熱工基礎(chǔ)第八章

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)第八章 熱力循環(huán)1、學(xué)習(xí)目標(biāo)熟悉幾種典型熱工設(shè)備（或裝置）的基本構(gòu)成和工作原理；掌握將實(shí)際循環(huán)抽象簡化為理想循環(huán)的一般方法；能夠熟練分析計(jì)算各種循環(huán)；了解內(nèi)燃機(jī)循環(huán)各種特性參數(shù)及其對熱效率的影響，掌握提高各種循環(huán)能量利用經(jīng)濟(jì)性的方法和途徑。2、學(xué)習(xí)建議（1）學(xué)習(xí)時間： 4-6小時（2）學(xué)習(xí)方法A仔細(xì)閱讀教材第八章B點(diǎn)播學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)課程第八章C完成習(xí)題3、學(xué)習(xí)重難點(diǎn)A掌握活塞式壓氣機(jī)的工作原理、不同壓縮過程（定溫、多變、定熵）的特點(diǎn)；了解余隙容積、壓力比對活塞式壓氣機(jī)容積效率

2、的影響；了解多級壓縮、級間冷卻的工作情況；掌握壓氣機(jī)的耗功計(jì)算及壓氣機(jī)的省功方法和途徑。B掌握活塞式內(nèi)燃機(jī)的工作原理；了解實(shí)際循環(huán)抽象為理想循環(huán)的簡化條件；掌握定容加熱、定壓加熱、混合加熱理想循環(huán)的p-v圖和T-s圖，并能對各種循環(huán)的吸熱量、放熱量、循環(huán)功、熱效率進(jìn)行分析計(jì)算；了解循環(huán)特性參數(shù)及其對熱效率的影響。C掌握蒸氣壓縮制冷循環(huán)的工作原理及理論循環(huán)的T-s圖和lg p-h圖；掌握利用制冷劑的lg p-h圖計(jì)算制冷量q2、耗功量w0、制冷系數(shù)的方法；了解提高制冷系數(shù)的方法。第一節(jié) 壓氣機(jī)循環(huán)使氣體升壓的設(shè)備稱為壓氣機(jī)。壓氣機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，如鍋爐通風(fēng)、物料傳送、增壓柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、制冷工

3、程中制冷劑氣體的壓縮等，都要用到壓氣機(jī)，生活中使用的電風(fēng)扇也是一種壓氣機(jī)。壓氣機(jī)按其產(chǎn)生壓縮氣體的壓力范圍，可分為通風(fēng)機(jī)（400kPa）；按其結(jié)構(gòu)及工作原理分，主要可分為活塞式和葉輪式（葉輪式又可分為離心式和軸流式）兩大類。壓氣機(jī)是耗功設(shè)備，研究壓氣機(jī)的主要目的是分析其耗功，從而尋求省功的方法和途徑。雖然活塞式壓氣機(jī)與葉輪式的結(jié)構(gòu)和工作原理不同，但其基本的熱力學(xué)原理都一樣。本節(jié)重點(diǎn)以活塞式壓氣機(jī)為例，介紹壓氣機(jī)的一般工作原理及分析計(jì)算。一、單級活塞式壓氣機(jī)的工作原理如果忽略活塞與氣缸蓋之間的間隙，并假定壓氣機(jī)的工作過程為可逆過程，活塞式壓氣機(jī)的理想工作過程由以下3個過程組成：1. 吸氣過程當(dāng)如

4、圖8.1（a）所示活塞由上止點(diǎn)向右移動時，進(jìn)氣閥A開啟，排氣閥B關(guān)閉，壓力為p1的氣體被吸入氣缸。活塞到達(dá)下止點(diǎn)時，吸氣過程結(jié)束。在圖8.1（b）中為41過程。2. 壓縮過程吸氣過程結(jié)束后，活塞由下止點(diǎn)向左移動，此時進(jìn)、排氣閥均關(guān)閉，缸內(nèi)氣體被壓縮，壓力升高。當(dāng)達(dá)到預(yù)期狀態(tài)p2時，壓縮過程結(jié)束。在圖8.1（b）中為12過程。3. 排氣過程缸內(nèi)氣體被壓縮到預(yù)期壓力p2后，排氣閥打開，活塞繼續(xù)左移，缸內(nèi)壓力為p2的氣體排出氣缸?；钊竭_(dá)上止點(diǎn)時，排氣過程結(jié)束。在圖8.1（b）中為23過程。 （a）工作原理示意圖 （b）理想工作過程p圖（圖中原點(diǎn)0，橫坐標(biāo)）圖8. 單級活塞式壓氣機(jī)的工作原理示意圖與

5、理想工作過程p-V圖二、壓氣機(jī)的耗功在上述過程中，只有壓縮過程使氣體的狀態(tài)發(fā)生了變化，是熱力過程。進(jìn)氣和排氣過程都不是熱力過程，只是氣體的遷移過程，缸內(nèi)氣體的數(shù)量發(fā)生變化，但熱力狀態(tài)不變。所以圖8.1（b）為p-V圖。吸氣過程中氣缸吸入壓力為p1的氣體，氣體的質(zhì)量qm和容積V不斷增加，而氣體的狀態(tài)( p1 , v)不變，相當(dāng)于氣體定壓膨脹，該過程中系統(tǒng)作正功p1V1；壓縮過程中進(jìn)、排氣閥均關(guān)閉，氣體的量不變，而氣體的壓力不斷增加，該過程中外界對系統(tǒng)作壓縮功（負(fù)功），壓縮過程的耗功是容積功，在圖8.1（b）中為1-2過程線以下的面積，即： （8.1）排氣過程中氣體的質(zhì)量qm和容積V不斷減少，但氣

6、體的狀態(tài)( p2 , v2)不變，相當(dāng)于氣體被定壓壓縮，因此該過程系統(tǒng)作負(fù)功p2V2。壓氣機(jī)所消耗的功為上述三項(xiàng)功的代數(shù)和。由圖8.1（b）知，壓氣機(jī)耗功為負(fù)的技術(shù)功，在圖8.1（b）中為1-2過程線以左的面積，即 （8.2）壓縮1kg氣體，壓氣機(jī)的耗功為 （8.3）注意：壓縮過程的耗功與壓氣機(jī)的耗功概念不同。三、活塞式壓氣機(jī)三種壓縮過程的比較在活塞式壓氣機(jī)中，壓氣機(jī)的進(jìn)、排氣過程是周期性間歇的，但由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速較高，間歇時間很短，且工質(zhì)流量一定，可近似認(rèn)為進(jìn)、排氣過程連續(xù)穩(wěn)定。所以，活塞式壓氣機(jī)可視為穩(wěn)定流動系統(tǒng)，壓氣機(jī)的簡化模型為：穩(wěn)流、可逆。根據(jù)活塞式壓氣機(jī)的不同工作條件，可能存在三種壓

7、縮過程：一種是沒有冷卻措施，而且過程進(jìn)行得很快，壓縮過程中由機(jī)械能轉(zhuǎn)變的熱能來不及向外釋放，即過程可近似看作絕熱過程（因過程可逆即為定熵過程）；另一種是冷卻足夠充分，壓縮過程中機(jī)械能轉(zhuǎn)變的熱能可及時散掉，氣體溫度保持不變，即定溫過程；第三種是有冷卻措施，但不足以使氣體溫度保持不變，即在壓縮過程中既有散熱量，也有溫升，正好介于定熵過程和定溫過程之間，為多變過程，因此，該多變指數(shù)的范圍為1n。實(shí)際上，多變過程更接近實(shí)際情況。因?yàn)閴嚎s過程相當(dāng)于閉口系，比容、比熵等狀態(tài)參數(shù)都發(fā)生變化，因此在只分析壓縮過程時，可用p-v圖和T-s圖。將上述三種壓縮過程表示在p-v圖和T-s圖上，如圖8.2所示。其中12

8、s表示定熵壓縮；12n表示多變壓縮；12T表示定溫壓縮。（a）p-v圖 （b）T-s圖圖8.2 壓氣機(jī)壓縮過程的p-v圖與T-s圖由上面p-v圖和T-s圖可看出，定溫壓縮耗功最?。粔嚎s終了的溫度最低，有利于潤滑；而且壓縮終了的體積最小，所需存貯氣體的容積最小。所以，定溫壓縮是最理想的壓縮過程。多變壓縮次之，定熵壓縮最不利。實(shí)際使用時應(yīng)采用良好的冷卻措施，如在氣缸上加冷卻水套、噴霧化水等措施，使過程盡量接近定溫過程。不同壓縮過程初、終狀態(tài)參數(shù)及耗功量可利用表 3.2 中相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算。四、活塞式壓氣機(jī)的容積效率實(shí)際的活塞式壓氣機(jī)，為避免活塞與缸蓋相撞，以及便于安裝進(jìn)、排氣閥，當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)

9、時，活塞頂面與缸蓋之間必須留有間隙，該間隙容積稱為余隙容積。如圖8.3所示，由于余隙容積Vc的存在，排氣過程結(jié)束后仍有一部分高壓氣體留在余隙容積中，在壓氣機(jī)的下一個吸氣過程開始時，殘余氣體膨脹，只有當(dāng)殘余氣體膨脹到進(jìn)氣壓力時，才能從外界進(jìn)入新氣。這樣，真正的進(jìn)氣行程縮短，當(dāng)然每循環(huán)吸入的氣體量（產(chǎn)氣量）也就隨之減少，氣缸的容積利用率降低。 圖8.3 活塞式壓氣機(jī)的工作循環(huán)圖將氣缸實(shí)際的進(jìn)氣容積（有效吸氣容積）與活塞排量之比稱為容積效率V，即 （8.4）由式（8.4）知，余隙容積Vc（即V3）越大，增壓比p2/ p1越大，容積效率越低。余隙容積的不利影響隨p2/ p1的增大而增加。當(dāng)p2/ p1

10、達(dá)到一定值時，容積效率為零，產(chǎn)氣量為零。因此設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量減小余隙容積，并且注意單級增壓比不宜過高。當(dāng)需要的增壓比較高時，應(yīng)采用多級壓縮。因?yàn)闅堄鄽怏w膨脹做的正功與壓縮時消耗的負(fù)功在理論上相等，所以余隙容積對生產(chǎn)1 kg壓縮氣體的理論耗功量沒有影響，但實(shí)際耗功量增加。工程上也常用余隙比C=Vc/Vh表示氣缸容積的利用率，通常C控制在0.030.08范圍內(nèi)。五、多級壓縮及級間冷卻多級壓縮是把氣體的壓縮過程分為多個階段，分別在多個氣缸中依次壓縮，每兩個氣缸之間有級間冷卻器將氣體冷卻至初溫，這樣，在總增壓比較高時，每級的增壓比不致太高，從而保證容積效率不致太低。兩級或兩級以上稱為多級。圖8.4為兩級壓

11、縮、級間冷卻過程的p-v圖和T-s圖，圖中1-2過程為第一級多變壓縮過程，2-3為級間定壓冷卻過程，3點(diǎn)的溫度與初始進(jìn)氣溫度相同，3-4為第二級多變壓縮過程。如果是單級壓縮，其壓縮過程為1-2-4過程。由圖8.4看出，壓縮終態(tài)壓力相同時，兩級壓縮、級間冷卻的耗功量比單級壓縮小，所節(jié)省的功量等于面積2-3-4-4-2。而且兩級壓縮、級間冷卻的終溫也比單級壓縮低?？梢钥闯?，在總增壓比一定的條件下，級數(shù)分得越多，理論耗功量越小。當(dāng)分級為無限多時，壓縮過程就無限接近于等溫過程，理論耗功量最小。但實(shí)際情況分級不宜太多，否則系統(tǒng)過于復(fù)雜，造價高，運(yùn)行可靠性也降低。通常工程上一般采用24級。多級壓縮的耗功量

12、為各級壓縮耗功量的總和。由圖8.4也可看出，總耗功量的大小與中間壓力的選取有關(guān)，所以，以總耗功量最小為原則，得到兩級壓縮的最佳中間壓力為 （8.5a）或 （8.5b）由上式知，總耗功量最小時，每級壓力比相同。該結(jié)論可推廣到任意級壓縮過程，如為級壓縮，則最佳壓力比為 （8.6）式中，pZ+1為壓縮終壓，p1為壓縮初壓。圖8.4 兩級壓縮、級間冷卻過程的p-v圖和T-s圖選擇最佳壓力比還有以下好處：各級壓縮功耗相同，其動力選配具有通用性和互換性；各級壓縮的溫升相同，各級間冷卻熱負(fù)荷相同，即各級間冷卻器的換熱量相同；（3）各級氣缸排溫相同，多級壓縮的終溫低（終溫等于第一級壓縮過程的排溫，壓氣機(jī)終溫一

13、般規(guī)定不得超過160180，否則會引起潤滑油變質(zhì)，影響潤滑效果，甚至引起自燃、爆炸等嚴(yán)重后果)。因此，當(dāng)要求的增壓比較高時，采用多級壓縮、級間冷卻不僅能提高容積效率，而且在選擇最佳壓力比的條件下，還有上述好處，這對于壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都是有利的。例8.1 一單缸活塞式壓氣機(jī)的氣缸直徑D100mm，活塞行程h125mm，余隙比C=0.05，從大氣中吸入p10.1MPa，t120C的空氣，經(jīng)過n1.25的多變壓縮過程壓縮至p20.4MPa。若機(jī)軸轉(zhuǎn)速N=600r/min。試計(jì)算（1）壓氣機(jī)的容積效率及氣缸的有效容積；（2）每分鐘的產(chǎn)氣量；（3）壓氣機(jī)的理論耗功率。解 （1）由公式（8.4）求得壓氣

14、機(jī)的容積效率為氣缸的有效容積為 （2）每分鐘的產(chǎn)氣量（轉(zhuǎn)速每循環(huán)吸入的空氣質(zhì)量）（3）由教材表3.2中公式求得壓縮1kg空氣所消耗的理論功為壓氣機(jī)耗功為負(fù)的技術(shù)功，即 壓氣機(jī)的理論耗功率為例8.2 實(shí)驗(yàn)室每小時需要2t壓力為6.4MPa的壓縮氮?dú)?，設(shè)進(jìn)氣壓力p1=0.1MPa，溫度t1=27C，壓縮過程的多變指數(shù)n=1.2，若余隙比C=0.05，且要求容積效率不小于75%。求：（1）確定壓氣機(jī)的級數(shù)及最佳壓力比；（2）壓縮終了的排氣溫度；（3）若每小時生產(chǎn)1000kg氮?dú)?，求壓氣機(jī)的理論耗功率；（4）級間冷卻器每秒鐘的散熱量取氮?dú)獾腸p=1.04 kJ/(kgK)。解（1）因所需的總壓力比較大

15、，因此應(yīng)采用多級壓縮、級間冷卻，先假設(shè)采用2級壓縮，其最佳壓力比為對應(yīng)的容積效率為采用2級壓縮滿足要求，最佳壓力比為8。（2）由于多級壓縮、級間冷卻每級壓縮的排溫相同，方便起見，由教材表3.2中多變過程不同狀態(tài)間狀態(tài)參數(shù)的關(guān)系式，求得第一級的壓縮排溫即為壓縮終了的排氣溫度，即（3）由于最佳壓力比條件下，多級壓縮每級的耗功量相同，因此，壓縮1kg氮?dú)?，壓氣機(jī)的耗功量為單級耗功量級數(shù)，即壓氣機(jī)的理論耗功率為 （4）級間冷卻器每秒鐘的散熱量為第二節(jié) 活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)內(nèi)燃機(jī)是一種將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的動力機(jī)械。由于燃料燃燒產(chǎn)生熱能及熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程都是在氣缸內(nèi)進(jìn)行的，故稱為內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)

16、燃機(jī)作為移動式和固定式動力裝置，結(jié)構(gòu)較緊湊，被廣泛用作車輛、船舶、飛機(jī)和各種工程機(jī)械的動力，以及發(fā)電機(jī)組等。一、內(nèi)燃機(jī)的分類內(nèi)燃機(jī)的形式和分類方式很多，按燃料分，有柴油機(jī)(壓燃式)、汽油機(jī)(點(diǎn)燃式) 和煤氣機(jī)(點(diǎn)燃式，現(xiàn)很少用)；按完成一個工作循環(huán)的沖程數(shù)分，可分為四沖程和兩沖程（較少用）；按進(jìn)氣壓力分，又可分為增壓和非增壓；按活塞運(yùn)動特征分，又有往復(fù)活塞式和旋轉(zhuǎn)活塞式；按氣缸布置形式分，又有立式、臥式、V型、H型、星型等形式。二、活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的工作過程和理想循環(huán)1. 實(shí)際循環(huán)的工作過程下面以四沖程混合加熱柴油機(jī)為例，詳細(xì)介紹其實(shí)際循環(huán)的工作過程。圖8.5為四沖程柴油機(jī)實(shí)際工作循環(huán)的p

17、-V圖。圖中01為吸氣過程，該過程中進(jìn)氣門開啟，排氣門關(guān)閉，活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動，由于氣門的節(jié)流作用，氣缸內(nèi)的氣體壓力稍低于大氣壓。12為多變壓縮過程，進(jìn)、排氣門全部關(guān)閉，活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動，氣體被壓縮，由于在缸壁和缸套間有冷卻水循環(huán)，所以實(shí)際壓縮過程是一個不可逆的散熱過程。在活塞到達(dá)2點(diǎn)前的2點(diǎn)，高壓油泵開始向缸內(nèi)噴入柴油，之后在2點(diǎn)開始燃燒。22稱為“著火落后期”，此階段為柴油燃燒前的物理化學(xué)準(zhǔn)備階段。對缸內(nèi)氣體而言，仍屬于壓縮圖8.5 四沖程柴油機(jī)實(shí)際工作循環(huán)的p-V圖過程。柴油機(jī)的燃燒特點(diǎn)是邊噴油邊燃燒，所以234為噴油燃燒過程。由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，曲軸轉(zhuǎn)速一定時，在上、

18、下止點(diǎn)附近活塞的位移較小，所以23接近定容燃燒。在上止點(diǎn)之后，雖然缸內(nèi)仍在繼續(xù)噴油燃燒，但隨著活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)移動，氣缸容積開始明顯增大，缸內(nèi)壓力已不象23過程那樣繼續(xù)升高，因此34接近定壓燃燒。4點(diǎn)燃燒結(jié)束。45為多變膨脹做功過程，該過程也是一個不可逆的散熱過程。在活塞到達(dá)下止點(diǎn)前的5點(diǎn)，排氣閥打開，這樣可以先排出一部分廢氣，為下一階段的強(qiáng)制排氣減小阻力。由于此時膨脹做功過程已接近尾聲，所以對膨脹功幾乎無影響。同樣下止點(diǎn)附近氣缸容積變化較小，故 51可看作定容自由排氣過程，10則為強(qiáng)制排氣過程，排氣閥開啟，活塞從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)移動，排出廢氣，強(qiáng)制排氣過程中氣缸內(nèi)的氣體壓力稍高于大氣壓力。

19、至此柴油機(jī)完成一個工作循環(huán)。汽油機(jī)與混合加熱柴油機(jī)的的工作循環(huán)主要不同之處有以下2點(diǎn)：（1）因所用燃料性質(zhì)不同，因此其燃燒過程的特點(diǎn)不同，柴油自燃溫度較低（約335左右），壓縮后能自行點(diǎn)火燃燒；汽油自燃溫度較高（約415530），必須點(diǎn)火才能保證每循環(huán)可靠燃燒。所以柴油機(jī)是壓燃式，汽油機(jī)是點(diǎn)燃式。（2）柴油機(jī)的燃燒特點(diǎn)是邊噴油邊燃燒，燃燒持續(xù)時間較長，所以其燃燒過程近似為定容燃燒和定壓燃燒兩個階段；而汽油機(jī)是汽油與空氣先在汽化器中混合，然后在壓縮過程結(jié)束后，活塞接近上止點(diǎn)時一次性全部進(jìn)入氣缸并點(diǎn)火燃燒，燃燒過程非常迅速，因此其燃燒過程近似為定容燃燒。定容加熱的理想循環(huán)稱為奧托（Otto）循環(huán)。

20、煤氣機(jī)與汽油機(jī)的燃燒特點(diǎn)相同。有些柴油機(jī)，其燃燒過程為定壓加熱過程。2. 活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)圖由于一切實(shí)際過程都是不可逆的，而且實(shí)際內(nèi)燃機(jī)有進(jìn)、排氣過程，所以實(shí)際循環(huán)為開式的不可逆循環(huán)，進(jìn)排氣過程總體是耗功過程。此外，由于噴油燃燒過程，循環(huán)中工質(zhì)的質(zhì)量、成分也在變化。但為了便于對循環(huán)進(jìn)行理論分析，必須忽略一些次要因素，對實(shí)際循環(huán)進(jìn)行合理地抽象和簡化。具體簡化方法如下：1）由于進(jìn)、排氣過程的耗功量相對較小，故不考慮進(jìn)、排氣過程，將系統(tǒng)取作閉口系，即將開式循環(huán)抽象為閉式循環(huán)；2）把循環(huán)工質(zhì)簡化為定比熱、理想氣體空氣；3）把燃料燃燒的加熱過程簡化為空氣的可逆吸熱過程，把排氣過程簡化為空氣的可逆放

21、熱過程，認(rèn)為工質(zhì)無化學(xué)變化；4）壓縮、膨脹過程簡化為可逆絕熱(定熵)過程。通過上述簡化，實(shí)際的開式不可逆循環(huán)被抽象簡化為閉式的理想循環(huán)圖，又稱空氣標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)。這種抽象簡化方法同樣適用于其他以氣體為工質(zhì)的熱機(jī)循環(huán)。幾種內(nèi)燃機(jī)典型循環(huán)的理想循環(huán)圖如圖8.6所示。 （a）混合加熱 （b） 定容加熱（otto cycle） （c）定壓加熱（diesel cycle）圖8.6 幾種內(nèi)燃機(jī)典型循環(huán)的理想循環(huán)圖（圖中p小寫、斜體；T斜體）上圖（a）為四沖程混合加熱柴油機(jī)循環(huán)，現(xiàn)代柴油機(jī)應(yīng)用較多。其中12為定熵壓縮過程；23為定容加熱過程；34為定壓加熱過程；45為定熵膨脹過程；51為定容放熱過程。圖（b）為四

22、沖程汽油機(jī)循環(huán)，與圖（a）相比，只是沒有定壓加熱過程，其余過程相同。圖（c）為早期柴油機(jī)循環(huán)，近年來，有些高增壓柴油機(jī)及船用高速柴油機(jī)，噴油較晚，其燃燒過程也近似為定壓加熱過程，該循環(huán)沒有定容加熱過程，其余過程與圖（a）相同。3. 循環(huán)特性參數(shù)循環(huán)特性參數(shù)有：壓縮比 =v1 /v2，反映工質(zhì)在燃燒前被壓縮的程度；定容升壓比=p3 /p2，表示定容加熱過程中壓力升高的程度；定壓預(yù)脹比= v4 /v3，表示定壓加熱過程中容積增大的程度。這些參數(shù)反映了循環(huán)的主要特征。柴油機(jī)的燃燒特點(diǎn)是邊噴油邊燃燒，定容升壓比較小，因此，其壓縮比可以設(shè)計(jì)得較大些。反之，汽油機(jī)定容升壓比較大，因此，其壓縮比較小，否則機(jī)

23、械負(fù)荷太高。通常柴油機(jī)的壓縮比在1420的范圍內(nèi)，汽油機(jī)的壓縮比在712的范圍內(nèi)。三、 循環(huán)的功、熱和熱效率動力循環(huán)的分析計(jì)算主要包括循環(huán)中工質(zhì)的吸熱量、放熱量、循環(huán)凈功和熱效率，目的是找到提高熱效率的方法或途徑，提高熱機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。1、循環(huán)的功、熱和熱效率的計(jì)算下面仍以四沖程混合加熱柴油機(jī)為例進(jìn)行分析。循環(huán)中1kg工質(zhì)從高溫?zé)嵩吹奈鼰崃縬1為 （8.7）向低溫?zé)嵩吹姆艧崃縬2為 （8.8）循環(huán)的凈功量為 （8.9）循環(huán)熱效率為 （8.10）對定容加熱和定壓加熱循環(huán)，公式（8.7）（8.10）同樣適用，只是定容加熱循環(huán)沒有定壓加熱量，定壓加熱循環(huán)沒有定容加熱量。由以上式（8.7）（8.10）知，

24、求出理想循環(huán)圖各點(diǎn)的溫度后，活塞式內(nèi)燃機(jī)的吸熱量、放熱量、循環(huán)凈功和熱效率便很容易計(jì)算。2、熱效率與循環(huán)特性參數(shù)之間的關(guān)系為了探究熱效率與循環(huán)特性參數(shù)之間的關(guān)系，把循環(huán)熱效率表示為循環(huán)特性參數(shù)的函數(shù)。對混合加熱循環(huán)，12為定熵過程，所以有23為定容過程, 有34為定壓過程, 有又由于12和45過程均為定熵過程，有 兩式相除，并注意到v1=v5、 v2=v3、 p3=p4，可推得51為定容過程，所以將以上各特征點(diǎn)的溫度值代入式（8.10）可得 （8.11）由式（8.11）知，混合加熱循環(huán)的熱效率隨壓縮比和定容升壓比的增大而提高，隨定壓預(yù)脹比的增大而降低。這是由于和增大，循環(huán)的平均吸熱溫度提高，而

25、平均放熱溫度不變；而增大使和都增大，但吸熱為定壓過程，放熱為定容過程，定容線比定壓線陡，所以增大使增大的量小于增大的量，總體上相當(dāng)于提高了，所以熱效率降低。用類似的方法，可推得定容加熱循環(huán)熱效率與循環(huán)特性參數(shù)之間的關(guān)系式為 （8.12）定壓加熱循環(huán)熱效率與循環(huán)特性參數(shù)之間的關(guān)系式為 （8.13）式（8.12）和（8.13）也可看作是式（8.11）取=1（定容加熱）和=1（定壓加熱）時的特例。綜上可知，對不同的活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)，循環(huán)特性參數(shù)對熱效率的影響相同，即和增大，減小，熱效率提高。從而指出了提高循環(huán)熱效率的途徑。例8.3 某內(nèi)燃機(jī)混合加熱循環(huán)，壓縮始點(diǎn)工質(zhì)的溫度t1 =40，壓縮比=15，

26、t4 =1600，=1.8，工質(zhì)視為空氣，取空氣的定壓比熱cp=1.005 kJ/（kgK），=1.4，求循環(huán)中1kg工質(zhì)的吸熱量、放熱量、循環(huán)功及熱效率。解 本題的關(guān)鍵是求出混合加熱循環(huán)各點(diǎn)的溫度，本題需求t2、 t3、和 t5。由前面推出的公式，有34為定壓過程，有由 循環(huán)中1kg工質(zhì)的吸熱量放熱量循環(huán)功 熱效率例8.4 某四沖程定容加熱汽油機(jī)，壓縮比=8.6，p1=0.1MPa，t1=18，每kg工質(zhì)的吸熱量q1=430 kJ/kg。求發(fā)動機(jī)的熱效率及加熱過程終了3點(diǎn)的溫度和壓力。（工質(zhì)視為空氣，定容比熱cV=0.718 kJ/（kgK），=1.4）解 定容加熱循環(huán)的熱效率為3點(diǎn)的溫度利

27、用每kg工質(zhì)的吸熱量求得，由得 第四節(jié) 蒸氣壓縮制冷循環(huán)制冷循環(huán)是一種逆向循環(huán)，它是通過制冷工質(zhì)的循環(huán)過程將熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量從低溫物體移至高溫物體時，外界必須付出代價，這種代價通常是消耗機(jī)械功。該逆向循環(huán)的目的有兩個，一是使某個小環(huán)境（如冷庫、冷藏室、夏季空調(diào)房間等）獲得并維持低于外界環(huán)境的溫度，稱為制冷循環(huán)；二是使某個小環(huán)境（如冬季供暖房間等）獲得并維持高于外界環(huán)境的溫度，稱為熱泵循環(huán)。衡量制冷循環(huán)和熱泵循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)都可用性能系數(shù)（COP）來表示，它等于獲得的收益與付出的代價之比。具體對于制冷循環(huán)COP就是制冷系數(shù)，而對于供熱循環(huán)COP則為供熱系數(shù)。

28、本節(jié)重點(diǎn)分析制冷循環(huán)，供熱循環(huán)的熱力學(xué)原理與制冷循環(huán)相同。實(shí)現(xiàn)制冷的途徑有多種，不同的制冷方法適用于不同的場合或不同的工作溫度范圍。根據(jù)制冷溫度的不同，可分為普通制冷、深度制冷、及低溫和超低溫制冷三類?？諝庹{(diào)節(jié)用制冷技術(shù)屬于普通制冷，主要采用壓縮制冷、吸收式制冷、蒸氣噴射制冷以及半導(dǎo)體制冷等方法。壓縮制冷又根據(jù)工質(zhì)的不同，分為蒸氣壓縮制冷和空氣壓縮制冷兩種。本節(jié)主要介紹蒸氣壓縮制冷循環(huán)的工作原理及制冷量、耗功量及制冷系數(shù)的計(jì)算。一、蒸氣壓縮制冷循環(huán)的工作原理蒸氣壓縮制冷理想循環(huán)逆卡諾循環(huán)由于同溫限間卡諾循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)最高，且在濕蒸氣區(qū)定壓過程也是定溫過程，故理論上蒸氣壓縮制冷循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)逆卡

29、諾循環(huán)，所以制冷理想循環(huán)即為逆卡諾循環(huán)。蒸氣壓縮制冷裝置的組成及蒸氣壓縮制冷理想循環(huán)T-s圖如圖8.7所示。12過程中，制冷劑在壓縮機(jī)中從濕蒸氣狀態(tài)被定熵壓縮至干飽和蒸氣狀態(tài)，目的是使制冷劑溫度升高到高于冷凝器中冷卻水的溫度；23過程中，制冷劑在冷凝器中定壓冷卻放熱，釋放潛熱給冷卻水，制冷劑從干飽和蒸氣變?yōu)轱柡鸵后w；34為制冷劑在膨脹機(jī)中的定熵膨脹過程，目的是使制冷劑溫度降低到低于蒸發(fā)器（冷藏室）中的溫度； 41為制冷劑在蒸發(fā)器（冷藏室）中的定壓吸熱過程，過程中制冷劑吸熱氣化。通過上述循環(huán)便達(dá)到了將熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移至高溫物體的目的。其中12的壓縮過程消耗外功，34的膨脹過程對外做功。由于34

30、過程中只有少量液體氣化，體積變化不大，所以該過程的膨脹功很小。 圖8.7 蒸氣壓縮制冷裝置的組成及理想循環(huán)T-s圖圖中坐標(biāo)T（斜體）、s（小寫）p（斜體）（小寫）設(shè)環(huán)境溫度為T0，結(jié)合上面的T-s圖，理想制冷循環(huán)的制冷系數(shù)為討論理想循環(huán)的目的主要是它從理論上指出了提高制冷循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的重要方向。高、低溫?zé)嵩吹臏夭钤叫?，循環(huán)耗功量越小，制冷系數(shù)越大。因此，在環(huán)境溫度一定的條件下，實(shí)際制冷循環(huán)也應(yīng)避免維持不必要的過低的冷源溫度，以減少能耗，提高經(jīng)濟(jì)性。2、蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)理想循環(huán)在理論上是經(jīng)濟(jì)的，但實(shí)際可行性較差。主要問題有以下2點(diǎn)：（1）壓縮機(jī)吸入的是濕蒸氣，其中落在氣缸壁上的液珠，在受到壓縮

31、后溫度升高氣化時，會產(chǎn)生很大的爆破力，對氣缸壁造成液擊，破壞氣缸壁的表面強(qiáng)度。（2）膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)件特別小，摩阻大，成本高，而且不易調(diào)節(jié)。其所做的膨脹功很小，以致所獲得的膨脹功有可能不足以克服機(jī)器本身的摩擦阻力，得不償失。針對以上問題，為避免液擊，采取用干壓縮代替濕壓縮的方法，即保證進(jìn)入壓縮機(jī)的蒸氣為干蒸氣，這樣雖然壓縮機(jī)的耗功量有所增加，但制冷量同樣也有所增加，而且提高了壓縮機(jī)的工作可靠性和壽命。另外，用節(jié)流閥代替膨脹機(jī)，制冷量雖有所減小，但結(jié)構(gòu)簡單，同時還便于根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。改進(jìn)后的循環(huán)稱為蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)，其裝置的組成及制冷循環(huán)T-s圖如圖8.8所示。7

32、圖8.8 改進(jìn)后的蒸氣壓縮制冷裝置及理論循環(huán)T-s圖圖中坐標(biāo)T（斜體）、s（小寫）上圖中，12：從蒸發(fā)器出來的干飽和蒸氣在壓縮機(jī)中被定熵壓縮為過熱蒸氣；23：過熱蒸氣在冷凝器中定壓冷卻為飽和液體；34：飽和液體經(jīng)節(jié)流閥絕熱節(jié)流（不可逆），節(jié)流后的工質(zhì)壓力、溫度均降低；41：制冷劑液體在蒸發(fā)器中定壓吸熱氣化為干飽和蒸氣。從而達(dá)到從低溫吸熱、向高溫放熱的目的。3、蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)的制冷量、耗功量及制冷系數(shù)制冷量為制冷劑工質(zhì)在蒸發(fā)器中的定壓吸熱量，由穩(wěn)流系能量方程，單位質(zhì)量制冷劑的制冷量（又稱制冷能力）為 （8.14）由于工質(zhì)在壓縮機(jī)中為定熵壓縮，所以壓縮機(jī)的耗功量wc（亦即循環(huán)耗功量w0）為

33、（8.15）由于絕熱節(jié)流前后焓不變，即h3=h4，因此循環(huán)的制冷系數(shù)為 （8.16）在圖8.8的T-s圖上，制冷量q2可以用蒸發(fā)過程41以下的面積表示，但由于34的絕熱節(jié)流過程為不可逆過程，所以在T-s圖上面積1-2-3-4-1不代表循環(huán)耗功量w0。由式（8.14）（8.16）知，制冷量、耗功量及制冷系數(shù)均與焓有關(guān)，各點(diǎn)的焓值可根據(jù)制冷劑工質(zhì)的熱力性質(zhì)表或制冷劑壓焓圖（lg p-h圖）查得，進(jìn)而進(jìn)行循環(huán)計(jì)算分析。用lg p-h圖表示的蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)如圖8.9所示。在圖中制冷量q2、放熱量q1、耗功量w0的大小都可以直觀地用線段表示，顯而易見，制冷劑在冷凝器中的定壓放熱量等于工質(zhì)在蒸發(fā)器中

34、的定壓吸熱量與在壓縮機(jī)中耗功量之和，即蒸氣壓縮制冷的理論循環(huán)與逆卡諾循環(huán)一樣，提高蒸發(fā)溫度、降低冷凝溫度，制冷系數(shù)增大。工程上為進(jìn)一步提高制冷系數(shù)，常采用過冷措施，如圖8.10所示，在冷凝器中處于狀態(tài)4的飽和液體被進(jìn)一步冷卻至狀態(tài)4的未飽和液體，然后絕熱節(jié)流膨脹至5，顯然制冷量q2增加，但耗功量w0不變，所以制冷系數(shù)增大。此外，為確保進(jìn)入壓縮機(jī)的蒸氣不含液滴，實(shí)際循環(huán)進(jìn)入壓縮機(jī)的蒸氣有一定過熱度。 圖8.9蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)圖 圖8.10 采用過冷措施的蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)圖8.9中，變量全部斜體、小寫； 圖8.10中，坐標(biāo)改為lg p-h4、制冷劑的lg p-h圖雖然不同的制冷劑有其各自的

35、lg p-h圖，但是它們有共同的特點(diǎn)和規(guī)律。與水蒸氣一樣，制冷劑蒸氣同樣有一點(diǎn)（臨界點(diǎn)）、二線（飽和液體線與干飽和蒸氣）、三區(qū)（未飽和液體區(qū)、濕蒸氣區(qū)、過熱蒸氣區(qū)）、五態(tài)（未飽和液體、飽和液體、濕蒸氣、干飽和蒸氣、過熱蒸氣）。圖8.11為制冷劑lg p-h圖上各等參數(shù)線（等溫線、等熵線、等比容線、等干線）的變化趨勢簡圖。 圖8.11 lg p-h圖上各等參數(shù)線的變化趨勢（上圖中，變量全部斜體，除T外全部小寫）圖8.12和 8.13是目前2種常用制冷劑氨（NH3）和氟利昂R134a（HCFC134a）的lg p-h圖。為查取方便，圖中縱坐標(biāo)為對數(shù)刻度，但數(shù)值為實(shí)際壓力值，無需進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換。例8.

36、5 一蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)，其蒸發(fā)溫度為-20，冷凝溫度為27，制冷量Q2=1kW，制冷劑工質(zhì)為R134a，求該循環(huán)單位質(zhì)量制冷劑的制冷量q2、耗功量w0、冷凝器中的放熱量q1、制冷系數(shù)、制冷劑流量qm及壓縮機(jī)的耗功率Pc。解 查R134a的lg p-h圖（圖8.13），得，所以 制冷劑流量 壓縮機(jī)的耗功率 討論：上例中各點(diǎn)的焓值是通過查R134a的lg p-h圖得到的，有一定誤差。各點(diǎn)較精確的焓值可通過查R134a的蒸氣表得到。圖8.12 氨(NH3)的壓焓圖圖8.13 R134a 的壓焓圖本章小結(jié)一、重點(diǎn)再現(xiàn)1、活塞式壓氣機(jī)（1） 活塞式壓氣機(jī)的工作原理；3種不同壓縮過程的特點(diǎn)及耗功量計(jì)算

37、，壓氣機(jī)省功的方法。（2）余隙容積和增壓比對活塞式壓氣機(jī)容積效率的影響，采用多級壓縮、級間冷卻時確定最佳壓力比的原則及最佳壓力比的計(jì)算。（3）對多級壓縮、級間冷卻壓氣機(jī)進(jìn)行計(jì)算時，總是以總耗功最小為原則，選擇最佳中間壓力，且認(rèn)為級間冷卻可以將氣體冷卻至初溫，因此，各級增壓比相等，各級氣體的溫升相等，各級壓縮過程的放熱量相等、各級間冷卻器的散熱量相等，各級壓氣機(jī)的耗功量相等。由此給計(jì)算帶來很多方便，如：單級壓縮氣體的出口溫度等于最終壓縮氣體的出口溫度；總耗功等于單級耗功乘以級數(shù)等。2、活塞式內(nèi)燃機(jī)（1）活塞式內(nèi)燃機(jī)的工作原理，定容加熱、定壓加熱、混合加熱理想循環(huán)的p-v圖和T-s圖，循環(huán)的吸熱量

38、、放熱量、循環(huán)功、熱效率計(jì)算。（2）循環(huán)特性參數(shù)及其對熱效率的影響。3、蒸氣壓縮制冷循環(huán)(1) 蒸氣壓縮制冷循環(huán)的工作原理，蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)的T-s圖和lg p-h圖，理論循環(huán)制冷量q2、放熱量q1、耗功量w0、制冷系數(shù)的計(jì)算，提高制冷系數(shù)的方法。本章重點(diǎn)是要掌握各種熱力循環(huán)的工作原理，會畫各種理論循環(huán)圖（p-v圖、T-s圖及制冷循環(huán)的lg p-h圖），并能對循環(huán)進(jìn)行正確的能量分析和計(jì)算，而且會分析影響循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的因素，從而掌握提高循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的方法和途徑。二、難點(diǎn)突破1、活塞式壓氣機(jī)注意區(qū)分壓縮過程耗功與壓氣機(jī)耗功的概念。壓縮過程耗功是閉口系的容積功w，而壓氣機(jī)耗功是穩(wěn)流系的技術(shù)功wt，計(jì)

39、算時應(yīng)選用不同的公式。2、活塞式內(nèi)燃機(jī)（1）將定容加熱循環(huán)（otto循環(huán)）和定壓加熱循環(huán)(diesel循環(huán))看作是混合加熱循環(huán)的2個特例，3種循環(huán)只是吸熱過程不同，而其余過程都相同。（2）循環(huán)功的計(jì)算不要計(jì)算每一個過程的功量，這樣太繁瑣，最好直接利用公式（3）由于吸熱量、放熱量、循環(huán)功的計(jì)算是動力循環(huán)的基本計(jì)算，所以用基本公式計(jì)算熱效率很方便，因此一般不用式（8.11）（8.13）計(jì)算（除非如例8.4特別方便），僅用它們分析影響熱效率的因素。3、蒸氣壓縮制冷循環(huán)在蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)的計(jì)算中，通常已知蒸發(fā)溫度T1和冷凝溫度T3(或初壓p1和終壓p2)，由于進(jìn)入壓氣機(jī)之前，制冷劑工質(zhì)為干飽和蒸氣

40、，可根據(jù)T1(或p1)確定該點(diǎn)的焓h1和熵s1；h2可根據(jù)p2和s1 (s1= s2)來確定；h3為p2對應(yīng)的飽和液體焓；絕熱節(jié)流h3= h4。然后就可很容易地進(jìn)行理論循環(huán)制冷量q2、放熱量q1、耗功量w0、制冷系數(shù)的計(jì)算。三、典型例題分析由于本章是針對不同的熱工設(shè)備進(jìn)行循環(huán)分析計(jì)算，各節(jié)內(nèi)容自成體系，為方便學(xué)習(xí)，典型例題已分別列于相應(yīng)的各節(jié)之后。思 考 題8.1 在活塞式壓氣機(jī)中，如果采取了有效的冷卻措施，氣體在壓氣機(jī)氣缸中已經(jīng)能夠按定溫過程壓縮，這時是否還需要采用多級壓縮？為什么？解答：定溫壓縮是保證在壓縮過程中功耗最小，但是當(dāng)活塞式壓氣機(jī)單級增壓比較大時，會嚴(yán)重降低容積效率，使產(chǎn)氣量大大

41、減少，此時就需要采用多級壓縮。8.2 如果活塞式壓氣機(jī)為多變壓縮過程，采用多級壓縮、級間冷卻后比單級壓縮省功。如果活塞式壓氣機(jī)為定溫壓縮過程，是否在采用多級壓縮時仍需級間冷卻？多級壓縮是否仍比單級壓縮省功？解答：如果活塞式壓氣機(jī)為定溫壓縮過程，在采用多級壓縮時就無需級間冷卻。多級壓縮也不比單級壓縮省功。因?yàn)椴捎枚嗉墘嚎s、級間冷卻就是使壓縮過程接近定溫壓縮（分級無窮多時為定溫過程），對多變壓縮和定熵壓縮過程，采用多級壓縮、級間冷卻后比單級壓縮省功；但如果活塞式壓氣機(jī)就是定溫壓縮過程，采用多級壓縮就不省功。但實(shí)際情況不可能達(dá)到完全定溫壓縮，所以實(shí)際壓氣機(jī)采用多級壓縮時仍需級間冷卻，采用多級壓縮、級

42、間冷卻后一定比單級壓縮省功。8.3 既然內(nèi)燃機(jī)的壓縮過程需要耗功，為什么在燃燒前都有壓縮過程？解答：因?yàn)閷恿ρh(huán)，提高吸熱溫度、降低放熱溫度有利于提高循環(huán)的熱效率，而燃燒前的壓縮過程就是為了提高工質(zhì)的吸熱溫度。從熱力學(xué)第二定律的角度看，燃燒同樣的燃料產(chǎn)生的熱量相同，但由于壓縮后燃料產(chǎn)生的熱量所處的溫度高，而溫度高的熱量比溫度低的熱量品質(zhì)高，因此轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的份額較大，熱效率較高。8.4 在氣缸機(jī)械負(fù)荷極限(最高壓力)和熱負(fù)荷極限(最高溫度)一定的條件下，柴油機(jī)混合加熱循環(huán)的熱效率一般高于汽油機(jī)定容加熱循環(huán)，其主要原因是什么？解答：由混合加熱循環(huán)和定容加熱循環(huán)的p-v圖和T-s圖可知，燃燒結(jié)束時氣缸承受的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷最大。所以利用混合加熱循環(huán)的T-s圖分析可知，在4