工程热力学__第五章气体动力循环

1、第五章第五章 气体动力循环气体动力循环 Gas Power Cycle 动力循环研究目的和分类动力循环研究目的和分类 动力循环：动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的工质连续不断地将从高温热源取得的热热 量量的一部分转换成对外的的一部分转换成对外的净功净功 按工质按工质 气体动力循环气体动力循环：内燃机：内燃机 蒸汽动力循环：蒸汽动力循环：外燃机外燃机 空气为主的燃气空气为主的燃气 按按理想气体理想气体处理处理 水蒸气等水蒸气等实际气体实际气体 研究目的：研究目的：合理安排循环，提高热效率合理安排循环，提高热效率 气体动力循环分类气体动力循环分类 按结构按结构 活塞式活塞式 叶轮式叶轮式

2、汽车，摩托，小型轮船汽车，摩托，小型轮船 航空，大型轮船，移动电站航空，大型轮船，移动电站 联合循环的顶循环联合循环的顶循环 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，摩托小型汽车，摩托 中、大型汽车，火车，轮船，中、大型汽车，火车，轮船， 移动电站移动电站 汽油机汽油机 petrol (gasoline) engine 按燃料按燃料 柴油机柴油机diesel engine 煤油机煤油机 kerosene oil engine 航空航空 气体动力循环分类气体动力循环分类 点燃式点燃式 spark ignition 按点燃方式：按

3、点燃方式： 按冲程数：按冲程数： 四冲程四冲程 four-stroke 压燃式压燃式 compression ignition 二冲程二冲程 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实际动力循环非常复杂 不可逆，多变指数变化，燃烧不可逆，多变指数变化，燃烧等等 工程热力学研究方法，先对实际动力循工程热力学研究方法，先对实际动力循 环进行环进行抽象抽象和和理想化理想化，形成各种理想循环进，形成各种理想循环进 行分析，最后进行行分析，最后进行修正修正。 活活塞式内燃机动力循环塞式内燃机动力循环 一、四冲程高速柴油机一、四冲程高速柴油机（混合加热循环）（混合加热循

4、环） 空气空气 废气废气 吸气吸气压缩压缩膨胀膨胀 排气排气 IntakeCompressionExpansionExhaust Intake valve Exhaust valve 油油 四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程 1 2 3 01 吸空气吸空气 p V 一般一般n=1.341.37 柴油自燃柴油自燃t=335 p0 2 0 12 多变压缩多变压缩 p2=35MPat2=600800 2 喷柴油喷柴油 2 开始燃烧开始燃烧 23 迅速燃烧，近似迅速燃烧，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

5、 34 边喷油，边膨胀边喷油，边膨胀 p V p0 1 2 0 t4可达可达17001800 4 停止喷柴油停止喷柴油 45 多变膨胀多变膨胀 V 近似近似 膨胀膨胀 p p5=0.30.5MPat5 500 51 开阀排气，开阀排气， 降压降压 10 活塞推排气活塞推排气,完成循环完成循环 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. 工质工质 p V p0 1 2 0 工质数量不变工质数量不变 定比热理想气体定比热理想气体 P-V图图p-v图图 2. 0-1和和1 -0抵消抵消 开口开口闭口循环闭口循环 3. 燃烧燃烧外界加热外界加热 4. 排气排气向向外界放

6、热外界放热 5. 多变多变绝绝热热 6. 不可逆不可逆可逆可逆 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 分析循环分析循环吸热量，放热量，热效率吸热量，放热量，热效率和和功量功量 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 吸热量吸热量 1v32p43 qcTTcTT 放热放热量量 2v51 qcTT 热效率热效率 12 t 11 wqq qq qw 蜒 512 13243 11 TTq qTTk TT 定义几个指标性参数定义几个指标性参数 1 2 3

7、4 5 p v 压缩比压缩比 1 2 v v 定容增压比定容增压比 3 2 p p 预胀比预胀比 4 3 v v 反映气反映气 缸容积缸容积 反映供反映供 油规律油规律 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 2 3 4

8、 5 T s 热效率热效率 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、当当 、 不变不变 t 受气缸材料限制受气缸材料限制 一般柴油机一般柴油机 1421 k t 1 1 1 11 k k k 潜艇用氦气，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、当当 不变不变 t t t 1 1.5 2 3 t 1 1 1 11 k k k 注意：注意： 图示的研究方法图示的研究方法

9、不必记忆不必记忆 的复杂式的复杂式t 1 2 34 5 p v 柴油机与汽油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，压燃式柴油机，压燃式 汽油机，点燃式汽油机，点燃式 1 定容加热定容加热循环（奥图循环（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 吸热量吸热量 1v32 qcTT 放热放热量量 2v41 qcTT 热效率热效率 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

10、 s 热效率热效率 41 t 32 1 TT TT 4 1 1 3 2 2 1 1 1 T T T T T T 1 321 124 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 汽油易爆燃汽油易爆燃 一般汽油机一般汽油机 510 一般柴油机效率高于汽油机的效一般柴油机效率高于汽油机的效率率 但但汽油机小巧汽油机小巧 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，压燃式柴

11、油机，压燃式 低速柴油机，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 2 3 4 T s 吸热量吸热量 1p32 qcTT 放热量放热量(取绝对值）取绝对值） 2v41 qcTT 热效率热效率 122 t 111 1 wqqq qqq 定压加热循环的计算定压加热循环的计算 热效率热效率 t 1 1 1 (1) k k k t 1.5 2 2.5 当当 不变不变 t 当当 不变不变 t 活活塞式内燃机循环比较塞式内燃机循环比较 比较的条件比较的条件 压缩

12、比压缩比 吸热量吸热量 1 q 反映气缸结构尺寸、工艺材料反映气缸结构尺寸、工艺材料 反映作功量（马力）反映作功量（马力） 最高压力最高压力 max p 反映材料耐压、壁厚、成本反映材料耐压、壁厚、成本 最高压力最高压力 max T反映材料耐温反映材料耐温 比较的对象：比较的对象：混合加热，定容加热，定压加热 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 tvtmtp 2v2m2p qqq 平均温度法平均温度法 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 相等相等 max p

13、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 斯斯特林（特林（Stirling) )循环循环 冷气室冷气室热气室热气室 加热器加热器冷却器冷却器 AB 回热器回热器 1-2 T 压缩压缩 2-3 V 吸热吸热 3-4 T 膨胀膨胀 4-1 V 放热放热 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 概括性卡诺循环概括性卡诺循环 核潜艇，制冷核潜艇，制冷 勃勃雷登循环雷登循环（Brayton Cy

14、cle） 用用途：途： 航空发动机航空发动机 尖峰电站尖峰电站 移动电站移动电站 大型轮船大型轮船 联合循环的顶循环联合循环的顶循环 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 压气机压气机 燃气轮机燃气轮机 燃烧室燃烧室 1）工质：数量不变，定比热工质：数量不变，定比热理想气体理想气体 理想化：理想化： 2）闭口闭口 循环循环3）可逆过程可逆过程 Combustion chamber CompressorTurbine p v T s 1 2 3 4 1 2 3 4 T-s and P-v diagrams for the ideal Brayton Cycle 勃雷登循

15、环的计算勃雷登循环的计算 T s 1 2 3 4 吸热量：吸热量： 1p32 qcTT 放热量：放热量： 2p41 qcTT 热效率：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：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 TppT 1 t,C 3 1 T T 热效率表达式似乎与卡诺循环一样热效率表达式似乎与卡诺循环

16、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：热效率： t 1 2 1 1 1 k k p p 定义：定义：压比压比 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：定义： 循环增温比循环增温比 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 T 净 3 4 当当

17、不变不变 不变不变 w 净 但但T3 受材料耐热限制受材料耐热限制 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 当当 不变不变 太大太大 w 净 3 T 太小太小 t t w 净 存在最佳存在最佳 ，使，使 最大最大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 令令 opt 3 T 2(1) opt () k k w 净 1 T 0 w 净 最大循环净功最大循环净功 2 1 1 optp wc T 燃气轮机的实际循环燃气轮机

18、的实际循环 T s 1 2 3 4 压气机压气机： 不不可逆可逆绝热压缩绝热压缩 燃气轮机：燃气轮机：不可逆不可逆绝热膨胀绝热膨胀 2 4 21 c 1 2 hh hh 定义：定义： 压气机绝热效率压气机绝热效率 燃气轮燃气轮机相机相对内效率对内效率 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 4 2 4 31 42 21 oi34 c whhhh hh hh 净 净功净功 吸热量吸热量 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

19、 4 2 4 1 1 1 1 11 1 oi k c k k c k w q 净 t 热效率热效率 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，一定， t 一定，有最佳一定，有最佳 optt optt 右移右移 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，取地面上，尺寸次要，省燃料，取 optt 空中，尺寸重要，取空中，尺寸重要，取 opt w 净 提高提高 t 受材料耐热限制受材料耐热限制 取最佳取最佳 optt 有无其有无其 它途它途径？

20、径？ 提提高勃雷登循环热效率的其他途径高勃雷登循环热效率的其他途径 2 若使若使T4 T4 在在500oC以上以上 1 3 4 T s 4 p 不可能不可能 如果如果T4T2 预热空气，预热空气，回热回热 一、一、回热回热 Regeneration 勃雷登循环勃雷登循环回热示意图回热示意图 1 2 3 4 压气机压气机 燃气轮机燃气轮机 燃烧室燃烧室 回热器回热器 4R 2ARegenerator 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：理想回热： 实际回热实际回热: 定义：定义：回热度回热度 22 22 A R hh hh 一般取一般取0.

21、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 燃气轮机燃气轮机 燃烧室燃烧室 间冷器间冷器 5 压气机压气机 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 T s 2 6 5 A B t 1 w q 净 间 12341和和62256联合工作联合工作 tt 间简 ww 间简 AB t 1A1B ww qq 净净 间 ？ 结论：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 t

22、AtB 1A1B1A1B wwqq qqqq qq qqqq 净净 间 当当 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 燃气轮机燃气轮机 燃烧室燃烧室 间冷器间冷器 5 压气机压气机 6 2 回热器回热器 4R 2R Intercooler Regenerator 间冷回热在间冷回热在Ts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 结论结论： 再热再热reheating示意图示意图 1 2

23、 3 4 压气机压气机 燃气轮机燃气轮机 燃烧室燃烧室1 燃烧室燃烧室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 结论结论： 再热回热示意图再热回热示意图 1 2 3 4 压气机压气机 燃气轮机燃气轮机 燃烧室燃烧室2 回热器回热器 燃烧室燃烧室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：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+回热示意图回热示意图 1 2 3 4 压气机压气机 燃气轮机燃气轮机 燃烧室燃烧室2 回热器回热器 间冷器间冷器燃烧室燃烧室1 2R 4R 结论结论： 再热再热+间冷间冷+回热回热在在Ts图上的表示图上的表示 3 T s 2 1 4 tt+ 1 w q 净 再+间+回再