工程热力学课件9气体动力循环.

1、： 能够将燃料燃烧释放出来的热量的一能够将燃料燃烧释放出来的热量的一部分，连续不断的转换成机械能的整套热工设备，称为热能动部分，连续不断的转换成机械能的整套热工设备，称为热能动力装置，简称动力装置。力装置，简称动力装置。如果直接将燃料的燃烧产物作为工质如果直接将燃料的燃烧产物作为工质,这种动力这种动力装置称为内燃动力装置装置称为内燃动力装置(或称为内燃机或称为内燃机)。如活塞式内燃机。如活塞式内燃机,燃气燃气轮机和火箭发动机等。轮机和火箭发动机等。如果只是利用燃烧产物来加热循环的工质如果只是利用燃烧产物来加热循环的工质(如蒸如蒸汽动力装置中利用燃气加热水汽动力装置中利用燃气加热水),则这种动力

2、装置称为外燃动力则这种动力装置称为外燃动力装置装置(或称外燃机或称外燃机)。第九章第九章 气体动力循环气体动力循环Gaspowercycles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工质连续不断地将从高温热源取得的得的热量热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：合理安排循环，提高热效率研究目的：合理安排循环，提高热效率 内燃动力装置内燃动力装置

3、进气过程进气过程：进气阀开，：进气阀开，排气阀关，活塞下行，排气阀关，活塞下行，将空气吸入气缸。将空气吸入气缸。压缩过程压缩过程：进、排气门：进、排气门关，活塞上行压缩空气，关，活塞上行压缩空气，使其温度和压力得以升使其温度和压力得以升高。高。燃烧过程燃烧过程：喷油嘴喷油，：喷油嘴喷油，燃料燃烧，气体压力和燃料燃烧，气体压力和温度急剧升高（燃料的温度急剧升高（燃料的化学能转换为热能）。化学能转换为热能）。膨胀过程膨胀过程：高温高压气：高温高压气体推动活塞下行，曲轴体推动活塞下行，曲轴向外输出机械功。向外输出机械功。排气过程排气过程：活塞接近下死点时，排气门开，：活塞接近下死点时，排气门开，在压

4、差的作用下废气流出气缸。随后，活在压差的作用下废气流出气缸。随后，活塞左行，将残余气体推出气缸。塞左行，将残余气体推出气缸。重复上述过程，将热能转换为机械能。重复上述过程，将热能转换为机械能。第一节第一节:分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法一一.分析动力循环的目的分析动力循环的目的 在热力学基本定律的基础上分析在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的经济性，寻求提高循环能量转化的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。经济性的方向及途径。二二.分析动力循环的一般步骤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） 可逆理论循可逆理论循环环 分析可逆循环分析可逆循

5、环 影响经济性的主要因素和影响经济性的主要因素和可能改进途径可能改进途径 指导改善指导改善 实际循环实际循环（2）分析实际循环与理论循环的偏离程度，找）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。出实际损失的部位、大小、原因及改进办法。抽象、简化抽象、简化三、分析动力循环的具体操作三、分析动力循环的具体操作 （1）把实际工作过程简化成可逆理想循）把实际工作过程简化成可逆理想循环。环。 （2）确定理想循环中各典型点（各过程）确定理想循环中各典型点（各过程线交点）的状态参数，可将它们表示为工质线交点）的状态参数，可将它们表示为工质的初态参数和循环特性参数的函数。的初

6、态参数和循环特性参数的函数。 （3）进行循环性能分析，确定表征循环）进行循环性能分析，确定表征循环整体性能的各种指标。整体性能的各种指标。第二节第二节 活塞式内燃机的动力循环活塞式内燃机的动力循环 活塞式内燃机的进气、压缩、燃烧和膨胀、排气四个工作活塞式内燃机的进气、压缩、燃烧和膨胀、排气四个工作过程是由活塞在四个行程内完成的，称为过程是由活塞在四个行程内完成的，称为“四冲程内燃机四冲程内燃机”，在两个行程内完成的，称为在两个行程内完成的，称为“二冲程内燃机二冲程内燃机”。01 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 排气排气一、机械

7、喷射式柴油机工作过程的理想化一、机械喷射式柴油机工作过程的理想化OTTO循环（定容加热循环）动画演示循环（定容加热循环）动画演示简化方法简化方法: :（1）不计吸气和排气过程）不计吸气和排气过程，将内燃机的工作过程看作是气缸内，将内燃机的工作过程看作是气缸内工质进行状态变化的封闭循环。工质进行状态变化的封闭循环。（2）把燃烧过程看作是外界）把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，并认为对工质的加热过程，并认为23是定容加热过程，是定容加热过程，34是是定压加热过程。定压加热过程。（3）略去压缩过程和膨胀过）略去压缩过程和膨胀过程中工质与气缸壁之间的热量程中工质与气缸壁之间的热量交换交换,近似地认

8、为是绝热过程。近似地认为是绝热过程。（4）用定容放热过程来代替）用定容放热过程来代替废气排入大气中的实际放热过废气排入大气中的实际放热过程。程。机械喷射式柴油机理想循环的机械喷射式柴油机理想循环的P-v 图和图和T-s 图图 该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为为“”，也称，也称“”。21vv23pp二、内燃机的特性参数及混合加热理想循环各典型点的状态参数二、内燃机的特性参数及混合加热理想循环各典型点的状态参数（1）压缩比压缩比：压缩前的比体积与压缩后：压缩前的比体积与压缩后的比体积之比，它是表征内燃机工作体积的比体积之比，它是表征内燃机工作体积大

9、小的结构参数。大小的结构参数。（2）定容增压比定容增压比: :定容加热后的压力与加定容加热后的压力与加热前的压力之比，它是表示内燃机定容燃热前的压力之比，它是表示内燃机定容燃烧情况的特性参数。烧情况的特性参数。（3）定压预胀比定压预胀比: :定压加热后的比体积与加热前的比体积之定压加热后的比体积与加热前的比体积之比，它是表示内燃机定压燃烧情况的特性参数。比，它是表示内燃机定压燃烧情况的特性参数。34vv1-21-2为定熵过程：为定熵过程：12112112112;ppTTvvTT同理： 混合加热理想循环中各典型点上的状态参数，可以表混合加热理想循环中各典型点上的状态参数，可以表示为初态参数及循环

10、特性参数的函数：示为初态参数及循环特性参数的函数：21vv23pp34vv21vv23pp34vv2-32-3为定容加热过程：为定容加热过程：12311232323pppTTTppTT；3- -4为定压加热过程：为定压加热过程ppTTTvvTT；12112;ppTT21vv23pp34vv4-5为定熵过程，为定熵过程，5-1及及2-3为定容过程，因此有：为定容过程，因此有：1111544424513 11115411()()()()()()kkkkkkkkTvvv vTvvv vTTTT145)(ppp)(231TTcqvv)(341TTcqpp三、混合加热循环的能量

11、分析和性能分析三、混合加热循环的能量分析和性能分析121qqt定容过程定容过程23工质吸入热量：工质吸入热量：定压过程定压过程34工质吸入热量：工质吸入热量：工质在混合循环中总吸热量：工质在混合循环中总吸热量：)()(3423111TTcTTcqqqpvpv)(152TTcqv定容放热过程定容放热过程51中，工质放中，工质放出的热量为：出的热量为：)()() 1(1)()()(11131412131534231512TTTTTTTTTTTTcTTcTTcqqpvvt混合加热循环的热效率为：混合加热循环的热效率为：) 1() 1(111) 1() 1(11111111TTTt循环净功和净热分别为

12、循环净功和净热分别为)1 ()1() 1(11112100vpqqqw 在循环特性参数（在循环特性参数（、及及）一定的条件下，）一定的条件下，。 (1) (1) 在一定的在一定的、条件下，压缩比条件下，压缩比愈大愈大, ,热效率愈高。热效率愈高。 （2 2）在一定的）在一定的值条件下值条件下, ,提高定容升压比提高定容升压比和降低定压预胀和降低定压预胀比比, ,混合加热循环的热效率增高。混合加热循环的热效率增高。) 1() 1(1111t可见：可见： t const, const,t, const,由图可见，由图可见，、Tm1，所，所以热效率以热效率t。t t 予胀比予胀比对热效率对热效率t影

13、响的分析。影响的分析。描述了定压过程中加热量的描述了定压过程中加热量的多少，加热量多少，加热量。显然，在显然，在3-4（4）的加热过程伴随膨胀过程同时进行，）的加热过程伴随膨胀过程同时进行，因而，不同时刻加入系统的热量转换为功量的机会是不相同因而，不同时刻加入系统的热量转换为功量的机会是不相同的。的。3点加入的热量在整个膨胀过程中均有机会转换为功，而点加入的热量在整个膨胀过程中均有机会转换为功，而随后加入的热量转换为功量的机会越来越少，在随后加入的热量转换为功量的机会越来越少，在4点加入的点加入的热量转换为功的机会为零。可见热量转换为功的机会为零。可见t。4 四、定容加热理想循环和定压加热理想

14、循环四、定容加热理想循环和定压加热理想循环1 1、定容加热理想循环、定容加热理想循环( (汽油机的理想循环汽油机的理想循环) ) 111t) 1)(1(11110vpw 特点：特点：1,为混合为混合加热循环的一个特例，加热循环的一个特例，将其代入混合加热循环将其代入混合加热循环的热效率及循环净功的的热效率及循环净功的表达式，即分别有：表达式，即分别有： t t ， =6-=6-1010) 1() 1(1111t12. 2. 定压加热理想循环定压加热理想循环( (早期柴油机的理想循环早期柴油机的理想循环) ) 1(1111t)1() 1(11110kvpw 特点：特点：1,为为混合加热循环的混合

15、加热循环的一个特例，将其一个特例，将其代入混合加热循代入混合加热循环的热效率及循环的热效率及循环净功的表达式，环净功的表达式，即分别有：即分别有：) 1() 1(1111t1平均温度的概念平均温度的概念第三节第三节 内燃机三种理想循环的比较内燃机三种理想循环的比较前提条件：前提条件： 1.1.循环初始状态点循环初始状态点1 1相同相同2.2.对每对每kgkg工质而言工质而言, ,加入的热量相同加入的热量相同asabcsTdsqaccba面积11T)(11accbassTTdsqacssqT11acssqT222T1TasabcsTdsqaccba面积1)(11accbassTTdsq1T2T1

16、21211TTqqt提高提高或降低或降低的措施的措施,均能提高循环的热效率。均能提高循环的热效率。 对各循环的对各循环的吸热平均温度和吸热平均温度和放热平均温度进放热平均温度进行比较。从图，行比较。从图，根据根据 ,从而可以得出：从而可以得出：121qqttpttvtvttp 对各循环的吸热对各循环的吸热平均温度和放热平均温度和放热平均温度进行比平均温度进行比较。从图，知：较。从图，知：第四节第四节 其它气体动力循环简介其它气体动力循环简介 压气机压气机1不断地从大气不断地从大气中吸入空气，进行压缩升中吸入空气，进行压缩升压。压缩空气进入燃烧室压。压缩空气进入燃烧室2。在燃烧室中，空气与供入在

17、燃烧室中，空气与供入的燃料在定压下进行燃烧，的燃料在定压下进行燃烧，形成该压力下的高温燃气。形成该压力下的高温燃气。高温燃气与来自燃烧室夹高温燃气与来自燃烧室夹层通道的压缩空气相混合，层通道的压缩空气相混合，使其温度降低至燃气轮机使其温度降低至燃气轮机叶片所能承受的温度范围。叶片所能承受的温度范围。燃气流经燃气轮机燃气流经燃气轮机3的喷管，的喷管，膨胀加速，形成高速气流膨胀加速，形成高速气流,冲动叶轮对外输出功量。冲动叶轮对外输出功量。作功后的废气排入大气。作功后的废气排入大气。燃气轮机作出的功量除用燃气轮机作出的功量除用以带动压气机外，剩余部以带动压气机外，剩余部分（循环净功）对外输出。分（循环净功）对外输出。一、布雷顿循环一、布雷顿循环燃气轮机装置燃气轮机装置 燃气轮机装置示意图燃气轮机装置示意图燃气轮机燃气轮机转轴燃气轮机（坦克用）根据燃气轮机装置循环工作的特性，经理想化之后，可以近似根据燃气轮机装置循环工作的特性，经理想化之后，可以近似的合理的看作由下列四个基本热力过程所组成的理想循环，的合理的看作由下列四个基本热力过程所组成的理想循环，燃气轮燃气轮机装置的理想循环称为机装置的理想循环称为,也称也称