第六章 气体动力循环

第六章气体动力循环第一页，共五十一页，编辑于2023年，星期四6-1概说1、热机中的能量转换常规的热力发动机或热能动力装置(简称热机),都以消耗燃料为代价而以输出机械功为目的。这种能量转换是通过两步实现的：首先,化石燃料(煤、燃油、天然气等)中的化学能通过燃烧放出反应热而变成工质的热能；然后,再通过工质状态变化(热力过程)使热能变成机械能。在热机中膨胀作功的工质可以是燃烧产物本身(如内燃式热机),也可以由燃烧产物将热能传给另一种物质(水蒸气),而以后者作为工质(如外燃式热机)。工质在热机中不断完成热力循环,并使热能连续地转变为机械能。第二页，共五十一页，编辑于2023年，星期四2、分析计算动力循环的任务和目的主要任务和目的是针对热机中进行的热力循环,计算其热效率,分析影响循环热效率的各种因素,找出提高热效率的途径。3、实际动力循环和理论循环的意义虽然实际的热力循环是多样的、不可逆的,而且有时还是

相当复杂的,但是通常总可以近似地用一系列简单的、典型的、可逆的过程来代替,这些过程相互衔接,形成一个封闭的理论循环。理论循环和实际循环当然有一定的差别,但是只要这种从实际到理论的抽象、概括和简化是合理的,理论循环的分析和计算无论在理论上或是在实用上都是有价值的。6-1概说第三页，共五十一页，编辑于2023年，星期四

6-2活塞式内燃机的混合加热循环1、实际动力循环及其简化在活塞式内燃机的气缸中,气体工质的压力和体积的变化情况可以通过一种叫做“示功器”的仪器记录下来。现以典型的四冲程柴油机为例,介绍它的实际循环与简化模型。四冲程柴油机实际循环示功图如图6-1所示。活塞从最左端(即所谓上止点)向右移动时,进气阀门开放,空气被吸进气缸。这时气缸中空气的压力由于进气管道和进气阀门的阻力而稍低与外界大气压力(图中a→b)第四页，共五十一页，编辑于2023年，星期四活塞从最右端(即所谓下止点)向左移动,这时进气阀门和排气阀门都关闭着,空气被压缩,这一过程接近于绝热压缩过程,温度和压力同时升高(过程b→c)。活塞即将达到上止点时,由喷油嘴向气缸中喷柴油,柴油遇到高温的压缩空气立即迅速燃烧,温度和压力在极短的一瞬间急速上升,以致活塞在上止点附近移动极微,因此这一过程接近于定容燃烧过程(c→d)。活塞开始向右移动,燃烧继续进行,直到喷进气缸内的燃料烧完为止,这时气缸中的压力变化不大,接近于定压燃烧过程(d→e)。

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第五页，共五十一页，编辑于2023年，星期四活塞继续向右移动,燃烧后的气体膨胀作功,这一过程接近于绝热膨胀过程(e→f)。活塞接近下止点时,排气阀门开放,气缸中的气体冲出气缸,压力突然下降,而活塞还几乎停留在下止点附近,接近与定容排气过程(f→g)。最后,活塞由下止点向左移动,将剩余的气缸中的废气排出,这时气缸中气体的压力由于排气阀门和排气管道的阻力而略高于大气压力(g→a)。

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第六页，共五十一页，编辑于2023年，星期四四冲程柴油机实际循环的简化将一个工质组分改变的内燃的开式循环变换成了一个工质组分不变的外加热的闭式循环123451(图6-2)。绝热压缩过程b→c理想化为定熵压缩过程1→2；定容燃烧过程c→d理想化为定容加热过程2→3；定压燃烧过程d→e理想化为定压加热过程3→4；绝热膨胀过程e→f理想化为定熵膨胀过程4→5；定容排气(降压)过程f→g理想化为定容冷却(降压)过程5→1。

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第七页，共五十一页，编辑于2023年，星期四图6-1图6-2第八页，共五十一页，编辑于2023年，星期四2、活塞式内燃机理论混合加热循环分析１)特性参数压缩比(6-1)

表示燃烧前气体在气缸中被压缩的程度,即气体比体积缩小的倍率。压升比(6-2)表示定容燃烧时气体压力升高的倍率。

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第九页，共五十一页，编辑于2023年，星期四预胀比(6-3)表示定压燃烧时气体比体积增大的倍率。2)循环热效率混合加热循环在温熵图中如图6-3所示。它的热效率为

(a)

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第十页，共五十一页，编辑于2023年，星期四假定工质是定比热容理想气体,则

(b)将式(b)代入式(a)得

(c)

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期四过程1→2是绝热(定熵)过程

(d)过程2→3是定容过程

(e)过程3→4是定压过程

(f)

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期四过程4→5是绝热(定熵)过程

(g)将式(d)、(e)、(f)、(g)代入式(c),化简后可得 (6-4)

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期四图6-3图6-4

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期四3)循环热效率的影响因素及提高循环热效率的途径如果压升比和预胀比不变,提高压缩比可以提高混合加热循环的热效率。图6-4中循环123451的压缩比高于循环

12’3’4’51,它也具有较高的平均吸热温度(Tm1’>Tm1；平均放热温度相同)，因而具有较高的热效率。图6-5中的曲线表示混合加热循环的热效率随压缩比变化的情况。为了获得较高的热效率,柴油机的压缩比比较高,一般为15～22。图6-5

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期四如果压缩比不变,提高压升比、降低预胀比,可以提高混合加热循环的热效率,如图6-6中曲线所示。图6-7循环123’4’51比循环123451具有较高的压升比和较低的预胀比。循环123451的热效率为循环123’4’51的热效率为显然

6-2活塞式内燃机的混合加热循环第十六页，共五十一页，编辑于2023年，星期四图6-6图6-7第十七页，共五十一页，编辑于2023年，星期四

6-3活塞式内燃机的定容

加热循环和定压加热循环1、活塞式内燃机定容加热循环分析有些活塞式内燃机(如煤气机和汽油机),燃料是预先和空气混合好再进入气缸的,然后在压缩终了时用点火花点燃。一经点燃,燃烧过程进行得非常迅速,几乎在一瞬间完成,活塞基本上提留在上止点未动,因此这一燃烧过程可以看作定容加热过程。其它过程则和混合加热循环相同。定容加热循环(又称奥托循环)在热力学分析上可以看作

混合加热循环当预胀比时的特例。第十八页，共五十一页，编辑于2023年，星期四当时时,v3=v4,状态4和状态3重和,混合加热循环便成了定容加热循环(图6-8、图6-9)。令式(6-4)中,即可得定容加热循环的理论热效率计算式：

(6-5)从上式看出：提高压缩比可以提高定容加热循环的理论热效率,但是,由于这种点燃式内燃机中被压缩的是燃料和空气的混合物,如果压缩比过高,使压缩终了的温度和压力太高,容易引起不正常的燃烧(爆燃),会降低热效率和损坏发动机。所以,点燃式内燃机的压缩比都比较低,一般为5-9。

6-3活塞式内燃机的定容

加热循环和定压加热循环第十九页，共五十一页，编辑于2023年，星期四

6-3活塞式内燃机的定容

加热循环和定压加热循环

图6-8图6-9第二十页，共五十一页，编辑于2023年，星期四2、活塞式内燃机定压加热循环分析有些柴油机的燃烧过程主要在活塞离开上止点的一段行

程中进行,一面燃烧,一面膨胀,气缸内气体的压力基本保持不变,相当于定压加热。这种定压加热循环(又称狄塞尔循环)也可以看作混合加热循环的特例。状态3和状态2重合,混合加热循环便成了定压加热循环(图6-10、图6-11)。令式(6-4)中,即可得定压加热循环的理论热效率计算式：

(6-6)6-3活塞式内燃机的定容

加热循环和定压加热循环第二十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期四从上式看出：如果预胀比不变,那么提高压缩比可以提

高定压加热循环的热效率;如果压缩比不变,预胀比的增大(即增加发动机负荷)会引起循环热效率的降低(这是由于,当增大时比增加得快)。从图6-6也可以看出：当,随的增加而下降6-3活塞式内燃机的定容

加热循环和定压加热循环第二十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期四

6-3活塞式内燃机的定容

加热循环和定压加热循环图6-10图6-11第二十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期四

6-4活塞式内燃机各种循环的比较1、在进气状态、压缩比及吸热量相同的条件下进行比较图6-12示出了三种理论循环：123451为混合加热循环124’5’1为定容加热循环124”5”1为定压加热循环三种循环吸热量相同：

q1v=q1=q1p面积724’67=面积723467=面积724”6”7

图6-12第二十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期四从图中可以明显地看出,定容加热循环放出的热量最少,混合加热循环次之,定压加热循环最多：

q2v<q2<q2p即面积715’6’7

<面积71567<面积715”6”7根据循环热效率的公式可知

(6-7)所以,在进气状态、压缩比和吸热相同的条件,定容加热循环的热效率最高,混合加热循环次之,定压加热循环最低。6-4活塞式内燃机各种循环的比较第二十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期四说明了如下两点:第一、对点燃式内燃机(汽油机、煤气机等),在所用燃料

已经确定,压缩比也跟着基本确定的情况下,发动机按定容加热循环工作是最有利;第二、对于压燃式内燃机(柴油机等),在压缩比确定以后,

按混合加热循环工作比按定压加热循环工作有利,如能按

接近于定容加热循环工作,则可达更高的热效率。但是,不能从式(11-7)得出点燃式内燃机的热效率高于压燃式内燃机的结论,因为它们的压缩比相差悬殊,不符合上述比较条件。6-4活塞式内燃机各种循环的比较第二十六页，共五十一页，编辑于2023年，星期四2、在进气状态以及最高温度(Tmax)和最高压力(pmax)相同的条件下进行比较图6-13示出了三种理论循：123451为循环加热循环12’451为定容加热循环12”451为定压加热循环三种循环放出的热量相同：q2p=q2=q2v=面积715676-4活塞式内燃机各种循环的比较图6-13第二十七页，共五十一页，编辑于2023年，星期四从图中可以明显地看出,定压加热循环的最多,混合加热循环次之,定容加热循环最少：q1v<

q1<

q1p即面积72”467

>面积723467>面积72’467根据循环热效率的公式可知

(6-7)所以,在进气状态以及最高温度和最高压力相同的条件下,

定压加热循环的热效率最高,混合加热循环次之,定容加热循环最低。6-4活塞式内燃机各种循环的比较第二十八页，共五十一页，编辑于2023年，星期四说明了两点:第一、在内燃机的热强度和机械强度受到限制的情况下,

为了获得较高的热效率,采用定压加热循环是适宜的；第二、如果近似地认为点燃式内燃机循环和压燃式内燃机循环具有相同的最高温度和贼高压力,那么压燃式内燃机具有较高的热效率。实际情况正是这样,由于压缩比较高,柴油机的热效率通常都显著地超过汽油机。6-4活塞式内燃机各种循环的比较第二十九页，共五十一页，编辑于2023年，星期四

6-5燃气轮机装置的循环１、燃气轮机简介燃气轮机装置包括三部分主要装备:压气机、燃烧室、

燃气轮机。压气机都采用叶轮式的。关于叶轮式压气机已在第5章中作了介绍。这里简单介绍一下燃气轮机。燃气轮机主要由装有动叶片的转子和固定在机壳上的静

叶片（叶片间的通道构成喷管）组成。燃气进入燃气轮机后,沿轴向在一环环静叶片构成的喷管中降压、加速,并通过紧接每一环静叶片后面的动叶片推动转子旋转对外作功。第三十页，共五十一页，编辑于2023年，星期四

图6-14第三十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期四燃气在燃气轮机中的膨胀过程可以认为是绝热的(图6-15)。燃气轮机进口和出口气流的功能的差值可略去不计;

气流重力位能的变化也可以忽略。燃气轮机所作的功等于燃气的焓降:

(6-9)燃气看作定比热容理想气体,则

(6-10)膨胀过程是可逆的定熵过程,则

(6-11)6-5燃气轮机装置的循环

图6-15第三十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期四对定比热容理想气体的定熵过程,则

(6-12)2、燃气轮机装置简单定压加热循环图6-16是最简单的按定压加热循环(勃雷顿循环)工作的燃气轮机装置的示意图。6-5燃气轮机装置的循环

图6-16第三十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期四循环包括空气在压气机中的绝热压缩(图6-17和图6-18中过程12)、压缩空气在燃烧室中的定压燃烧加热(过程23)、燃烧在燃气轮机中绝热膨胀(过程34)和废气排向大气的定压冷却过程(过程41)。这样便完成一个循环(循环12341)。6-5燃气轮机装置的循环

图6-17图6-18第三十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期四循环的特性可由增压比和升温比来确定。假定燃气轮机装置中工质的化学成分在整个循环期间保持不变并近似地把它看作定压比热容理想气体,那么定压加热循环的理论热效率为根据过程方程,将式T2-T4换成温比或压比的函数,化简后

(6-13)6-5燃气轮机装置的循环第三十五页，共五十一页，编辑于2023年，星期四从式(6-13)可以看出:按定压加热循环工作的燃气轮机装置的理论热效率仅仅取决于增压比,而和升温无关;增压比愈高,理论热效率也愈高。从图6-19可以看出,加大增压比(假定升温比不变),可以提高循环的平均吸热温度(T’m1>Tm1)并降低循环的平均放热温度(T’m2<Tm2),因此可以提高循环的热效率。3、燃气轮机装置回热定压加热循环燃气轮机排除的废气温度通常都高于压气机出口压缩空

气的温度,可以利用回热器收废气中的一部分热能,用于加热压缩空气(图6-20),以达到节约燃料提高热效率的目的。6-5燃气轮机装置的循环第三十六页，共五十一页，编辑于2023年，星期四6-5燃气轮机装置的循环

图6-19

图6-20第三十七页，共五十一页，编辑于2023年，星期四采用回热器的燃气轮机装置的理论循环在温熵图中如图

6-21所示。在完全回热的理想情况下

Ta=T4,Tb=T2定压加热过程2a所需热量由定压冷却过程4b放出热量供给。因此,气体在燃烧室中所需热量减少,而循环所作的功不变。所以,采用回热器可以节约燃料,提高循环热效率。

6-5燃气轮机装置的循环

图6-21第三十八页，共五十一页，编辑于2023年，星期四回热循环从外界吸热过程a→3比不回热循环的吸热过程2→3具有较高的平均吸热温度；而回热循环向外界放热的过程b→1比不回热循环的放热过程4→1具有较低的平均放热温度。因此,回热循环的热效率比不回热循环的热效率高。理想回热循环的热效率为(认为工质是定比热容理想气体)：6-5燃气轮机装置的循环第三十九页，共五十一页，编辑于2023年，星期四根据过程方程,将式中T2-T4换成温比或压比的函数,化简后

(6-14)

可见：提高升温比或降低增压比都能提高理想回热循环的热效率。如果不变(图11-22),提高,可以提高循环的平均吸热温度,而平均放热温度不变，可以提高回热循环的热效率。如果不变(图11-23),降低,可以提高循环的平均吸热温度,同时降低平均放热温度，提高回热循环的热效率。6-5燃气轮机装置的循环第四十页，共五十一页，编辑于2023年，星期四

图6-22

图6-23第四十一页，共五十一页，编辑于2023年，星期四增压比较高的大型燃气轮机装置,也可以考虑分段压缩、中间冷却和分段膨胀、中间再热,同时采取回热措施。图6-24画出了这种装置的理论循环(循环121’2’3’4’341)。在(为整个循环的压比)及完全回热的条的条件,这一复杂的理论循环相当于两个压比均为的理想回热循环(循环

12341和循环1’2’3’4’1’)。

6-5燃气轮机装置的循环第四十二页，共五十一页，编辑于2023年，星期四这两个循环的理论热效率相同,而且也就是整个循环的理论热效率[参看式(6-14)]：

(6-15)显然在和相同的情况下6-5燃气轮机装置的循环

图6-24第四十三页，共五十一页，编辑于2023年，星期四

6-6喷气发动机循环喷气发动机的工作特点则是利用高温、高压气体在喷管

中加速时的反作用力推动移动装置。图6-25为现代喷气

式飞机中采用的涡轮喷气发动机的示意图,概括地讲,其论热力过程是由两次压缩、一次燃烧和两次膨胀构成。

图6-25第四十四页，共五十一页，编辑于2023年，星期四如图6-26所示。飞机在飞行时,空气以飞行速度的相对流速进入扩压管,通过它初步提高压力(图6-26中过程15),这是第一次压缩,再进入压气机继续压缩(过程52),然后压缩空气进入燃烧室喷油燃烧(定压加热过程23)。从燃烧室出来的高温、高压燃气先在燃气轮机中初步(第一次)膨胀(过程36),所作之功供压气机之用:wT=h3-h６=面积d36cdwC=h2-h5=面积d25bdwT

=wC6-6喷气发动机循环

图6-26第四十五页，共五十一页，编辑于2023年