上海交大工程热力学(第四版)课件_第9章_气体动力循环

1、1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291 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

2、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

3、、原因及改进办法3三、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第一定律为基础，以能以第一定律为基础，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。熵分析法熵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4四、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net,actTnetiTt11

4、wwqq 其中其中nett1wq 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net,actTnetww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592 活塞式内燃机实际循环的简

5、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：煤气机按燃料：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：二冲程按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程四冲程(four-stroke )按点火方式：点燃式按点火方式：点燃式(spark ignition engine) 压燃式压燃式(compression ignition engine)6 开式循环开式循环(open cyc

6、le)； 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7二、活塞式内燃机循环的简化二、活塞式内燃机循环的简化8netMEPhWpV三、平均有效压力三、平均有效压力(mean effective pressure)901 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、

7、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）101. 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：12vv32pp43vv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 (c

8、utoff ratio)112. 循环热效率循环热效率nett1wqnet1 22 33 44 55 11 23 44 5wwwwwwwww或或netnet12wqqq11gg5213434141111RRppTpvvTpp342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV12512t1324311TTqqTTTT 、 、111211212vTTTv13321223pTTTp14431334vTTTv551151pTTp利用利用表示表示t131 1225544p vp vp vp v；两式相除，考虑到两式相除，考虑到325134vvvvpp5344412323pppvvppvpvt

9、11111 5511pTTp51TT51t32431TTTTTT 把把T2、T3、T4和和T5代入代入求求15pp14讨论讨论：)a) c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。)bttt15二、定压加热理想循环二、定压加热理想循环(Diesel cycle)2t11qq 41t321TTTT t11111 1

10、42TTcqV231TTcqpt11111 2321vvvv16讨论：讨论：tnet)awnet)tbwc) 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17三、定容加热理想循环三、定容加热理想循环(Otto cycle)2321ppvv18231TTcqV111111111t 142TTcqV23141211TTTTqqt2321ppvv19讨论：讨论：t)anet);tbw不变，但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

11、效率下降成热效率下降2094 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 111vmpqqq或或pmvTTT222pmvqqq222tvtmtppmvTTT11121二、循环二、循环pmax、Tmax相同时的比较相同时的比较 222pmvqqq或或vmpTTT222vmpqqq221t,t,t,pmvvmpTTT111例例A470299例例A447277229-5 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23轴流式

12、燃气轮机轴流式燃气轮机24252627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

13、力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set) 等。等。28二、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）21pp循环增压比循环增压比（pressure ratio）32TT 循环增温比循环增温比（temperature ratio）29三、定压加热理想循环分析三、定压加热理想循环分

14、析1.热效率热效率t321323232tpmtpqhhcTTcTT1212113434ppTTppTT2314pppp2134TTTT212314TTTTTT1t21111TT 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。141414241TTcTTchhqpttpm241t13211qTTqTT 302.分析分析 t)a1net)bqw一定1t21111TT ？t3T与 无关t不变31netmax) cww一定， 取某值net12wqqnet0dw 1423TTTTcp111111Tcp21netnet,maxww32net)dw与 及 的关系1net1

15、1)11pc wc T由可见：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。3396 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 34二、压气机绝热效率二、压气机绝热效率(adiabatic com

16、pressor efficiency) 和燃气轮机相对内效率和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)s21C,sC,sC21hhwwhhsC21C,s1whh s2121C,s1hhhhst,T34Tt,T34whhwhhst,TT34whh s43T34hhhh35三、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)ineti1wq 整理整理ssnett,TCT3421Cs1wwwhhhhs1323121Cs1qhhhhhh sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hh

17、hhhhhh36讨论讨论：CsT)ia除 、 外 还与、有关i),b一定时，但有极值ic,)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。sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhhTCsiTCs0.85 0.920.85 0.90目前，3797 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182731) 1TTcqTTcqpp回回22tt,1111qTqT 回回回回回2 2）极限回热）极限回热162531TTcqTTcqpp回回383）回热

18、度回热度(regenerator effectiveness) 64842527hhhhhhhh量理论上极限可利用的热实际回热利用的热量注意：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72725246hhhhhhhh 39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：t111循环循环1567341：循环循环12341循环循环67256循环循环67256：tt1111 采用分级压缩，中间冷却后采用分级压缩，中间冷却后t ？+t1567341t1234140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net,1567341net,12341ww12341, 11567341, 1qqt,1567341t,1234141三、回热基础上分