工程熱力學(xué) 09氣體動力循環(huán)-wyz-2013

工程熱力學(xué)

EngineeringThermodynamics

2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)2第九章氣體動力循環(huán)9-1

活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)9-2

燃?xì)廨啓C裝置循環(huán)9-3

增壓內(nèi)燃機及其循環(huán)9-4

自由活塞燃?xì)廨啓C裝置及其循環(huán)9-5

噴氣式發(fā)動機及其循環(huán)9-6

活塞式熱氣發(fā)動機及其循環(huán)本章作業(yè)及小結(jié)2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)39-1

活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)實際循環(huán)：

0-1進(jìn)氣過程

1-2壓縮過程

2-3-4燃燒過程

4-5膨脹(作功)過程

5-1自由排氣過程＋強制排氣過程一、混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）柴油機的實際示功圖2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)4實際循環(huán)的理想化：

1.

把熱力過程理想化→理論示功圖①進(jìn)氣過程→0-1定壓吸氣②壓縮過程→1-2定熵壓縮③燃燒過程→2-3定容加熱＋3-4定壓加熱④膨脹過程→4-5定熵膨脹⑤排氣過程→5-1定容排氣＋1-0定壓排氣2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)53.把開口系統(tǒng)簡化為閉口系統(tǒng)（進(jìn)排氣功近似相等，相互抵消）

混合加熱循環(huán)的熱效率：2.

把工質(zhì)看做理想氣體混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)6特性參數(shù)：壓縮比compressionratio升壓比pressurestep-upratio預(yù)脹比pre-expandratio2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)7參數(shù)分析：

能量分析：

吸熱量

放熱量

循環(huán)凈功

2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)8可見混合加熱循環(huán)熱效率thermalefficiency2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)9混合加熱循環(huán)熱效率thermalefficiency（1）壓縮比的影響如果λ與ρ不變，提高ε可提高混合加熱循環(huán)的熱效率，但隨著壓縮比的逐漸增大，熱效率增長的速率逐漸減緩。實際上，當(dāng)壓縮比數(shù)值較高時，提高壓縮比不僅熱效率增長較少，而且由于壓縮終了壓力及燃燒終了壓力太高，發(fā)動機的機件摩擦消耗的功太多，以致發(fā)動機的實際效率無明顯增加，甚至反而減小。因此，一般壓燃式內(nèi)燃機的壓縮比主要按燃料可靠地起燃和正常燃燒來確定。柴油機的壓縮比一般在14～20之間。Question：Howtoimprovethethermalefficiency

?2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)10混合加熱循環(huán)熱效率2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)11二、定容加熱循環(huán)（奧托循環(huán),OttoCycle

）但ε=6.5～11.Why?隨著壓縮比的提高，點燃式內(nèi)燃機的熱效率增大。實際上，當(dāng)壓縮終了的溫度及壓力超過一定的限度時，點燃式內(nèi)燃機如汽油機等會產(chǎn)生不正常的爆燃現(xiàn)象，因此壓縮比不能過高，一般汽油發(fā)動機的壓縮比在6.5～11之間。2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)12三、定壓加熱循環(huán)（笛塞爾循環(huán)，DieselCycle）可見：2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)13四、活塞式內(nèi)燃機各種理想循環(huán)的比較

①壓縮比相同、放熱量相同②最高壓力相同、最高溫度相同2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)14例9-1(p160-162)本章作業(yè)9-1,9-2,9-52023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)159-2

燃?xì)廨啓C裝置循環(huán)一、定壓加熱燃?xì)廨啓C循環(huán)

燃?xì)廨啓C裝置循環(huán)（勃雷登循環(huán)）的組成：①絕熱壓縮過程（壓氣機）②定壓加熱過程（燃燒室、加熱器）③絕熱膨脹過程（燃?xì)廨啓C、氣輪機）④定壓放熱過程（大氣、冷卻器）2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)16增壓比——π=p2/p1最高溫度——T3升溫比——τ=T3/T1參數(shù)關(guān)系：循環(huán)加熱量：循環(huán)放熱量：循環(huán)熱效率：循環(huán)特性：2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)17整理上式，有可見，↑π，熱效率↑。

功量—燃?xì)廨啓C軸功：壓氣機耗功：循環(huán)凈功有極大值。當(dāng)所以2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)18二、燃?xì)廨啓C的實際循環(huán)壓氣機耗功：燃?xì)廨啓C軸功：循環(huán)熱效率：因所以有2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)19

①②當(dāng)、、一定時，隨著增壓比π的提高，循環(huán)熱效率有一個極大值③可見：熱效率影響因素分析

由。；；2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)20

(1)燃?xì)廨啓C裝置的回?zé)嵫h(huán)

循環(huán)的組成：1-2為壓氣機中絕熱壓縮；2-6為回?zé)崞髦卸▔侯A(yù)熱；6-3為燃燒室中定壓加熱；3-4為燃?xì)廨啓C中絕熱膨脹；4-5為回?zé)崞髦卸▔悍艧幔?-1為大氣中定壓放熱。理想回?zé)幔嚎諝鈴腡2

升溫至T4，實際只能到T6。三、提高熱效率的措施定義：回?zé)岫?023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)21燃?xì)廨啓C回?zé)嵫h(huán)熱效率可表示為

比熱容為定值時，有代入?yún)?shù)間的關(guān)系式，可得

2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)22可見:①增大升溫比，可提高燃?xì)廨啓C回?zé)嵫h(huán)的熱效率；②當(dāng)升溫比及回?zé)岫纫欢〞r，隨著增壓比的提高，回?zé)嵫h(huán)的熱效率有一個極大值。當(dāng)回?zé)岫仍龃髸r，與熱效率極大值相對應(yīng)的增壓比的數(shù)值不斷降低。熱效率影響因素分析

由2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)23

采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回?zé)嵫h(huán)措施后，提高了平均加熱溫度及降低了平均放熱溫度，使得循環(huán)熱效率得到較大的提高。(2)采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回?zé)嵫h(huán)2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)249-3

增壓內(nèi)燃機及其循環(huán)廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)相當(dāng)于由一個內(nèi)燃機的混合加熱循環(huán)和一個燃?xì)廨啓C定壓加熱循環(huán)疊加而成。

增壓——將空氣的壓力及密度提高后，送入內(nèi)燃機氣缸，使氣缸充入更多空氣。

目的——增加內(nèi)燃機的功率(功率↑30％～100％，甚至更多)。

增壓器——用于增壓的壓氣機。

廢氣增壓可充分利用廢氣能量，提高經(jīng)濟性，因此廣泛應(yīng)用。2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)259-4

自由活塞燃?xì)廨啓C裝置及其循環(huán)自由活塞式發(fā)動機可以看做是一種特殊形式的增壓內(nèi)燃機。它本身不直接輸出功率，而是與壓氣機相結(jié)合，把全部功率用于驅(qū)動壓氣機生產(chǎn)壓縮氣體。它也可作為燃?xì)獍l(fā)生器而與燃?xì)廨啓C組成聯(lián)合動力裝置，稱為自由活塞燃?xì)廨啓C裝置。2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)26自由活塞燃?xì)廨啓C裝置的工作過程

氣缸2中的兩個對置的自由活塞3的外端分別與壓氣機活塞相連。

缸內(nèi)氣體燃燒膨脹→推動兩活塞外移，壓縮兩端氣墊氣缸7內(nèi)的空氣，將發(fā)動機全部有效功儲存在空氣中。

活塞外移→壓氣機氣缸6容積↑→空氣經(jīng)進(jìn)氣閥5吸入。

活塞外移接近端部→右活塞先把氣缸排氣孔8打開→高溫燃?xì)狻鷥夤?；隨后，左活塞將掃氣口11打開→掃氣箱12內(nèi)壓縮空氣→氣缸，將氣缸中殘余燃?xì)怛?qū)入燃?xì)鈨夤?，并使氣缸充滿新鮮壓縮空氣。

兩端氣墊氣缸內(nèi)的高壓空氣推動自由活塞內(nèi)移。當(dāng)排氣孔及掃氣孔關(guān)閉后，氣缸內(nèi)的空氣被絕熱壓縮。同時壓氣機氣缸內(nèi)的空氣也被壓縮，壓力達(dá)到掃氣箱內(nèi)壓力時，輸氣閥4打開，壓縮空氣在活塞推動下輸入掃氣箱12。兩活塞移至接近中間位置時，噴油器1將燃料噴入發(fā)動機氣缸中進(jìn)行燃燒。隨后又開始膨脹過程，進(jìn)行新的工作循環(huán)。

由發(fā)動機送入儲氣罐9中的高溫高壓燃?xì)獠粩嗟厮腿肴細(xì)廨啓C10中，在其中絕熱膨脹推動葉輪輸出軸功。由于自由活塞發(fā)動機中燃?xì)馀蛎浰鞯墓θ客ㄟ^活塞用于壓氣機的壓縮功，所以燃?xì)廨啓C所輸出的功也就是整個裝置唯一對外輸出的功。2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)27自由活塞燃?xì)廨啓C裝置的熱力循環(huán)

根據(jù)自由活塞發(fā)動機中的能量平衡，壓氣機消耗的軸功等于自由活塞發(fā)動機的循環(huán)凈功，即p-v圖上循環(huán)1-2-3-4-5-1的面積應(yīng)和壓氣機壓氣過程8-1左側(cè)面積8-1-a-b-8相等。整個裝置輸出的功，也就是燃?xì)廨啓C輸出的軸功，可用燃?xì)廨啓C中絕熱膨脹過程6-7左側(cè)的面積6-7-b-a-6表示。循環(huán)1-2-3-4-5-1為自由活塞發(fā)動機氣缸中工質(zhì)所完成的混合加熱循環(huán)。1-6為儲氣罐定壓充氣，6-7為燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C中絕熱膨脹，7-8為廢氣在大氣中定壓放熱，8-1為空氣在壓氣機氣缸中的絕熱壓縮。2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)289-5

噴氣式發(fā)動機及其循環(huán)噴氣式發(fā)動機以一定飛行速度前進(jìn)時，空氣以相同速度進(jìn)入。高速氣流在前端擴壓管1中降速升壓后進(jìn)入壓氣機2，經(jīng)絕熱壓縮進(jìn)一步升壓。壓縮空氣在燃燒室3中和噴入的燃料一起進(jìn)行定壓燃燒。產(chǎn)生的高溫燃?xì)庀仍谌細(xì)廨啓C4中絕熱膨脹產(chǎn)生軸功用于帶動壓氣機，然后進(jìn)入尾部噴管5中，在其中繼續(xù)膨脹獲得高速，最后從尾部噴向大氣。

噴氣式發(fā)動機重量輕、體積小、功率大，其功率隨本身運動速度提高而增大，特別適合用做航空發(fā)動機。

工作過程：2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)29噴氣式發(fā)動機的熱力循環(huán)分析

1-a—擴壓管中的絕熱壓縮；a-2—壓氣機中的絕熱壓縮；2-3—燃燒室中的定壓吸熱；3-b—燃?xì)廨啓C中的絕熱膨脹；b-4—尾噴管中的絕熱膨脹；4-1—大氣中定壓放熱。

p-v圖上，面積代表壓氣機所消耗的軸功，面積代表燃?xì)廨啓C所輸出的軸功，根據(jù)噴氣發(fā)動機的工作原理，兩軸功的數(shù)值相等，故兩面積相等。

顯然，噴氣式發(fā)動機的熱力循環(huán)和定壓加熱燃?xì)廨啓C循環(huán)相同，故可引用有關(guān)的結(jié)論來對其進(jìn)行分析。2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)309-6

活塞式熱氣發(fā)動機及其循環(huán)

(4)定容回?zé)徇^程：動力活塞1位于其下死點，配氣活塞2從其下死點上移。使膨脹腔內(nèi)工質(zhì)經(jīng)連通管流入壓縮腔。此時工質(zhì)容積不變，并在流過回?zé)崞?時向回?zé)崞鞣艧?，降低溫度。?dāng)配氣活塞2移至其上死點時，工質(zhì)全部進(jìn)入壓縮腔，定容回?zé)徇^程結(jié)束。

工作過程：

(1)定溫壓縮過程：配氣活塞2位于上死點，動力活塞1由其下死點向上移動。兩活塞間壓縮腔內(nèi)的工質(zhì)受壓，同時通過缸壁向冷卻水放熱。

(2)定容預(yù)熱過程：動力活塞1位于其上死點位置，配氣活塞2從其上死點下移。迫使氣缸壓縮腔內(nèi)工質(zhì)流入配氣活塞上方的氣缸膨脹腔。此時工質(zhì)容積不變，在流過回?zé)崞?時被加熱。配氣活塞與和動力活塞相靠時，工質(zhì)全部進(jìn)入氣缸的膨脹腔，定容預(yù)熱過程結(jié)束。

(3)定溫膨脹過程：外部燃燒系統(tǒng)通過氣缸頂部向膨脹腔內(nèi)的工質(zhì)加熱，工質(zhì)定溫膨脹，推動配氣活塞和動力活塞一起下移，輸出容積變化功。

2023年3月22日第九章氣體動力循環(huán)31活塞式熱氣發(fā)動