工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)10氣體動力循環(huán)

1、： 能夠?qū)⑷剂先紵尫懦鰜淼臒崃康囊荒軌驅(qū)⑷剂先紵尫懦鰜淼臒崃康囊徊糠郑B續(xù)不斷的轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的整套熱工設(shè)備，稱為熱能動部分，連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的整套熱工設(shè)備，稱為熱能動力裝置，簡稱動力裝置。力裝置，簡稱動力裝置。如果直接將燃料的燃燒產(chǎn)物作為工質(zhì)如果直接將燃料的燃燒產(chǎn)物作為工質(zhì),這種動力這種動力裝置稱為內(nèi)燃動力裝置裝置稱為內(nèi)燃動力裝置(或稱為內(nèi)燃機(jī)或稱為內(nèi)燃機(jī))。如往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)。如往復(fù)式內(nèi)燃機(jī),燃?xì)馊細(xì)廨啓C(jī)和火箭發(fā)動機(jī)等。輪機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)等。如果只是利用燃燒產(chǎn)物來加熱循環(huán)的工質(zhì)如果只是利用燃燒產(chǎn)物來加熱循環(huán)的工質(zhì)(如蒸如蒸汽動力裝置中利用燃?xì)饧訜崴麆恿ρb置中利用燃?xì)饧訜崴?,則這種動力

2、裝置稱為外燃動力則這種動力裝置稱為外燃動力裝置裝置(或稱外燃機(jī)或稱外燃機(jī))。第十章第十章 氣體動力循環(huán)氣體動力循環(huán)Gas power cycles 內(nèi)燃動力裝置內(nèi)燃動力裝置進(jìn)氣過程進(jìn)氣過程：進(jìn)氣閥開，：進(jìn)氣閥開，排氣閥關(guān)，活塞下行，排氣閥關(guān)，活塞下行，將空氣吸入氣缸。將空氣吸入氣缸。壓縮過程壓縮過程：進(jìn)、排氣門：進(jìn)、排氣門關(guān)，活塞上行壓縮空氣，關(guān)，活塞上行壓縮空氣，使其溫度和壓力得以升使其溫度和壓力得以升高。高。燃燒過程燃燒過程：噴油嘴噴油，：噴油嘴噴油，燃料燃燒，氣體壓力和燃料燃燒，氣體壓力和溫度急劇升高（燃料的溫度急劇升高（燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能）?；瘜W(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能）。膨脹過程膨脹過程：高

3、溫高壓氣：高溫高壓氣體推動活塞下行，曲軸體推動活塞下行，曲軸向外輸出機(jī)械功。向外輸出機(jī)械功。排氣過程排氣過程：活塞接近下死點(diǎn)時，排氣門開，：活塞接近下死點(diǎn)時，排氣門開，在壓差的作用下廢氣流出氣缸。隨后，活在壓差的作用下廢氣流出氣缸。隨后，活塞左行，將殘余氣體推出氣缸。塞左行，將殘余氣體推出氣缸。重復(fù)上述過程，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。重復(fù)上述過程，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。第一節(jié)第一節(jié):分析動力循環(huán)的一般方法分析動力循環(huán)的一般方法一一.分析動力循環(huán)的目的分析動力循環(huán)的目的 在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上分析在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上分析循環(huán)能量轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)性，尋求提高循環(huán)能量轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)性，尋求提高經(jīng)濟(jì)性的方向及途徑

4、。經(jīng)濟(jì)性的方向及途徑。二二.分析動力循環(huán)的一般步驟分析動力循環(huán)的一般步驟（1）實(shí)際循環(huán)（復(fù)雜不可逆）實(shí)際循環(huán)（復(fù)雜不可逆） 可逆理論循可逆理論循環(huán)環(huán) 分析可逆循環(huán)分析可逆循環(huán) 影響經(jīng)濟(jì)性的主要因素和影響經(jīng)濟(jì)性的主要因素和可能改進(jìn)途徑可能改進(jìn)途徑 指導(dǎo)改善指導(dǎo)改善 實(shí)際循環(huán)實(shí)際循環(huán)（2）分析實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的偏離程度，找）分析實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的偏離程度，找出實(shí)際損失的部位、大小、原因及改進(jìn)辦法。出實(shí)際損失的部位、大小、原因及改進(jìn)辦法。抽象、簡化抽象、簡化三、分析動力循環(huán)的具體操作三、分析動力循環(huán)的具體操作 （1）把實(shí)際工作過程簡化成可逆理想循）把實(shí)際工作過程簡化成可逆理想循環(huán)。環(huán)。 （2）確

5、定理想循環(huán)中各典型點(diǎn)（各過程）確定理想循環(huán)中各典型點(diǎn)（各過程線交點(diǎn)）的狀態(tài)參數(shù)，可將它們表示為工質(zhì)線交點(diǎn)）的狀態(tài)參數(shù)，可將它們表示為工質(zhì)的初態(tài)參數(shù)和循環(huán)特性參數(shù)的函數(shù)。的初態(tài)參數(shù)和循環(huán)特性參數(shù)的函數(shù)。 （3）進(jìn)行循環(huán)性能分析，確定表征循環(huán)）進(jìn)行循環(huán)性能分析，確定表征循環(huán)整體性能的各種指標(biāo)。整體性能的各種指標(biāo)。第二節(jié)第二節(jié) 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的動力循環(huán)往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的動力循環(huán) 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣四個工作往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣四個工作過程是由活塞在四個行程內(nèi)完成的，稱為過程是由活塞在四個行程內(nèi)完成的，稱為“四沖程內(nèi)燃機(jī)四沖程內(nèi)燃機(jī)”，在兩個行程內(nèi)完成的，稱為在兩

6、個行程內(nèi)完成的，稱為“二沖程內(nèi)燃機(jī)二沖程內(nèi)燃機(jī)”。01 吸氣吸氣 12 壓縮壓縮 23 噴油、燃燒噴油、燃燒 34 燃燒燃燒 45 膨脹作功膨脹作功 50 排氣排氣一、機(jī)械噴射式柴油機(jī)工作過程的理想化一、機(jī)械噴射式柴油機(jī)工作過程的理想化簡化方法簡化方法: :（1）不計(jì)吸氣和排氣過程）不計(jì)吸氣和排氣過程，將內(nèi)燃機(jī)的工作過程看作是氣缸內(nèi)，將內(nèi)燃機(jī)的工作過程看作是氣缸內(nèi)工質(zhì)進(jìn)行狀態(tài)變化的封閉循環(huán)。工質(zhì)進(jìn)行狀態(tài)變化的封閉循環(huán)。（2）把燃燒過程看作是外界）把燃燒過程看作是外界對工質(zhì)的加熱過程，并認(rèn)為對工質(zhì)的加熱過程，并認(rèn)為23是定容加熱過程，是定容加熱過程，34是是定壓加熱過程。定壓加熱過程。（3）略去

7、壓縮過程和膨脹過）略去壓縮過程和膨脹過程中工質(zhì)與氣缸壁之間的熱量程中工質(zhì)與氣缸壁之間的熱量交換交換,近似地認(rèn)為是絕熱過程。近似地認(rèn)為是絕熱過程。（4）用定容放熱過程來代替）用定容放熱過程來代替廢氣排入大氣中的實(shí)際放熱過廢氣排入大氣中的實(shí)際放熱過程。程。機(jī)械噴射式柴油機(jī)理想循環(huán)的機(jī)械噴射式柴油機(jī)理想循環(huán)的P-v 圖和圖和T-s 圖圖 該循環(huán)由于兼有定容和定壓加熱過程，所以稱該循環(huán)由于兼有定容和定壓加熱過程，所以稱為為“”，也稱，也稱“”。21vv23pp二、內(nèi)燃機(jī)的特性參數(shù)及混合加熱理想循環(huán)各典型點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)二、內(nèi)燃機(jī)的特性參數(shù)及混合加熱理想循環(huán)各典型點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)（1）壓縮比壓縮比：壓縮前的比體

8、積與壓縮后：壓縮前的比體積與壓縮后的比體積之比，它是表征內(nèi)燃機(jī)工作體積的比體積之比，它是表征內(nèi)燃機(jī)工作體積大小的結(jié)構(gòu)參數(shù)。大小的結(jié)構(gòu)參數(shù)。（2）定容升壓比定容升壓比: : 定容加熱后的壓力與加定容加熱后的壓力與加熱前的壓力之比，它是表示內(nèi)燃機(jī)定容燃熱前的壓力之比，它是表示內(nèi)燃機(jī)定容燃燒情況的特性參數(shù)。燒情況的特性參數(shù)。（3）定壓預(yù)脹比定壓預(yù)脹比: : 定壓加熱后的比體積與加熱前的比體積之定壓加熱后的比體積與加熱前的比體積之比，它是表示內(nèi)燃機(jī)定壓燃燒情況的特性參數(shù)。比，它是表示內(nèi)燃機(jī)定壓燃燒情況的特性參數(shù)。34vv1-21-2為定熵過程：為定熵過程：12112112112;ppTTvvTT同理：

9、 混合加熱理想循環(huán)中各典型點(diǎn)上的狀態(tài)參數(shù)，可以表示為初混合加熱理想循環(huán)中各典型點(diǎn)上的狀態(tài)參數(shù)，可以表示為初態(tài)參數(shù)及循環(huán)特性參數(shù)的函數(shù)：態(tài)參數(shù)及循環(huán)特性參數(shù)的函數(shù)：21vv23pp34vv21vv23pp34vv2-32-3為定容加熱過程：為定容加熱過程：12311232323pppTTTppTT；3 - - 4為定壓加熱過程：為定壓加熱過程ppTTTvvTT；21vv23pp34vv4-5為定熵過程，為定熵過程，5-1及及2-3為定容過程，因此有：為定容過程，因此有：111114511132411415445)()()()()()(TTTTvvvvvvvvTTkkpp

10、p145)()(23vv1TTcq)(34pp1TTcq三、混合加熱循環(huán)的能量分析和性能分析三、混合加熱循環(huán)的能量分析和性能分析12t1qq定容過程定容過程23工質(zhì)吸入熱量：工質(zhì)吸入熱量：定壓過程定壓過程34工質(zhì)吸入熱量：工質(zhì)吸入熱量：工質(zhì)在混合循環(huán)中總吸熱量：工質(zhì)在混合循環(huán)中總吸熱量：)()(34p23vp1v11TTcTTcqqq)(152TTcqv)()() 1(1)()()(11131412131534231512TTTTTTTTTTTTcTTcTTcqqpvvt混合加熱循環(huán)的熱效率為：混合加熱循環(huán)的熱效率為：定容放熱過程定容放熱過程51中，中，工質(zhì)放出的熱量為：工質(zhì)放出的熱量為：)

11、1() 1(111) 1() 1(11111111TTTt循環(huán)凈功和凈熱分別為循環(huán)凈功和凈熱分別為)1 ()1() 1(11112100vpqqqw 在循環(huán)特性參數(shù)（在循環(huán)特性參數(shù)（、及及）一定的條件下，）一定的條件下，。 (1) (1) 在一定的在一定的、條件下，壓縮比條件下，壓縮比愈大愈大, ,熱效率愈高。熱效率愈高。 （2 2）在一定的）在一定的值條件下值條件下, ,提高定容升壓比提高定容升壓比和降低定壓預(yù)脹和降低定壓預(yù)脹比比, ,混合加熱循環(huán)的熱效率增高?；旌霞訜嵫h(huán)的熱效率增高。) 1() 1(1111t可見：可見： t const, const,t, const, 由圖可見，由圖可

12、見，、Tm1，所以熱效，所以熱效率率t。),(tf予脹比予脹比對熱效率對熱效率t影響的分析。影響的分析。 描述了定壓過程中加熱量的描述了定壓過程中加熱量的多少，加熱量多少，加熱量。 顯然，在顯然，在3-4（4）的加熱過程伴隨膨脹過程同時進(jìn)行，）的加熱過程伴隨膨脹過程同時進(jìn)行，因而，不同時刻加入系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)換為功量的機(jī)會是不相同因而，不同時刻加入系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)換為功量的機(jī)會是不相同的。的。3點(diǎn)加入的熱量在整個膨脹過程中均有機(jī)會轉(zhuǎn)換為功，而點(diǎn)加入的熱量在整個膨脹過程中均有機(jī)會轉(zhuǎn)換為功，而隨后加入的熱量轉(zhuǎn)換為功量的機(jī)會越來越少，在隨后加入的熱量轉(zhuǎn)換為功量的機(jī)會越來越少，在4 點(diǎn)加入的點(diǎn)加入的熱量轉(zhuǎn)換為

13、功的機(jī)會為零?？梢姛崃哭D(zhuǎn)換為功的機(jī)會為零?？梢?t。4 四、定容加熱理想循環(huán)和定壓加熱理想循環(huán)四、定容加熱理想循環(huán)和定壓加熱理想循環(huán)1 1、定容加熱理想循環(huán)、定容加熱理想循環(huán)( (汽油機(jī)的理想循環(huán)汽油機(jī)的理想循環(huán)) ) 111t) 1)(1(11110vpw t t ， =6=61010 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1,為混合加為混合加熱循環(huán)的一個特例，將熱循環(huán)的一個特例，將其代入混合加熱循環(huán)的其代入混合加熱循環(huán)的熱效率及循環(huán)凈功的表熱效率及循環(huán)凈功的表達(dá)式，即分別有：達(dá)式，即分別有：2. 2. 定壓加熱理想循環(huán)定壓加熱理想循環(huán)( (早期柴油機(jī)的理想循環(huán)早期柴油機(jī)的理想循環(huán)) ) 1(1111t)1()1(1

14、1110kvpw 熱效率隨著壓縮比熱效率隨著壓縮比的增大的增大, ,預(yù)脹比預(yù)脹比的減小和采用高的減小和采用高值的氣體而增大。值的氣體而增大。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1,為混為混合加熱循環(huán)的一合加熱循環(huán)的一個特例，將其代個特例，將其代入混合加熱循環(huán)入混合加熱循環(huán)的熱效率及循環(huán)的熱效率及循環(huán)凈功的表達(dá)式，凈功的表達(dá)式，即分別有：即分別有：平均溫度的概念平均溫度的概念第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)燃機(jī)三種理想循環(huán)的比較及循環(huán)的平均壓力內(nèi)燃機(jī)三種理想循環(huán)的比較及循環(huán)的平均壓力前提條件：前提條件： 1.1.循環(huán)初始狀態(tài)點(diǎn)循環(huán)初始狀態(tài)點(diǎn)1 1相同相同2.2.對每對每kgkg工質(zhì)而言工質(zhì)而言, ,加入的熱量相同加入的熱量相同asab

15、csTdsqaccba面積11T)(11accbassTTdsqacssqT11acssqT222T1T2T121211TTqqt 提高提高或降低或降低的措的措施施,均能提高循環(huán)的熱效率。均能提高循環(huán)的熱效率。 對各循環(huán)的吸熱對各循環(huán)的吸熱平均溫度和放熱平均溫度和放熱平均溫度進(jìn)行比平均溫度進(jìn)行比較。從圖，根據(jù)較。從圖，根據(jù) , 從而可以得出：從而可以得出：12t1qqtpttv2st/mNVmwp 四、四、 內(nèi)燃機(jī)循環(huán)平均壓力內(nèi)燃機(jī)循環(huán)平均壓力單位氣缸體積在每單位氣缸體積在每一循環(huán)中所作的功稱為一循環(huán)中所作的功稱為。2st/mNVmwp ssVRTpvVmVmv111s1如吸入氣缸中氣體的比體

16、積為如吸入氣缸中氣體的比體積為v1，則氣缸工作體積中的氣體，則氣缸工作體積中的氣體質(zhì)量為：質(zhì)量為：從熱效率定義：從熱效率定義：t1qw 1t11st1s11s1RTqpVqVRTpVmwptt1t11pTqp、降低、提高第四節(jié)第四節(jié) 其它氣體動力循環(huán)簡介其它氣體動力循環(huán)簡介 壓氣機(jī)壓氣機(jī)1不斷地從大氣中吸不斷地從大氣中吸入空氣，進(jìn)行壓縮升壓。壓縮空入空氣，進(jìn)行壓縮升壓。壓縮空氣進(jìn)入燃燒室氣進(jìn)入燃燒室2。在燃燒室中，。在燃燒室中，空氣與供入的燃料在定壓下進(jìn)行空氣與供入的燃料在定壓下進(jìn)行燃燒，形成該壓力下的高溫燃?xì)狻Ｈ紵?，形成該壓力下的高溫燃?xì)?。高溫燃?xì)馀c來自燃燒室夾層通道高溫燃?xì)馀c來自燃燒室夾層

17、通道的壓縮空氣相混合，使其溫度降的壓縮空氣相混合，使其溫度降低至燃?xì)廨啓C(jī)葉片所能承受的溫低至燃?xì)廨啓C(jī)葉片所能承受的溫度范圍。燃?xì)饬鹘?jīng)燃?xì)廨啓C(jī)度范圍。燃?xì)饬鹘?jīng)燃?xì)廨啓C(jī)3的的噴管，膨脹加速，形成高速氣流噴管，膨脹加速，形成高速氣流,沖動葉輪對外輸出功量。作功后沖動葉輪對外輸出功量。作功后的廢氣排入大氣。燃?xì)廨啓C(jī)作出的廢氣排入大氣。燃?xì)廨啓C(jī)作出的功量除用以帶動壓氣機(jī)外，剩的功量除用以帶動壓氣機(jī)外，剩余部分（循環(huán)凈功）對外輸出。余部分（循環(huán)凈功）對外輸出。一、一、 勃雷頓循環(huán)勃雷頓循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置燃?xì)廨啓C(jī)裝置 燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)工作的特性，經(jīng)理想化之后，可以近似根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)工作的特性，經(jīng)理想化之后，可以近似的合理的看作由下列四個基本熱力過程所組成的理想循環(huán)，的合理的看作由下列四個基本熱力過程所組成的理想循環(huán)，燃?xì)廨喨細(xì)廨啓C(jī)裝置的理