《工程热力学：第5章 气体动力循环》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程热力学：第5章 气体动力循环（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章第五章 气体动力循环气体动力循环Gas Power Cycle动力循环的研究目的、分类动力循环的研究目的、分类动力循环：动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得工质连续不断地将从高温热源取得 的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：研究目的：合理安排循环以提高热效率合理安排循环以提高热效率internal combustion engineexternal combustion e
2、ngine动力循环的动力循环的 研究方法研究方法实际动力循环非常复杂实际动力循环非常复杂不可逆不可逆，多变指数变化多变指数变化，燃烧燃烧等等 工程热力学研究方法，先对实际动工程热力学研究方法，先对实际动力循环进行力循环进行抽象抽象和和理想化理想化，对理想化循，对理想化循环进行分析，最后再进行环进行分析，最后再进行修正修正。四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作原理空气空气废气废气吸气吸气压缩压缩膨胀膨胀排气排气IntakeCompressionExpansionExhaustExhaust gasAirIntake valveExhaust valveFuel油油四冲程高速柴油机工作过程四冲程高
3、速柴油机工作过程 (续续1)12301 吸空气吸空气pV一般一般n=1.341.37（柴油自燃（柴油自燃 335）p02012 多变压缩多变压缩p2=35MPat2=6008002 喷柴油喷柴油2 开始燃烧开始燃烧23 迅速燃烧，近似迅速燃烧，近似 Vp59MPaAutoiginition四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程 (续续2)1234534 边喷油，边膨胀边喷油，边膨胀pVp0120t4可达可达170018004 停止喷柴油停止喷柴油45 多变膨胀多变膨胀V近似近似 膨胀膨胀pP5 = 0.30.5MPaT5 50051 开阀排气，开阀排气， 降压降压10 活塞推排气活塞
4、推排气,完成循环完成循环四冲程高速柴油机的理想化四冲程高速柴油机的理想化123451. 工质工质pVp0120工质数量不变工质数量不变定比热理想气体定比热理想气体P-V图图p-v图图2. 0-1和和1 -0抵消抵消开口开口闭口循环闭口循环3. 燃烧燃烧外界加热外界加热4. 排气排气向向外界放热外界放热5. 多变多变绝绝热热6. 不可逆不可逆可逆可逆理想混合加热循环（萨巴德循环）理想混合加热循环（萨巴德循环）1234512345pvTs分析循环分析循环吸热量吸热量，放热量放热量，热效率热效率和和功量功量Dual cycle (Sabathe)理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算12345
5、Ts吸热量吸热量放热量放热量(取绝对值）取绝对值）热效率热效率几个指标性参数的定义几个指标性参数的定义12345pv压缩比压缩比定容定容增压比增压比预胀比预胀比反映反映气缸气缸容积容积反映反映供油供油规律规律理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算 (续续1)理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算 (续续2)12345Ts热效率热效率压缩比压缩比定容定容增压比增压比预胀比预胀比作作 业业 5-75-115-12 理想混合加热循环的计算理想混合加热循环的计算(续续3)12345Ts热效率热效率各因素对混合加热循环的影响各因素对混合加热循环的影响1、当、当定容增压比定容增压比 、预胀比预
6、胀比 不变不变受气缸材料限制受气缸材料限制 一般柴油机一般柴油机潜艇用氦气，潜艇用氦气，k=1.67压缩比压缩比12345Ts即提高了平均吸热温度即提高了平均吸热温度各因素对混合加热循环的影响各因素对混合加热循环的影响 (续续)2、当、当压缩比压缩比 不变不变 预胀比预胀比定容增压比定容增压比即提高了平均吸热温度即提高了平均吸热温度12345Ts注意：注意：不必记忆不必记忆 的复杂式的复杂式柴油机柴油机 与与 汽油汽油机机 动力循环图示动力循环图示12345pv1234pv柴油机，压燃式柴油机，压燃式汽油机，点燃式汽油机，点燃式预胀比预胀比定容加热定容加热循环（奥图循环（奥图OTTO循环循环)
7、 )12341234pvTs定容加热循环的计算定容加热循环的计算1234Ts吸热量吸热量放热量放热量(取绝对值）取绝对值）热效率热效率定容加热循环的计算定容加热循环的计算 (续续1)1234Ts热效率热效率定容加热循环的计算定容加热循环的计算 (续续2)汽油易爆燃汽油易爆燃一般汽油机一般汽油机一般汽油机效率低于柴油机的效率一般汽油机效率低于柴油机的效率但汽油机小巧但汽油机小巧预胀比预胀比柴油机柴油机 与与 低速柴油低速柴油机机 循环图示循环图示12345pv1234pv柴油机，压燃式柴油机，压燃式低速柴油机，压燃式低速柴油机，压燃式需压气机雾化油需压气机雾化油定容增压比定容增压比定压加热循环（
8、狄塞尔定压加热循环（狄塞尔Diesel循环循环) )1234pv1234Ts定压加热循环的计算定压加热循环的计算1234Ts吸热量吸热量放热量放热量(取绝对值）取绝对值）热效率热效率定压加热循环的计算定压加热循环的计算 (续续)热效率热效率已被淘汰已被淘汰需附加压气机雾化油需附加压气机雾化油5-2 5-2 活塞式内燃机几种循环的比较活塞式内燃机几种循环的比较比较的条件：比较的条件：压缩比压缩比吸热量吸热量反映气缸结构尺寸、工艺材料反映气缸结构尺寸、工艺材料反映热负荷反映热负荷最高压力最高压力反映材料耐压、壁厚、成本反映材料耐压、壁厚、成本最高温度最高温度反映材料耐温反映材料耐温混合加热，定容加
9、热，定压加热混合加热，定容加热，定压加热初态相同初态相同和和 相同相同Ts平均温度法平均温度法3m4m123v4v3p4p和和 相同相同Ts相等相等12v342m2p平均温度法平均温度法和和 相同相同3p4mTs2p3m12v4v3v4p2m？ 和和 相同，图示相同，图示 大小大小5-3 5-3 斯特林（斯特林（Stirling) )循环循环1816年提出，近几十年重新引起重视年提出，近几十年重新引起重视冷气室冷气室热气室热气室加热器加热器c冷却器冷却器aAB回热器回热器b1-2 T 压缩压缩a2-3 V 吸热吸热b3-4 T 膨胀膨胀c4-1 V 放热放热b斯特林循环图示斯特林循环图示123
10、41234pvTs概括性卡诺循环概括性卡诺循环从气缸外吸热，可用从气缸外吸热，可用廉价燃料、太阳能廉价燃料、太阳能5-4 5-4 勃雷登循环勃雷登循环（Brayton Cycle） 燃气轮机动力装置的理想循环燃气轮机动力装置的理想循环用途：用途： 航空发动机航空发动机 尖峰电站尖峰电站 移动电站移动电站 大型轮船大型轮船 联合循环的顶循环联合循环的顶循环燃气轮机动力装置燃气轮机动力装置循环示意图和理想化循环示意图和理想化1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室1）工质：数量不变，定比热工质：数量不变，定比热理想气体理想气体理想化：理想化：2）闭口闭口 循环循环3）可逆过程：可逆过程：2
11、等熵、等熵、2等压等压Combustion chamberCompressorTurbinepvTs12341234T-s and P-v diagrams for the Brayton Cycle勃雷登循环的计算勃雷登循环的计算Ts1234吸热量：吸热量：放热量：放热量：热效率：热效率：勃雷登循环的热效率勃雷登循环的热效率Ts1234热效率：热效率：热效率表达式似乎与卡诺循环一样热效率表达式似乎与卡诺循环一样勃雷登循环的热效率勃雷登循环的热效率(续续)Ts1234热效率：热效率：定义定义循环增压比：循环增压比：or勃雷登循环的净功勃雷登循环的净功Ts1234定义定义循环增温比：循环增温比：
12、对净功的影响对净功的影响Ts123434 不变不变不变不变但但T3 受材料耐热限制受材料耐热限制3 3对净功的影响对净功的影响Ts 不变不变太大，太大，太小，太小，存在最佳存在最佳 ，使，使 最大最大小小小小最佳增压比最佳增压比 （w净净,max）的求解）的求解Ts令令最大循环净功最大循环净功燃气轮机动力装置的实际循环燃气轮机动力装置的实际循环Ts1234压气机：压气机：不可逆不可逆绝热压缩绝热压缩燃气轮机：燃气轮机：不可逆不可逆绝热膨胀绝热膨胀24定义：定义：压气机绝热效率压气机绝热效率燃气轮机相对内效率燃气轮机相对内效率燃气轮机动力装置实际循环的燃气轮机动力装置实际循环的 净功净功Ts12
13、3424净功净功令令得得实际循环的实际循环的燃气轮机动力装置实际循环的燃气轮机动力装置实际循环的 热效率热效率Ts123424热效率热效率吸热量吸热量影响燃气机动力装置实际循环热效率的因素影响燃气机动力装置实际循环热效率的因素一定，一定，一定，有最佳一定，有最佳 且对应的且对应的与与地面上，尺寸次要，省燃料，取地面上，尺寸次要，省燃料，取空中，尺寸重要，取空中，尺寸重要，取提高提高受材料耐热限制受材料耐热限制取最佳取最佳有无其有无其它途径它途径一般一般作作 业业5-145-155-19 5-5 5-5 提高勃雷登循环热效率的其它途径提高勃雷登循环热效率的其它途径2若使若使T4T4 在在500o
14、C以上以上134Ts不可行不可行但，如果但，如果T4T2则可预热空气，则可预热空气，回热回热途径之一：途径之一：回热回热Regeneration勃雷登循环勃雷登循环回热示意图回热示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室回热器回热器4R2ARegenerator回热在回热在T-s 图上的表示图上的表示2134Ts4R2R2A理想回热：理想回热：实际回热实际回热:定义：定义：回热度回热度一般一般0.60.92R 4R2AEffectiveness平均温度法平均温度法压气机间冷压气机间冷(intercooling)的图示的图示1234燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室间冷器间冷器5压气机压气
15、机62Intercooler压气机间冷在压气机间冷在T-s图上的表示图上的表示2134Ts265AB12341和和62256 联合工作联合工作？结论：结论：途径之二：途径之二：回热间冷回热间冷示意图示意图 134燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室间冷器间冷器5压气机压气机62回热器回热器4R2RIntercoolerRegenerator回热间冷在回热间冷在T-s图上的表示图上的表示2134Ts2654R2R结论：结论：再热再热reheating示意图示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室1燃烧室燃烧室235Reheater再热在再热在T-s图上的表示图上的表示213Ts3445结论
16、：结论：途径之三：途径之三：回热再热回热再热 示意图示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室2回热器回热器燃烧室燃烧室14R2R53Reheat-regenerative cycle回热回热再热在再热在T-s图上的表示图上的表示213Ts344结论：结论：54R2R途径之四：途径之四：回热回热+再热再热+间冷间冷示意图示意图1234压气机压气机燃气轮机燃气轮机燃烧室燃烧室2回热器回热器间冷器间冷器燃烧室燃烧室12R4R结论：结论：回热回热+再热再热+间冷间冷在在T-s图上的表示图上的表示3Ts2142R4R无穷多级的极限情况无穷多级的极限情况2134Ts两个等温过程两个等温过程两
17、个等压过程两个等压过程+回热回热概括性卡诺循环概括性卡诺循环级数越多，越复杂，级数越多，越复杂，造价越高，一般造价越高，一般23级级动力循环问题讨论动力循环问题讨论(1)1、为了提高效率，为了提高效率， 能否让燃气轮机的废气再进一步膨胀作功？能否让燃气轮机的废气再进一步膨胀作功？ 能否废气不放热就对其压缩，然后让它膨胀作功？能否废气不放热就对其压缩，然后让它膨胀作功？不能让不能让可逆时，可逆时，不可逆时，不可逆时，p0pv1234动力循环问题讨论动力循环问题讨论(2)2、回热器能否装在压气机前？回热器能否装在压气机前？Ts123412动力循环问题讨论动力循环问题讨论(3)3、可否先加热，后压缩
18、？可否先加热，后压缩？Ts动力循环的一般规律动力循环的一般规律动力循环的一般规律动力循环的一般规律:动力循环都是以消耗动力循环都是以消耗热能热能为为代价代价 以以作功作功为为目的目的升压升压是前提是前提加热加热是代价是代价作功作功是目的是目的放热放热是必须是必须顺序不可变顺序不可变步骤不可缺步骤不可缺第五章第五章 小小 结结 Summary燃气轮机循环：燃气轮机循环：理想循环与实际循环的计算理想循环与实际循环的计算 及比较及比较活塞式内燃机循环：活塞式内燃机循环：( 特点、计算、比较特点、计算、比较 )提高热效率的手段：提高热效率的手段：回热回热 回热回热+间冷间冷 回热回热+再热再热 回热回热+再热再热+间冷间冷
