第十章 氣體動(dòng)力循環(huán)

1、第十章第十章 氣體動(dòng)力循環(huán)氣體動(dòng)力循環(huán)熱能工程教研室For the rest of the semester.qLook at different cycles that approximate real processesqYou can categorize these processes several different waysqPower Cycles vs RefrigerationqGas vs VaporqClosed vs openqInternal Combustion vs External Combustion熱能工程教研室Power CyclesqSubject o

2、f Chapters 10 and 11qSabeander Cycle (薩巴德循環(huán)薩巴德循環(huán))qDiesel Cycle （狄賽爾循環(huán)）（狄賽爾循環(huán)）qOtto Cycle (奧托循環(huán)奧托循環(huán))qSpark Ignition 內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃機(jī)qBrayton Cycle （布雷頓循環(huán)）（布雷頓循環(huán)）q Gas Turbine 燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)qRankine Cycle（朗肯循環(huán)）（朗肯循環(huán)）qVapor 蒸汽輪機(jī)蒸汽輪機(jī)熱能工程教研室10-110-1分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法目的：目的：在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上分析動(dòng)力循環(huán)的能量在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上分析動(dòng)力循環(huán)的能量轉(zhuǎn)換

3、的經(jīng)濟(jì)性，尋求提高經(jīng)常性的方向和途徑。轉(zhuǎn)換的經(jīng)濟(jì)性，尋求提高經(jīng)常性的方向和途徑。步驟：步驟：2）分析實(shí)際循環(huán)與可逆理論循環(huán)的偏離）分析實(shí)際循環(huán)與可逆理論循環(huán)的偏離偏離部件、大小、原因及改進(jìn)辦法偏離部件、大小、原因及改進(jìn)辦法1）將實(shí)際循環(huán)抽象成可逆的理論循環(huán)）將實(shí)際循環(huán)抽象成可逆的理論循環(huán)熱能工程教研室Real vs. IdealvpActual cycleIdeal cycle熱能工程教研室分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法氣體動(dòng)力循環(huán)：氣體動(dòng)力循環(huán)：方法：方法： 1 1）第一定律分析法）第一定律分析法量的角度量的角度2 2）第二定律分析法）第二定律分析法品質(zhì)的角度品質(zhì)的角度3）“空

4、氣標(biāo)準(zhǔn)空氣標(biāo)準(zhǔn)”假假設(shè)設(shè)燃燒燃燒從高溫?zé)嵩次鼰釓母邷責(zé)嵩次鼰崤艢馀艢庀虻蜏責(zé)嵩捶艧嵯虻蜏責(zé)嵩捶艧峁ぷ髁黧w工作流體理想氣體理想氣體氣體性質(zhì)氣體性質(zhì)與空氣相同與空氣相同熱能工程教研室Air-Standard AssumptionsqAir continuously circulates in a closed loop and behaves as an ideal gasqAll the processes are internally reversibleqCombustion is replaced by a heat-addition process from the outsideqHe

5、at rejection replaces the exhaust process熱能工程教研室Cold Air Standard Assumptions Also assume a constant value for Cp, evaluated at room temperature熱能工程教研室提高循環(huán)效率的途徑：提高循環(huán)效率的途徑：提高循環(huán)中工質(zhì)的平均吸熱溫度提高循環(huán)中工質(zhì)的平均吸熱溫度降低循環(huán)中工質(zhì)的平均放熱溫度降低循環(huán)中工質(zhì)的平均放熱溫度循環(huán)不可逆因素：循環(huán)不可逆因素：散熱，泄漏散熱，泄漏內(nèi)部摩擦，外部溫差傳熱內(nèi)部摩擦，外部溫差傳熱分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法熱能工

6、程教研室內(nèi)部熱效率。實(shí)際做功量和循環(huán)加熱量內(nèi)部熱效率。實(shí)際做功量和循環(huán)加熱量之比之比TocTti=1 T0/T1, 高低熱源間卡諾循環(huán)熱效率高低熱源間卡諾循環(huán)熱效率(T1和和T0間的間的Carnot循環(huán)循環(huán))與實(shí)際循環(huán)相應(yīng)的內(nèi)部可逆循環(huán)熱效率與實(shí)際循環(huán)相應(yīng)的內(nèi)部可逆循環(huán)熱效率(T1和和T2間的實(shí)際循環(huán)間的實(shí)際循環(huán))循環(huán)相對內(nèi)部效率。循環(huán)中實(shí)際功量與理循環(huán)相對內(nèi)部效率。循環(huán)中實(shí)際功量與理論功量之比。反映內(nèi)部摩擦引起的損失。論功量之比。反映內(nèi)部摩擦引起的損失。 (T1和和T2間的實(shí)際循環(huán)間的實(shí)際循環(huán))1）循環(huán)效率法）循環(huán)效率法 i： c: t: T:T1T0q1q2wq1T1T2q2 o:相對內(nèi)效

7、率；相對內(nèi)效率；= t/ c；外部溫差換熱引起；外部溫差換熱引起的不可逆損失的不可逆損失分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法熱能工程教研室2）第二定律分析法）第二定律分析法A. 熵分析法熵分析法njgSTI10做功能力損失與循環(huán)的熵產(chǎn)有關(guān)做功能力損失與循環(huán)的熵產(chǎn)有關(guān)做功能力損失與循環(huán)最大做功能力之比表示損失大小做功能力損失與循環(huán)最大做功能力之比表示損失大小max/WII110max1QTTWB. Ex分析法分析法設(shè)備或系統(tǒng)的設(shè)備或系統(tǒng)的Ex效率效率ExExEx提供的有效分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法熱能工程教研室Ideal CyclesqWell be using ide

8、al cycles to analyze real systems, so lets start with the only ideal cycle weve studied thus farCarnot Cycle熱能工程教研室Ts DiagramTS121-2 Isothermal Heat Addition32-3 Isentropic Expansion43-4 Isothermal Heat Rejection4-1 Isentropic Compression TdSQ熱能工程教研室P v DiagramPv4-1 Isentropic Compression121-2 Isoth

9、ermal Heat Addition32-3 Isentropic Expansion3-4 Isothermal Heat Rejection4pdVW熱能工程教研室AndqSince it is a cycleth CarnotLHTT, 1qQ-W=0 Q=WqIn addition, we know that the efficiency for a Carnot Cycle is:熱能工程教研室WQWnet = Qnet熱能工程教研室Carnot Cycle is not a good model for most thingsqFor exampleqInternal combu

10、stion engineqGas turbineqWe need to develop a new model, that is still ideal熱能工程教研室10-2 10-2 活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡化活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡化活塞式內(nèi)燃機(jī)的分類：活塞式內(nèi)燃機(jī)的分類：使用燃料使用燃料煤氣機(jī)煤氣機(jī)汽油機(jī)汽油機(jī)柴油機(jī)柴油機(jī)點(diǎn)火方式點(diǎn)火方式點(diǎn)燃式點(diǎn)燃式壓燃式壓燃式（煤氣機(jī)、汽油機(jī)）（煤氣機(jī)、汽油機(jī)）（柴油機(jī)）（柴油機(jī)）沖程沖程四沖程四沖程二沖程二沖程(進(jìn)氣進(jìn)氣,壓縮壓縮,燃燒膨脹燃燒膨脹,排氣排氣)(進(jìn)氣進(jìn)氣-壓縮壓縮-燃燒膨脹燃燒膨脹,排氣排氣)熱能工程教研室熱能工程教研室四沖程柴油機(jī)的

11、工作過程四沖程柴油機(jī)的工作過程四沖程柴油機(jī)四沖程柴油機(jī):0-1: 吸氣過程吸氣過程1-2: 非絕熱壓縮非絕熱壓縮2: 噴油噴油2-3: 定容燃燒定容燃燒3-4: 定壓燃燒定壓燃燒4-5: 非絕熱膨脹非絕熱膨脹5-1: 定容排氣定容排氣52243大氣線大氣線00Vp11熱能工程教研室四沖程柴油機(jī)的工作過程的簡化四沖程柴油機(jī)的工作過程的簡化1） 定容和定壓燃燒定容和定壓燃燒定容和定壓吸熱定容和定壓吸熱2） 標(biāo)準(zhǔn)空氣假定，且取定值比熱容標(biāo)準(zhǔn)空氣假定，且取定值比熱容定容排氣定容排氣定容放熱定容放熱3） 忽略內(nèi)不可逆因素：摩擦，節(jié)流，。忽略內(nèi)不可逆因素：摩擦，節(jié)流，。開口系開口系閉口系閉口系4） 忽略膨

12、脹和壓縮過程中氣體與氣缸壁面忽略膨脹和壓縮過程中氣體與氣缸壁面的熱交換的熱交換可逆絕熱過程可逆絕熱過程熱能工程教研室定壓燃燒柴油機(jī)定壓燃燒柴油機(jī)例如：高增壓柴油機(jī)，船用柴油機(jī)例如：高增壓柴油機(jī)，船用柴油機(jī)大氣線00Vp1234只有等壓燃燒，只有等壓燃燒，沒有定容燃燒沒有定容燃燒過程可作類似的過程可作類似的簡化簡化熱能工程教研室定容燃燒汽油機(jī)、煤油機(jī)定容燃燒汽油機(jī)、煤油機(jī) 燃燒過程在接近燃燒過程在接近定容的過程下完成定容的過程下完成32041”1大氣線pV0 沒有一邊燃燒一邊沒有一邊燃燒一邊膨脹的定壓過程膨脹的定壓過程例如煤氣機(jī)、汽油機(jī)例如煤氣機(jī)、汽油機(jī)熱能工程教研室活塞式柴油機(jī)的性能評估活塞式

13、柴油機(jī)的性能評估平均有效壓力平均有效壓力MEP（Mean effective pressure）沖程活塞面積循環(huán)靜功活塞排量循環(huán)靜功MEP兩個(gè)相同尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較時(shí)，兩個(gè)相同尺寸的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較時(shí)，MEPMEP較大的機(jī)器的靜輸出功較大較大的機(jī)器的靜輸出功較大熱能工程教研室10-3 10-3 活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)混合加熱理想循環(huán)的混合加熱理想循環(huán)的 p- 圖和圖和 Ts 圖圖一、混和加熱理想循環(huán)一、混和加熱理想循環(huán)pv023451大多數(shù)柴油機(jī)的理想循環(huán)大多數(shù)柴油機(jī)的理想循環(huán)- -薩巴德循環(huán)薩巴德循環(huán)Ts0234515Vp熱能工程教研室一、混和加熱理想循環(huán)一、混和加熱理

14、想循環(huán)特征參數(shù)：特征參數(shù)：絕熱壓縮比：絕熱壓縮比：21vv定容增壓比：定容增壓比：23pp定壓預(yù)脹比：定壓預(yù)脹比：34vvpv023451熱能工程教研室熱效率：熱效率：吸熱：吸熱：342343321TTcTTcqqqpV放熱：放熱：15152TTcqqV循環(huán)熱效率：循環(huán)熱效率：3423151211TTkTTTTqqt表示成循環(huán)特性參數(shù)的形式：表示成循環(huán)特性參數(shù)的形式：)1() 1(111kkkt一、混和加熱理想循環(huán)一、混和加熱理想循環(huán)Ts23451熱能工程教研室)1() 1(111kkkt 1）混合加熱循環(huán)的熱效率隨）混合加熱循環(huán)的熱效率隨壓縮比壓縮比 和和定容增壓比定容增壓比 的增加而提高。

15、的增加而提高。循環(huán)平均吸熱溫度提高但循環(huán)平均放熱溫度不變循環(huán)平均吸熱溫度提高但循環(huán)平均放熱溫度不變 2）混合加熱循環(huán)的熱效率隨）混合加熱循環(huán)的熱效率隨定壓預(yù)脹定壓預(yù)脹比比 的增加而降低。的增加而降低。循環(huán)平均吸熱溫度提高但循環(huán)平均放熱溫度升高循環(huán)平均吸熱溫度提高但循環(huán)平均放熱溫度升高得更多：定容線比定壓線陡得更多：定容線比定壓線陡一、混和加熱理想循環(huán)一、混和加熱理想循環(huán)熱能工程教研室T02341s二、定壓加熱理想循環(huán)二、定壓加熱理想循環(huán)又稱狄塞爾又稱狄塞爾（Diesel）循環(huán)循環(huán)可以看成是混合加熱理想循環(huán)的特例，可以看成是混合加熱理想循環(huán)的特例， = 1p02341例如高增壓柴油機(jī)及船用發(fā)動(dòng)機(jī)

16、例如高增壓柴油機(jī)及船用發(fā)動(dòng)機(jī)熱能工程教研室定壓加熱理想循環(huán)的熱效率定壓加熱理想循環(huán)的熱效率: :)(11231412TTkTTqqt表示成循環(huán)特性參數(shù)的形式：表示成循環(huán)特性參數(shù)的形式：)1(111kkkt101214160.7tk1.355 . 21 . 25 . 1 t1) 絕熱指數(shù)絕熱指數(shù)k一定時(shí)：一定時(shí)： tT2) 絕熱指數(shù)絕熱指數(shù)k的影響：的影響：k t二、定壓加熱理想循環(huán)二、定壓加熱理想循環(huán)熱能工程教研室三、定容加熱理想循環(huán)三、定容加熱理想循環(huán)又稱奧托循環(huán)（煤氣機(jī)、汽油機(jī)）又稱奧托循環(huán)（煤氣機(jī)、汽油機(jī)）可以看成是混合加熱理想循環(huán)的特例，可以看成是混合加熱理想循環(huán)

17、的特例， = 1T02341sp02341熱能工程教研室定容加熱理想循環(huán)的熱效率定容加熱理想循環(huán)的熱效率: :23141211TTTTqqt表示成循環(huán)特性參數(shù)的形式：表示成循環(huán)特性參數(shù)的形式：111kt0sT22144T3331mTmT12mTmT2 t同溫限下，平均吸同溫限下，平均吸熱溫度提高，平均熱溫度提高，平均降熱溫度降低降熱溫度降低三、定容加熱理想循環(huán)三、定容加熱理想循環(huán)熱能工程教研室定容加熱理想循環(huán)的定容加熱理想循環(huán)的 t k 關(guān)系曲線關(guān)系曲線10.123456789 100tk1.41.35k1.3k1.25k1.2Tk三、定容加熱理想循環(huán)三、定

18、容加熱理想循環(huán)熱能工程教研室Increasing Compression RatioIncreases the EfficiencyTypical Compression Ratios for Gasoline Engines熱能工程教研室k=1.4熱能工程教研室三、定容加熱理想循環(huán)三、定容加熱理想循環(huán)111ktq1增大，增大，壓縮比壓縮比 不變，不變，循環(huán)效率不變。循環(huán)效率不變。循環(huán)凈功增大，循環(huán)凈功增大，輸出功率增大。輸出功率增大。Ts1233441mT2mTmT1mT2netw實(shí)際上，實(shí)際上，T升高，升高，k減小，減小， t減小。減小。熱能工程教研室活塞式內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用活塞式內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用1

19、）增大壓縮比能提高循環(huán)效率）增大壓縮比能提高循環(huán)效率混合加熱（一般柴油機(jī)）、定壓加熱混合加熱（一般柴油機(jī)）、定壓加熱（DieselDiesel）、定容加熱（煤氣機(jī)）、定容加熱（煤氣機(jī)/ /汽油機(jī)）汽油機(jī)）2）壓縮比的限制）壓縮比的限制汽油機(jī)，受預(yù)混燃料空氣混合物爆燃條汽油機(jī)，受預(yù)混燃料空氣混合物爆燃條件的限制。采用件的限制。采用512512級壓縮：輕型機(jī)械級壓縮：輕型機(jī)械柴油機(jī)，不受空氣壓縮的限制。采用柴油機(jī)，不受空氣壓縮的限制。采用14201420級壓縮：重型機(jī)械級壓縮：重型機(jī)械熱能工程教研室10-4 10-4 活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較比較的前

20、提：比較的前提：1）初態(tài)相同）初態(tài)相同2 2）吸熱量、壓縮比、最高溫度及最）吸熱量、壓縮比、最高溫度及最高壓力相同高壓力相同利用利用T Ts s圖進(jìn)行比較最為簡便圖進(jìn)行比較最為簡便熱能工程教研室一、壓縮比相同、吸熱量相同時(shí)的比較一、壓縮比相同、吸熱量相同時(shí)的比較T0s554443332215mVT,2mmT,2mpT,2mpT,1mmT,1mVT,112341：定容吸熱：定容吸熱122341： 混合吸熱混合吸熱12341： 定壓吸熱定壓吸熱t(yī)ptmtV吸熱量相同，吸熱量相同，放熱量不同放熱量不同熱能工程教研室The efficiency of the Otto cycle is always

21、higher than the Diesel cycleqWhy use the Diesel cycle?qBecause you can use higher compression ratios熱能工程教研室二、循環(huán)最高壓力和最高溫度相同時(shí)的比較二、循環(huán)最高壓力和最高溫度相同時(shí)的比較12341：定容吸熱：定容吸熱123 341：混合吸熱：混合吸熱12 341：定壓吸熱：定壓吸熱放熱量相同，放熱量相同，吸熱量不同吸熱量不同tVtmtp0Ts654332221mT2mVT,1mmT,1mpT,1maxTminTmaxpminp熱能工程教研室10-5 10-5 燃汽輪機(jī)裝置循環(huán)燃汽輪機(jī)裝置循環(huán)

22、工質(zhì)：工質(zhì)：燃?xì)馊細(xì)?空氣空氣部件：部件：壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)、燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)工作流程：燃?xì)廨啓C(jī)工作流程：3壓氣機(jī)壓氣機(jī)燃燒室燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)124循環(huán)是開式的、循環(huán)是開式的、不可逆的不可逆的特點(diǎn)：特點(diǎn)：小尺寸、大功率、連續(xù)作功小尺寸、大功率、連續(xù)作功熱能工程教研室Closed cycle model for a gas turbine engine1-2 Isentropic Compression2-3 Constant Pressure heat addition3-4 Isentropic Expansion4-1 Constant Pressure heat

23、 rejection熱能工程教研室燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)- -布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán)T02341s應(yīng)用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)或應(yīng)用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)或稱稱布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán)可以簡化為如下循環(huán)可以簡化為如下循環(huán)p02341熱能工程教研室熱效率：熱效率：211tqq 定義：定義：12pp循環(huán)最低壓力循環(huán)最高壓力循環(huán)增壓比13TT循環(huán)最低溫度循環(huán)最高溫度循環(huán)增溫比熱效率：熱效率：kktTT121111定壓加熱理想循環(huán)的熱效率取決于壓氣機(jī)中絕熱壓定壓加熱理想循環(huán)的熱效率取決于壓氣機(jī)中絕熱壓縮的初態(tài)溫度和終態(tài)溫度，或說取決于壓縮比縮的初態(tài)溫度和終態(tài)溫度，或說取決于壓縮比燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)-布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán)41321hhhh 熱能工程教研室比循環(huán)功：比循環(huán)功： 1 1111243kkkkpcompressorturbinenetTchhhhwww增溫比增溫比 一定的條件下的一定的條件下的 最大比循環(huán)功最大比循環(huán)功21max,12max1Tcwpnetkk1Tcwpnet0101.0 = 2345材料熱強(qiáng)度許可范材料熱強(qiáng)度許可范圍內(nèi)盡可能提高圍內(nèi)盡可能提高T3燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理想循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱理