工程热力学（52学时） 第九章 气体动力循环

1、在热力学基本定律的基础上分析循环过在热力学基本定律的基础上分析循环过程中能量转换的程中能量转换的经济性经济性，寻求提高经济性的，寻求提高经济性的方向及途径。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、原因及改进办法任何

2、实际热力装置中的工作过程都任何实际热力装置中的工作过程都是是不可逆不可逆的，且十分复杂。为了进行热的，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分析，需要建立实际循环相对应的热力学模型，即理想的可逆循环代替实际力学模型，即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程简化为可逆的吸热过程计算循环中有关状态点（如最高压力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。热量、功量以及循环热效率或工作系数。4. 探讨提高循环效

3、率的途径探讨提高循环效率的途径以气体动力循环为例：以气体动力循环为例：方法：方法：1 1）第一定律分析法）第一定律分析法数量的角度数量的角度2 2）第二定律分析法）第二定律分析法品质的角度品质的角度燃烧燃烧从高温热源吸热从高温热源吸热排气排气向低温热源放热向低温热源放热工作流体工作流体理想气体理想气体气体性质气体性质与空气相同与空气相同熵分析法熵分析法火用分析法火用分析法按按燃料燃料：煤气机、汽油机和柴油机；：煤气机、汽油机和柴油机；按按点火方式点火方式：点燃式和压燃式；：点燃式和压燃式；按按冲程冲程：四冲程和二冲程：四冲程和二冲程12301 吸入空气pV一般一般n n =1.341.37=1

4、.341.37柴油自燃柴油自燃t t =335=335p0201212多变压缩多变压缩p p2 2=35MPa=35MPat t2 2=600800=60080022 喷入柴油喷入柴油2 2 开始燃烧开始燃烧2323 迅速燃烧，近似迅速燃烧，近似Vp p59MPa59MPa123453434 边喷油，边膨胀边喷油，边膨胀pVp0120t t4 4可达可达17001800170018004 4 停止喷柴油停止喷柴油4545 多变膨胀多变膨胀V V近似近似 膨胀膨胀p pp p5 5=0.30.5MPa=0.30.5MPat t5 5 5005005151 开阀排气，开阀排气， 降压降压1010

5、活塞推排气活塞推排气, ,完成循环完成循环123451.1.工质定比热、工质定比热、理想气体、理想气体、 工质数量不变工质数量不变 P-VP-V图图p-vp-v图图pVp01202 2. 0-1. 0-1和和1-01-0抵消抵消 开口开口闭口循环闭口循环3.3. 燃烧燃烧外界加热外界加热4.4. 排气排气向向外界放热外界放热5.5. 多变多变绝绝热热6.6. 不可逆不可逆可逆可逆7.7. 开式循环开式循环闭口循环闭口循环1234512345pvTs分析循环吸热量，放热量，热效率和功量分析循环吸热量，放热量，热效率和功量?)()(3423, 1, 11TTcTTcqqqpVpV )(152TTc

6、qV )()(1)()()(1342315342315TTkTTTTTTcTTcTTcpvvtm 混合加热理想循环热力分析混合加热理想循环热力分析1211qqqwnett压缩比：压缩比：=v v1 1/ /v v2 2 定容增压比：定容增压比：=P P3 3/ /p p2 2定压预胀比：定压预胀比：v v4 4/ /v v3 3)1() 1(111kkktm反映气缸容积反映供油规律)()(1)()()(1342315342315TTkTTTTTTcTTcTTcpvvtm 混合加热理想循环热力分析混合加热理想循环热力分析=v v1 1/ /v v2 2 =P P3 3/ /p p2 2 v v4

7、 4/ /v v3 3)1() 1(111kkktm结 论： , 混合加热理想循环热力分析混合加热理想循环热力分析2.定压加热理想循环 （Diesel循环）例如：高增压柴油机，船用柴油机例如：高增压柴油机，船用柴油机只有等压燃烧，只有等压燃烧，没有定容燃烧没有定容燃烧定压加热理想循环热力分析定压加热理想循环热力分析)(231TTcqp)(142TTcqV) 1(111kkktp结论：, =v v1 1/ /v v2 2 v v4 4/ /v v3 3)()(12314TTcTTcpvtp3.3.定容加热理想循环定容加热理想循环 （OttoOtto循环）循环）例如煤气机、汽油机例如煤气机、汽油机

8、 燃烧过程在接近燃烧过程在接近定容的过程下完成定容的过程下完成 没有一边燃烧没有一边燃烧一边膨胀的定压过一边膨胀的定压过程程定容加热理想循环热力分析定容加热理想循环热力分析)(231TTcqV)(142TTcqV111ktv结论：=v v1 1/ /v v2 2 )()(12314TTTTtv循环循环最高温度最高温度不变，不变，不变不变， 不变不变q q1 1w wnetnet 定容加热理想循环热力分析定容加热理想循环热力分析mmtTT121Typical Compression Ratios for Gasoline Engines汽油机的常用压比汽油机的常用压比汽油机，受预混燃料空气混合物

9、爆燃条件的限汽油机，受预混燃料空气混合物爆燃条件的限制。采用制。采用512512级压缩：轻型机械级压缩：轻型机械k=1.4柴油机的常用压比柴油机的常用压比柴油机，不受空气压缩的限制。采用柴油机，不受空气压缩的限制。采用14201420级压缩：重型机械级压缩：重型机械Tstvtmtp2v2m2pqqq1q3m4m123v4v3p4p2t11qq 121TT 活塞式内燃机各种理想循环热力比较活塞式内燃机各种理想循环热力比较tptmtvTs1p1m1vqqq2q相等maxpmaxT12v342mtptmtv2p活塞式内燃机各种理想循环热力比较活塞式内燃机各种理想循环热力比较2t11qq 121TT

10、tptmtv3p4mTs2p2m2vqqq1qmaxp2ptptmtv3m12v4v3v4p2m？ 和 相同，图示 大小maxT1qtptmtv,活塞式内燃机各种理想循环热力比较活塞式内燃机各种理想循环热力比较2t11qq 121TT 用途： 航空发动机/尖峰电站/移动电站/大型舰船构成构成 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

11、； 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。1.循环图循环图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）2.热效率热效率kknettppTTTTTTTTTTTTh

12、hhhqqqw1122123214123142314121111) 1() 1(11111t12111TT Ts1234循环增温比31TT324134211111pppwcTTcTTTTTc TTTT净1111kkkkpc TTs123431TT1111kkkkpwc T净34当 不变不变w净但T3 受材料耐热限制111tkk F4 F-15 F-22J79-GE-17 4.63 F100-PW-229 8 F119-PW-100 10 推重比推重比1015 1800k2100k 推重比推重比20 2400k2600K 1300k 1900k 1600kTs1111kkkkpwc T净当 不变

13、太大w净3T太小ttw净存在最佳 ，使 最大w净1T31TT111tkk 4.最佳增压比最佳增压比) 1(111kkkkpnetTcw由 dwnet/ d=0可得21max,)1(2)1(max, Tcwpnetkkwnet在循环增温比在循环增温比一定时，存在一最一定时，存在一最佳增压比，使得循佳增压比，使得循环净功最大。环净功最大。21max,) 1(Tcwpnet4.最佳增压比最佳增压比Ts1234压气机：压气机：不可逆不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241、不可逆来源：、不可逆来源：TTTww理想膨胀作出的功实际膨胀作出的功 2 2、燃气轮机相对、燃

14、气轮机相对内效率内效率：,cscscww 压气机绝热效率：压气机绝热效率：)(1)(12,43hhhhwwwscTcTnet )(112,13231hhhhhhqsc sckkscTkknetnetiqw,1,11111 循环内部热效率：,cscscww 压气机绝热效率：压气机绝热效率：1）循环增温比越大，热循环的热效率越高；2）存在最佳循环增压比，使循环热效率有一极大值；3）减小不可逆因素，内部热效率提高。结 论：某燃气轮机理想布雷顿循环中，循环增压比某燃气轮机理想布雷顿循环中，循环增压比为为16，燃烧室出口温度为，燃烧室出口温度为1600K。假设空气的。假设空气的进口温度为进口温度为300K，压力为，压力为0.1MPa。试求涡轮。试求涡轮膨胀做功后空气的温度为多少？整个循环的膨胀做功后空气的温度为多少？整个循环的效率以及输出的功为多少效率以及输出的功为多少思考题思考题进口状态点进口状态点1的温度为的温度为300K，压力为，压力为0.1Mpa，已知循环增，已知循环增压比为压比为16，因此状态点，因此状态点2的压力为的压力为1.6MPakkppTT11212可知可知2点温度为点温度为662.45K由燃烧室出口温度为由燃烧室出口温度为160