1、1第九章 气体动力循环大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所一、分析动力循环的目的一、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，寻求提高经济性的方向及途径。91 分析动力循环的一般方法大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所二、分析动力循环的一般步骤实际循环（复杂不可逆）吸热、放热、作功、热效率实际循环指导改善可逆理论循环抽象、简化分析大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所分析动力循环的一般方法：分析动力循环的一般方法：内燃机内燃机采用燃烧前压缩技术,以提高平均吸热温度所用燃料为液体或气体加热按定容、
2、定压或介于定容定压之间的过程循环采用四冲程或两冲程点火方式为点燃式或压燃式大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所按加热方式分类的各类循环：按加热方式分类的各类循环：1.定容加热循环2.定压加热循环3.混合加热循环分析动力循环主要采用两种方法分析动力循环主要采用两种方法：1.以热力学第一定律为基础的“第一定律分析法”以能量数量为立足点,以热效率为指标。2.以热力学第一定律和第二定律为依据、从能量的数量和品质来分析，以“作功能力损失和火用效率为其指标的第二定律分析法”。大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所煤气机(gas engine)汽油机(gasol
3、ine engine;petrol engine)柴油机(diesel engine)分类：二冲程(two-stroke)四冲程(four-stroke)点燃式(spark ignition engine)压燃式(compression ignition engine)92 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按燃料：按燃料：按点火方式：按点火方式：按冲程：按冲程：大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所压燃式柴油机空气和燃料(柴油)分别压缩,自行发火式发动机。柴油机：0-1 吸气吸气 1-2-2 压缩压缩 2喷油喷油 2-3 定容加热定容加热(燃烧燃烧)3
4、-4 定压加热定压加热(燃烧燃烧)4-5 膨胀膨胀 5-0 排气排气(一一)柴油机实际工作循环柴油机实际工作循环大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所（1）不计吸气和排气过程，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。（2）把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，并认为23是定容加热过程，34是定压加热过程。（3）略去压缩过程和膨胀过程中工质与气缸壁之间的热量交换,近似地认为是绝热过程。（4）用定容放热过程来代替废气排入大气中的实际放热过程。（二）实际工作循环的抽象与简化（二）实际工作循环的抽象与简化简化原则为简化原则为:大连理工大学机械工程学院振动所大连理
5、工大学机械工程学院振动所（三）活塞式内燃机循环的简化01 吸气 12 等熵压缩 23 定容加热 34 定压加热 45 等熵膨胀 51 排气10 排气大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所排气排气51 等容放热吸气吸气01排气线排气线10重合略去，封闭循环燃油质量燃油质量忽略燃气成分改变燃气成分改变忽略进一步说明进一步说明 工质为空气定比热大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所hnetVWMEP 二、平均有效压力 mean effective pressure 大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所一、混合加热理想循环一、混合加热
6、理想循环12 等熵压缩；23 等容吸热；34 定压吸热；45 等熵膨胀；51 定容放热该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为“”，也称“”。93 活塞式内燃机的理想循环1、p-v图及图及T-s图图大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所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compression ratio：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大小的结构参数。（2）定容升压比定容升压比pressure ratio:定容加热后的压力与加热前的压
7、力之比，它是表示内燃机定容燃烧情况的特性参数。（3）定压预胀比定压预胀比 cutoff ratio: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。34vv大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所net1twqnetnet12wqqq342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV循环热效率三、混合加热循环的能量分析和性能分析三、混合加热循环的能量分析和性能分析大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所3423151211TTTTTTqqtt表示、利用111211221TvvTT有13321223pTTTp有14
8、431334vTTTv有151515ppTT 有51TT，求出15pp得大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所)a)c)bttt讨论：11111t 把T2、T3、T4和T5代入循环净功和净热分别为)1()1()1(11112100kkkkvpqqqw 在循环特性参数（、及）一定的条件下，。大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所2321vvvv四、定压加热理想循环Diesel cycle大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所热效率热效率121qqt142TTcqV231TTcqp23141TTTTt 热效率随着压缩比的增大,预胀比
9、的减小和采用高值的气体而增大。11111t 大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所2321ppvv五.定容加热理想循环Otto cycle大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所231TTcqV142TTcqV23141211TTTTqqt2321ppvv热效率11111t 大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所718/(),1.4vcJkg Kk。=6，11879/,98.1,60,okJ kg pkPa tC1q图101所示的定容加热活塞式内燃机理想循环，工质为空气，
10、比热容为定值并取已知压缩比试求循环各点的温度、压力、比体积，循环热效率及平均有效压力。解：由已知条件：1113131331298.1,333.151:287/()333.150.974/98.1 1020.974/0.162/6gpkPa TKR TJkg KKvmkgpPavmkgvmkg点点：例：大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所1.412112111.4 1121123113233221 2()98.161205()333.15668030.974/879/68019040.718/()190412053374680kkkkVvpppkPakPavvTTTKKv
11、vmkgqkJ kgTTKKckJkg KTKppkPakPaTK4是定熵过程，有点：v大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所1.43243341334442411214()()3374(1/6)275275 100.974/933287/()()0.718/()(933333.15)431/879/431/448/11116kkgVnettkkvvpppkPakPavvp vPamkgTKRJkg Kqc TTkJkg KKKkJ kgqqkJ kgkJ kgkJ kg 点：13533430.512448/0.510879/448 10/5.517 100.974/0.
12、162/nettnetkJ kgqkJ kgJ kgMEPPavvmkgmkg或大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所一一.压缩比相同，吸热量相同时的比较压缩比相同，吸热量相同时的比较111vmpqqq或 pmvTTT222pmvqqq222tvtmtppmvTTT11194 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所222pmvqqq或vmpTTT222vmpqqq221tptmtvvmpTTT111二.循环pmax，Tmax相同时的比较大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所一一.燃气轮机装置简
13、介燃气轮机装置简介9-5 燃气轮机装置循环(gas turbine)特点：1.运转平稳，连续输出功 2.启动快，达满负荷快 3.重量功率比 仍较大用途用途：飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set)，等。优点：其热能转变为机械能的过程是在燃气轮机中实现，它是一种旋转式热力发动机，转速可设计很高，且工作过程连续。可在设备重量小，尺寸小的条件下发出很大功率。缺点：叶片材料、设计、加工、装配要求很高。燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的热动力设备大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所简图简图大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所
14、压气机压气机简图：燃烧室燃烧室燃气轮机燃气轮机大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所燃烧室为定压燃烧，压缩、膨胀过程与绝热相近。故定压燃烧燃气轮机装置的理想循环组成如下：绝热压缩、定压吸热、绝热膨胀、定压放热燃烧室燃气轮机压气机q1321图 1016二二.定压加热理想循环定压加热理想循环定压燃烧燃气轮机装置流程示意图如下:大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所二.定压加热理想循环大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所过程1-2 等熵压缩（压气机内）过程2-3 定压吸热（燃烧室内）过程3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）过程4-1 定压
15、放热21pp循环增压比pressure ratio 循环增温比temperature ratio13TT大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所1.热效率热效率t232323132TTcTTchhqpttpm1212113434ppTTppTT2314pppp2134TTTT212314TTTTTT121111TTt注意：式中注意：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。23141211TTTTqqt三.定压加热理想循环分析232323132TTcTTchhqpttpm141414241TTcTTchhqpttpm141414241TTcTTchh
16、qpttpm大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所无关与3)Tatt1net)tbqw一定不变121111tTT 2.分析大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所netmax)cww一定，取某值13TTnet)dw与 及 的关系1net11)11pc wc T由大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所一一.定压加热的实际循环定压加热的实际循环 96 燃气轮机装置定压加热实际循环1-2a 不可逆绝热压缩；2-3 定压吸热；3-4a 不可逆绝热膨胀；4-1 定压放热。大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所CS21C
17、SC21sawhhwhhC21CS1swhh2121CS1ashhhh二、压气机绝热效率 adiabatic compressor efficiency大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所三、燃气轮机相对内效率 adiabatic turbine efficiency,34,34t TaTt Tswhhwhh,34t TTswhh4334Tsahhhh大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所回热回热regeneration 97 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施 （选讲）1）极限回热）极限回热162531TTcqTTcqpp回回大连理工大学机械工程
18、学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所2）回热度）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182731)1TTcqTTcqpp回回ttTTqq回回回回回1212,113）大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所 98 喷气发动机(jet engine)简介12 扩压管压缩 23 压气机压缩34 定压燃烧45 膨胀作共 56 喷管加速大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所 定压燃烧喷气式发动机的理论循环及实际循环与燃气轮机装置定压加热循环相同理想循环理想循环注意：压缩和膨胀过程 都分两段大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所作业：作业：91,5,6大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所第九章 完End of Preface大连理工大学机械工程学院振动所大连理工大学机械工程学院振动所
