1、1第十章第十章 气体的动力循环气体的动力循环 -Gas power cycles2101 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循环能量转化的经济性，寻求提高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）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实际循环指导改善2）分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际 损失的部位、大小、原因及改进办法。3三三.分析动力循环的方法分析动力循环的方法1）第一定律分析法）第一定律分析法以第一定律为基础，以能
2、量的数量守恒为立足点。2）第二定律分析法）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。熵分析法熵分析法火用分析法分析法熵产作功能力损失火用损火用效率43)内部热效率内部热效率(internal thermal efficiency)i不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。net,net11actTiTtcoTwwqq 其中101TTccto与实际循环相当的卡诺循环热效率net1twq与实际循环相当的内可逆循环的热效率相对热效率(relative thermal efficiency)，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net,netactTw
3、w相对内部效率(internal engine efficiency)反映内部摩擦引起的损失5四四.空气标准假设空气标准假设(the air-standard hypothesis)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102 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一一.活塞式内燃机活塞式内燃机(internal combustion engine)简介简介分类分类：按燃料：煤气机(gas engine)、汽油机(gasoline engine;petrol engine)、柴油机(diesel engin
4、e)按点火方式：点燃式(spark ignition engine)、压燃式 (compression ignition engine)按冲程：二冲程(two-stroke)、四冲程(four-stroke)图设备图内燃机.doc6活塞式内燃机循环特点活塞式内燃机循环特点：开式开式循环(open cycle)；燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆不可逆；各环节中工质质量、成分稍有变化质量、成分稍有变化。7hnetVWMEP 二、平均有效压力二、平均有效压力-mean effective pressure8三三.活塞式内燃机循环的简化活塞式内燃机循环的简化901 吸气12 压缩23 喷油、燃烧
5、34 燃烧45 膨胀作功50 排气简化：引用空气标准假设燃烧燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热排气排气5-1等容放热压缩、膨胀压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程吸、排气线吸、排气线重合、忽略燃油质量燃油质量忽略燃气成分改变燃气成分改变忽略10103 活塞式内燃机的理想循环活塞式内燃机的理想循环一一.混合加热理想循环混合加热理想循环（dual combustion cycle）1.p-v图及图及T-s图图12 等熵压缩；23 等容吸热；34 定压吸热；45 等熵膨胀；51 定容放热特性参数特性参数：12vv32pp43vv压缩比compression ratio定容增压比pressure rati
6、o定压预胀比 cutoff ratio112.循环热效率循环热效率net1twqnet1 22 33 44 55 11 23 44 5wwwwwwwww或netnet12wqqq11gg5213434141111RRppTpvvTpp342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV123423151211TTTTTTqqtt表示、利用111211221TvvTT有13321223pTTTp有14431334vTTTv有151515ppTT 有1344552211vpvpvpvp因两式相除，考虑到325134vvvvpp5344412323pppvvppvpv11111t 5511
7、pTTp51TT3423151TTTTTTt把T2、T3、T4和T5代入求15pp14讨论讨论：)a)c归纳归纳：a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热 效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导际循环的指导。b.利用利用T-s图分析循环较方便。图分析循环较方便。c.同时考虑同时考虑q1和和q2或或T1m和和T2m平均。平均。)bttt15二二.定压加热理想循环定压加热理想循环Diesel cycle121qqt23141TTTTt11111t142TTcqV231TTcqp11111t 2321v
8、vvv16讨论：net)tawnet)tbwC)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17三三.定容加热理想循环定容加热理想循环Otto cycle2321ppvv18231TTcqV111111111t 142TTcqV23141211TTTTqqt2321ppvv19讨论：ta)net);tbw不变，但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20104 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较一一.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pmvTTT2
9、22pmvqqq222tvtmtppmvTTT11121二二.循环循环pmax，Tmax相同时的比较相同时的比较222pmvqqq或vmpTTT222例题第十章A447277.pptvmpqqq221tptmtvvmpTTT111例题第十章A470299.PPT2210-6 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环一一.燃气轮机燃气轮机(gas turbine)装置简介装置简介图设备图燃气轮机.doc2324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)
10、，工质流动 2.运转平稳运转平稳，连续输出功 3.启动快启动快，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，但重量功率比重量功率比 (specific weight of engine)仍较大仍较大用途用途：飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set)，等。25二二.定压加热理想循环定压加热理想循环constant-pressure combustion cycle;Brayton cycle1-2 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）21pp循环增压比pressure rati
11、o32TT 循环增温比temperature ratio26三三.定压加热理想循环分析定压加热理想循环分析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。141414241TTcTTchhqpttpm23141211TTTTqqt272.分析分析无关与3)Tatt1net)tbqw一定不变121111tTT？28netmax)cww一定，取某值net12wqq21netnetnet,max
12、0,wwwd令时 1423TTTTcp111334111412131TTTTTcTTTTTTTckkpp29net)dw与 及 的关系1net11)11pc wc T由可见：1）对于每一，均有其wnet,max 2）上升，即T3上升，使取 得wnet,max 的 上升，t上 升，所以提高T3 能带动 wnet,max 及t同时升高。30107 燃气轮机装置定压加热实际循环燃气轮机装置定压加热实际循环一一.定压加热的实际循环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。31二二.压气机绝热效率压气机绝热效率(adiabatic compr
13、essor efficiency)CS和燃气轮机相对内效率和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)TCS21CSC21sawhhwhhC21CS1swhh2121CS1ashhhh,34,34t TaTt Tswhhwhh,34t TTswhh4334Tsahhhh32三三.燃气轮机装置的内部热效率燃气轮机装置的内部热效率 (internal thermal efficiency)inet1iwq 整理后可得：net,3421Cs1t TcTsswwwhhhh1323121Cs1sqhhhhhh13421CSCS31211CSCS111111Toissi
14、shhhhhhhh3313421CSCS31211CSCS111111Toissishhhhhhhh讨论讨论：CCSCS)0.850.920.850.90iTTiTaS除、外 还与、有关，目前，ib,)一定时，但有极值ic,)增大增大是提高燃气轮机装置性能（是提高燃气轮机装置性能（wnet，i）的方向。）的方向。34108 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施提高燃气轮机装置热效率的热力学措施一一.回热回热regeneration 讨论讨论182731)1TTcqTTcqpp回回ttTTqq回回回回回1212,112）极限回热）极限回热162531TTcqTTcqpp回回图设备图gas turb
15、ine 1.gif353）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4）实际循环的回热）实际循环的回热36分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却multistage compression and intervening cooling 37二二.分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却采用分级压缩，中间冷却后t？循环12341：111t循环1567341：循环12341循环67256循环67256：tt1111123411567341tt回热基础上
16、分级压缩中间冷却net,1567341net,12341ww回热基础上回热基础上12341,11567341,1qq12341,1567341,tt38三三.回热基础上分级膨胀，中间加热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127101,12341,tt若回热 循环12389101与循环12341 比较T1m上升，T2m下降12389101,12341tt注意：注意：当分级压缩中间冷却；分级当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数趋向膨胀中间再热，级数趋向无穷无穷多多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。127101,2389101,tt,2389101,12341tt39气体动力循环热效率分析归纳气体动力循环热效率分析归纳：基础基础：net22111111LthwqTTqqTT 方法方法：在T-s图上叠加、拆分等；在T-s图上与同温限卡诺循环比较；利用t=f(x,y,z)的数学特性。例题第十章A470389.ppt例题第十章A474299.ppt.讲座热（）经济基础.ppt40109 喷气发动机喷气发动机(jet engine)简介简介 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。
