《工程热力学》 课件 第九章 气体动力循环

第九章气体动力循环

--Gaspowercycles§9–1分析动力循环的一般方法一.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，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

1）实际循环（复杂不可逆）抽象、简化可逆理论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指导改善实际循环2）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。三.分析动力循环的方法1）第一定律分析法以第一定律为基础，以能量的数量守恒为立足点。2）第二定律分析法综合第一定律和第二定律从能量的数量和质量分析。熵分析法

㶲分析法熵产作功能力损失㶲损㶲效率3)内部热效率(internalthermalefficiency)

i——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。其中与实际循环相当的卡诺循环热效率与实际循环相当的内可逆循环的热效率相对热效率(relativethermalefficiency)，反映该内部可逆循环因与高、低温热源存在温差（外部不可逆）而造成的损失相对内部效率(internalengineefficiency)

反映内部摩擦引起的损失四.空气标准假设(theair-standardhypothesis)气体动力循环中工作流体理想气体空气定比热燃烧和排气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§9–2活塞式内燃机实际循环的简化一.活塞式内燃机(internalcombustionengine)简介分类：

按燃料：煤气机(gasengine)、汽油机(gasolineengine;petrolengine)、柴油机(dieselengine)

按点火方式：点燃式(sparkignitionengine)、压燃式

(compressionignitionengine)

按冲程：二冲程(two-stroke)、四冲程(four-stroke)单缸汽油机构造示意图

以四冲程汽油机为例分析其实际工作循环

活塞式内燃机循环特点：

开式循环(opencycle)

燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆；

各环节中工质质量、成分稍有变化。四冲程内燃机工作过程

(four-strokecycleengine)进气排气pv0Atmosphere火花塞举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环二、平均有效压力--meaneffectivepressure三.活塞式内燃机循环的简化0

1吸气1

2压缩2

3喷油、燃烧3

4燃烧4

5膨胀作功5

0排气简化：引用空气标准假设燃烧

2-3等容吸热+3-4定压吸热排气

5-1等容放热压缩、膨胀

1-2及4-5等熵过程吸、排气线

重合、忽略燃油质量

忽略燃气成分改变

忽略§9–3活塞式内燃机的理想循环一.混合加热理想循环（dualcombustioncycle）

1.p-v图及T-s图1

2等熵压缩；2

3等容吸热；3

4定压吸热；4

5等熵膨胀；5

1定容放热特性参数：压缩比—compressionratio定容增压比—pressureratio定压预胀比

—cutoffratio2.循环热效率或两式相除，考虑到求把T2、T3、T4和T5代入讨论：归纳：a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热

效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。

b.利用T-s图分析循环较方便。

c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。二.定压加热理想循环—Dieselcycle讨论：C)重负荷（

，q1

）时

内部热效率下降，除

外还有因温度上升而使

，造成热效率下降三.定容加热理想循环—Ottocycle讨论：C)

重负荷（q1

）时内部热效率下降，因温度上升使

，造成热效率下降9–4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或二.循环pmax，Tmax相同时的比较或里卡多分循环发动机概念主要内容包括：压缩过程中注入液氮LN2（LiquidNitrogen），从而抑制温度上升，并增加总质量；用发动机能量制造液氮（制造效率是关键参数）；能量恢复机制从尾气中将热量转移到压缩空气内。

CoolR概念技术的目标在于采用喷射液态制冷剂的方式达到相同的热动力增益效果。考虑到制冷剂使用过程中的能耗，最终热效能改进幅度将达到40%左右。这一效果明显胜过当前同样处于开发阶段的其他前景较好的技术，例如基于温差发电/热电（Thermo-electricGeneration）技术的尾气余热能量恢复概念，以及有机郎肯循环（OrganicRankineCycle）低温废热发电技术等。

里卡多开发CoolR重载车动力燃烧技术里卡多汽车公司和布莱顿大学（UniversityofBrighton）协作设计并评估一套先进分循环（Split-cycle）燃烧系统，以降低重载车辆碳排放总量。该项可行性研究名为CoolR，最主要的技术特点是采用了低温喷射（CryogenicInjection）等温压缩（IsothermalCompression）。§9–6燃气轮机装置循环构成：

压气机(compressor)

燃烧室(combustionchamber)

燃气轮机(gasturbine)特点：

1.开式循环(opencycle)，工质流动

2.运转平稳，连续输出功

3.启动快，达满负荷快

4.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

(specificweightofengine)仍较大用途：飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组

(peak-loadset)，等。二.定压加热理想循环—constant-pressurecombustioncycle;Braytoncycle1-2等熵压缩（压气机内）2-3定压吸热（燃烧室内）3-4等熵膨胀（燃气轮机内）4-1定压放热（排气，假想换热器）循环增压比—pressureratio

循环增温比—temperatureratio三.定压加热理想循环分析1.热效率ηt注意：式中T1，T2并非指高温

热源，低温热源。2.分析？可见：

1）对于每一τ，均有其wnet,max

2）τ上升，即T3上升，使取

得wnet,max

的π

上升，ηt上

升，所以提高T3

能带动

wnet,max

及ηt同时升高。§9–7燃气轮机装置定压加热实际循环一.定压加热的实际循环

1-2不可逆绝热压缩；

2-3定压吸热；

3-4不可逆绝热膨胀；

4-1定压放热。二.压气机绝热效率(adiabaticcompressorefficiency)

ηCS

和燃气轮机相对内效率(adiabaticturbineefficiency)ηT三.燃气轮机装置的内部热效率

(internalthermalefficiency)ηi

整理后可得：讨论：增大τ是提高燃气轮机装置性能（wnet，ηi）的方向。§9–7提高燃气轮机装置热效率的热力学措施一.回热—regeneration讨论2）极限回热3）回热度—regeneratoreffectiveness注意：π达一定值，回热不能进行4）实际循环的回热分级压缩，中间冷却—multistagecompressionandinterveningcooling二.回热基础上分级压缩、中间冷却采用分级压缩，中间冷却后ηt

？循环12341：循环1567341：循环12341循环67256循环67256：回热基础上分级压缩中间冷却三.回热基础上分级膨胀，中间加热循环12389101=循环127101-循环37983若无回热若回热

循环12389101与循环12341