1 2 3 4 5 1. 工质 p V p0

5、 1 2 0 工质数量不变 定比热理想气体 P-V图p-v图 2. 0-1和1 -0抵消 开口闭口循环 3. 燃烧外界加热 4. 排气向外界放热 5. 多变绝热 6. 不可逆可逆 理想混合加热循环（萨巴德循环）理想混合加热循环（萨巴德循环） 1 2 34 5 1 2 3 4 5 p v T s 分析循环吸热量，放热量，热效率和功量 Dual cycle(Sabathe) 理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算 1 2 3 4 5 T s 吸热量 1v32p43 qcTTcTT 放热量(取绝对值） 2v51 qcTT 热效率 12 t 11 wqq qq 512 13243 11 TTq

6、qTTk TT 定义几个指标性参数定义几个指标性参数 1 2 34 5 p v 压缩比 1 2 v v 定容增压比 3 2 p p 预胀比 4 3 v v 反映气缸容 积 反映供油 规律 Compression ratio Cutoff ratio 理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算 1 2 3 4 5 T s 热效率 51 t 3243 1 TT TTk TT 1 1 1 211 2 k k v TTT v 1 2 v v 1 3 321 2 k p TTT p 3 2 p p 1 4 431 3 k v TTT v 4 3 v v 理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算 1

7、 2 3 4 5 T s 热效率 51 t 3243 1 TT TTk TT 1 54 5411 51 k k pv TTTT vp t 1 1 1 11 k k k 各因素对混合加热循环的影响各因素对混合加热循环的影响 t 1.4k 1.3k 1.2k 1、当 、 不变 t 受气缸材料限制 一般柴油机 1421 k t 1 1 1 11 k k k 潜艇用氦气，k=1.66 各因素对混合加热循环的影响各因素对混合加热循环的影响 2、当 不变 t t t 1 1.5 2 3 t 1 1 1 11 k k k 注意： 图示的研究方法 不必记忆 的复杂式 t 1 2 34 5 p v 柴油机与汽油

8、柴油机与汽油机动力循环图示机动力循环图示 1 2 34 5 p v 1 2 3 4 p v 柴油机，压燃式汽油机，点燃式 1 定容加热循环（奥图定容加热循环（奥图OTTO循环循环) ) 1 2 3 4 1 2 3 4 p v T s 定容加热循环的计算定容加热循环的计算 1 2 3 4 T s 吸热量 1v32 qcTT 放热量(取绝对值） 2v41 qcTT 热效率 12241 t 11132 11 wqqqTT qqqTT 定容加热循环的计算定容加热循环的计算 1 2 3 4 T s 热效率 41 t 32 1 TT TT 4 1 1 3 2 2 1 1 1 T T T T T T 1 3

9、21 124 k TTv TvT 1 1 2 1 2 1 11 k T T v v 1 1 1 k 定容加热循环的计算定容加热循环的计算 t 1 1 1 11 k k k 1 t 1 1 1 k t k 汽油易爆燃 一般汽油机 510 一般柴油机效率高于汽油机的效率 但汽油机小巧 1421 柴油机 柴油机与低速柴油柴油机与低速柴油机循环图示机循环图示 1 2 34 5 p v 1 2 3 4 p v 柴油机，压燃式低速柴油机，压燃式 1 定压加热循环（狄塞尔定压加热循环（狄塞尔Diesel循环循环) ) 1 2 3 4 p v 1 2 3 4 T s 定压加热循环的计算定压加热循环的计算 1

10、2 3 4 T s 吸热量 1p32 qcTT 放热量(取绝对值） 2v41 qcTT 热效率 122 t 111 1 wqqq qqq 定压加热循环的计算定压加热循环的计算 热效率 t 1 1 1 (1) k k k t 1.5 2 2.5 当 不变 t 当 不变 t 已被淘汰 5-2 5-2 活塞式内燃机循环比较活塞式内燃机循环比较 比较的条件 压缩比 吸热量 1 q 反映气缸结构尺寸、工艺材料 反映作功量（马力） 最高压力 max p 反映材料耐压、壁厚、成本 最高压力 max T 反映材料耐温 比较的对象： 混合加热，定容加热，定压加热 和和 相同相同 T s 2 t 1 1 q q

11、tvtmtp 2v2m2p qqq 平均温度法 1 q 3m 4m 1 2 3v 4v 3p 4p 和和 相同相同 T s 2 1 1 t q q 1p1m1v qqq 2 q 相等 max p max T 1 2v 3 42m tptmtv 2p 和和 相同相同 3p 4m T s 2 1 1 t q q 2p2m2v qqq 1 q max p 2p tptmtv 3m 1 2v 4v 3v 4p 2m ？ 和 相同，图示 大小 max T1 q tptmtv , 5-3 5-3 斯特林（斯特林（Stirling) )循环循环 1816年提出，近几十年才实施 冷气室热气室 加热器冷却器 A

12、B 回热器 1-2 T 压缩 2-3 V 吸热 3-4 T 膨胀 4-1 V 放热 斯特林循环图示斯特林循环图示 1 2 3 4 1 2 3 4 p v T s 概括性卡诺循环核潜艇，制冷 5-4 5-4 勃雷登循环勃雷登循环（Brayton Cycle） 用途： 航空发动机 尖峰电站 移动电站 大型轮船 联合循环的顶循环 勃雷登循环示意图和理想化勃雷登循环示意图和理想化 1 23 4 压气机 燃气轮机 燃烧室 1）工质：数量不变，定比热理想气体 理想化： 2）闭口 循环 3）可逆过程 Combustion chamber CompressorTurbine p v T s 1 2 3 4 1

13、 2 3 4 T-s and P-v diagrams for the ideal Brayton Cycle 勃雷登循环的计算勃雷登循环的计算 T s 1 2 3 4 吸热量： 1p32 qcTT 放热量： 2p41 qcTT 热效率： 12241 t 11132 11 wqqqTT qqqTT 勃雷登循环热效率的计算勃雷登循环热效率的计算 T s 1 2 3 4 热效率： 41 t 32 1 TT TT 4 1 1 3 2 2 1 1 1 T T T T T T 1 1 2 2 2 1 1 11 111 k k T T T p T p 11 3322 4411 kk kk TppT Tpp

14、T 1 t,C 3 1 T T 热效率表达式似乎与卡诺循环一样 勃雷登循环热效率的计算勃雷登循环热效率的计算 T s 1 2 3 4 热效率： t 1 2 1 1 1 k k p p 定义：压比 2 1 p p 1 1 1 k k t kt Pressure ratio 勃雷登循环净功的计算勃雷登循环净功的计算 T s 1 2 3 4 定义：循环增温比 3 1 T T 3241 342 1 111 1 pp p wcTTcTT TTT c T TTT 净 11 1 1 kk kk p c T 对净功的影响对净功的影响 T s 1 2 3 4 3 1 T T 11 1 1 kk kk p wc

15、T 净 3 4 当 不变 不变 w 净 但T3 受材料耐热限制 1 1 1 t k k 对净功的影响对净功的影响 T s 3 1 T T 11 1 1 kk kk p wc T 净 当 不变 太大 w 净 3 T 太小 t t w 净 存在最佳 ，使 最大 w 净 1 1 1 t k k 1 T 最佳增压比最佳增压比 （w净 净）的求解 ）的求解 T s 11 1 1 kk kk p wc T 净 令 opt 3 T 2(1) opt () k k w 净 1 T 0 w 净 最大循环净功 2 1 1 optp wc T 作作 业业 5-11 5-14 5-15 5-19 燃气轮机的实际循环燃

16、气轮机的实际循环 T s 1 2 3 4 压气机：不可逆绝热压缩 燃气轮机：不可逆绝热膨胀 2 4 21 c 1 2 hh hh 定义： 压气机绝热效率 燃气轮机相对内效率 3 4 oi 34 hh hh 燃气轮机的实际循环的净功燃气轮机的实际循环的净功 T s 1 2 3 42 4 31 42 21 oi34 c whhhh hh hh 净 净功 吸热量 21 1331 2 c hh qhhhh 21 k k optoic w 净 燃气轮机的实际循环的热效率燃气轮机的实际循环的热效率 T s 1 2 3 42 4 1 1 1 1 11 1 oi k c k k c k w q 净 t 热效率

17、 影响燃气机实际循环热效率的因素影响燃气机实际循环热效率的因素 1 1 1 1 11 1 oi k c k k c k w q 净 t oi c t 一定， t 一定，有最佳 optt optt 右移 和和 的关系的关系 optt opt w 净 opt w 净 地面上，尺寸次要，省燃料，取 optt 空中，尺寸重要，取 opt w 净 提高 t 受材料耐热限制 取最佳 optt 有无其它途 径 5-5 5-5 提高勃雷登循环热效率的其他途径提高勃雷登循环热效率的其他途径 2 若使T4 T4 在500oC以上 1 3 4 T s 4 p 不可能 如果T4T2 预热空气，回热 一、回热 Rege

18、neration 勃雷登循环勃雷登循环回热示意图回热示意图 1 2 3 4 压气机 燃气轮机 燃烧室 回热器 4R 2A Regenerator 回热在回热在Ts 图上的表示图上的表示 2 1 3 4 T s 4R 2R 2A 理想回热： 实际回热: 定义：回热度 22 22 A R hh hh 一般取0.60.9 tt 1 w q 净 回简 2R 4R 2A Effectiveness 压气机间冷压气机间冷intercooling的图示的图示 1 2 3 4 燃气轮机 燃烧室 间冷器 5 压气机 6 2 Intercooler 压气机间冷在压气机间冷在Ts图上的表示图上的表示 2 1 3 4

19、 T s 2 6 5 A B t 1 w q 净 间 12341和62256联合工作 tt 间简 ww 间简 AB t 1A1B ww qq 净净 间 ？ 结论： 压气机间冷热效率的推导压气机间冷热效率的推导 ABtA1AtB1B t 1A1B1A1B 1A1B tAtB 1A1B1A1B wwqq qqqq qq qqqq 净净 间 当 tAtB tAtBt 间 tAtB tAtBt 间 tAtB tAtBt 间 间冷回热示意图间冷回热示意图 1 3 4 燃气轮机 燃烧室 间冷器 5 压气机 6 2 回热器 4R 2R Intercooler Regenerator 间冷回热在间冷回热在Ts

20、图上的表示图上的表示 2 1 3 4 T s 2 6 5 tt 1 w q 净 间+回简 4R 2R tt 1 w q 净 间+回回 ttt 间+回回简 www 间+回回简 结论： 再热再热reheating示意图示意图 1 2 3 4 压气机 燃气轮机 燃烧室1 燃烧室2 3 5 Reheater 再热在再热在Ts图上的表示图上的表示 2 1 3 T s 3 4 4 tt 再简 ww 再简 5 结论： 再热回热示意图再热回热示意图 1 2 3 4 压气机 燃气轮机 燃烧室2 回热器 燃烧室1 4R 2R 5 3 Reheat-regenerative cycle 再热再热回热回热在在Ts图上的表示图上的表示 2 1 3 T s 3 4 4 结论： 5 4R 2R 2 t+t 1 1 q q 再 回回 ww 再+回回 2 qq 2回再+回 ttt 再+回回简 www 再+回回简 再热再热+间冷间冷+回热