嚴(yán)家騄版工程熱力學(xué)PPT 第6章氣體動(dòng)力循環(huán)課件

1、工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)第六章第六章 氣體動(dòng)力循環(huán)氣體動(dòng)力循環(huán)Gas Power Cycle工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)動(dòng)力循環(huán)研究目的和分類動(dòng)力循環(huán)研究目的和分類動(dòng)力循環(huán)：動(dòng)力循環(huán)：工質(zhì)連續(xù)不斷地將從高溫?zé)嵩慈」べ|(zhì)連續(xù)不斷地將從高溫?zé)嵩慈〉玫牡玫臒崃繜崃康囊徊糠洲D(zhuǎn)換成對(duì)外的的一部分轉(zhuǎn)換成對(duì)外的凈功凈功按工質(zhì)按工質(zhì)氣體動(dòng)力循環(huán)氣體動(dòng)力循環(huán)：內(nèi)燃機(jī)：內(nèi)燃機(jī)蒸汽動(dòng)力循環(huán)蒸汽動(dòng)力循環(huán)：外燃機(jī)：外燃機(jī)空氣為主的燃?xì)饪諝鉃橹鞯娜細(xì)獍窗蠢硐霘怏w理想氣體處理處理水蒸氣等水蒸氣等實(shí)際氣體實(shí)際氣體研究目的：研究目的：合理安排循環(huán)，提高熱效率合理安排循環(huán)，提高熱效率internal combustion engineex

2、ternal combustion engine工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)氣體動(dòng)力循環(huán)分類氣體動(dòng)力循環(huán)分類按結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)活塞式活塞式葉輪式葉輪式汽車，摩托，小型輪船汽車，摩托，小型輪船航空，大型輪船，移動(dòng)電站航空，大型輪船，移動(dòng)電站piston engineGas turbine cycle工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)氣體動(dòng)力循環(huán)分類氣體動(dòng)力循環(huán)分類小型汽車，摩托小型汽車，摩托中、大型汽車，火車，中、大型汽車，火車，輪船，移動(dòng)電站輪船，移動(dòng)電站汽油機(jī)汽油機(jī) petrol (gasoline) engine按燃料按燃料柴油機(jī)柴油機(jī)diesel engine煤油機(jī)煤油機(jī) kerosene oil engine

3、航空航空工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)氣體動(dòng)力循環(huán)分類氣體動(dòng)力循環(huán)分類點(diǎn)燃式點(diǎn)燃式 spark ignition按點(diǎn)燃方式：按點(diǎn)燃方式：按沖程數(shù)：按沖程數(shù)：四沖程四沖程 four-stroke壓燃式壓燃式 compression ignition二沖程二沖程 two-stroke工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)動(dòng)力循環(huán)研究方法動(dòng)力循環(huán)研究方法實(shí)際動(dòng)力循環(huán)非常復(fù)雜實(shí)際動(dòng)力循環(huán)非常復(fù)雜不可逆不可逆，多變指數(shù)變化多變指數(shù)變化，燃燒燃燒等等 工程熱力學(xué)研究方法，先對(duì)實(shí)際動(dòng)工程熱力學(xué)研究方法，先對(duì)實(shí)際動(dòng)力循環(huán)進(jìn)行力循環(huán)進(jìn)行抽象抽象和和理想化理想化，形成各種理，形成各種理想循環(huán)進(jìn)行分析，最后進(jìn)行想循環(huán)進(jìn)行分析，最后進(jìn)行修正

4、修正。工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)6-1 6-1 活塞式內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力循環(huán)活塞式內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力循環(huán)一、四沖程高速柴油機(jī)一、四沖程高速柴油機(jī)（混合加熱循環(huán)）（混合加熱循環(huán)）high-speed diesel engin工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)四沖程柴油機(jī)工作原理四沖程柴油機(jī)工作原理空氣、油空氣、油廢氣廢氣吸氣吸氣壓縮壓縮膨脹膨脹排氣排氣IntakeCompressionExpansionExhaustExhaust gasAir, FuelIntake valveExhaust valve工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)四沖程高速柴油機(jī)工作過(guò)程四沖程高速柴油機(jī)工作過(guò)程12301 吸空氣吸空氣pV一般一般n=1.341.3

5、7柴油自燃柴油自燃t=335p02012 多變壓縮多變壓縮p2=35MPat2=6008002 噴柴油噴柴油2 開(kāi)始燃燒開(kāi)始燃燒23 迅速燃燒，近似迅速燃燒，近似 Vp59MPaAutoiginition工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)四沖程高速柴油機(jī)工作過(guò)程四沖程高速柴油機(jī)工作過(guò)程1234534 邊噴油，邊膨脹邊噴油，邊膨脹pVp0120t4可達(dá)可達(dá)170018004 停止噴柴油停止噴柴油45 多變膨脹多變膨脹V近似近似 膨脹膨脹pp5=0.30.5MPat5 50051 開(kāi)閥排氣，開(kāi)閥排氣， 降壓降壓10 活塞推排氣活塞推排氣,完成循環(huán)完成循環(huán)工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)四沖程高速柴油機(jī)的理想化四沖程高速

6、柴油機(jī)的理想化123451. 工質(zhì)工質(zhì)pVp0120工質(zhì)數(shù)量不變工質(zhì)數(shù)量不變定比熱理想氣體定比熱理想氣體P-V圖圖p-v圖圖2. 0-1和和1 -0抵消抵消開(kāi)口開(kāi)口閉口循環(huán)閉口循環(huán)3. 燃燒燃燒外界加熱外界加熱4. 排氣排氣向向外界放熱外界放熱5. 多變多變絕絕熱熱6. 不可逆不可逆可逆可逆工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)理想混合加熱循環(huán)（薩巴德循環(huán)）理想混合加熱循環(huán)（薩巴德循環(huán)）1234512345pvTs分析循環(huán)分析循環(huán)吸熱量吸熱量，放熱量放熱量，熱效率熱效率和和功量功量Dual cycle工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)定義幾個(gè)指標(biāo)性參數(shù)定義幾個(gè)指標(biāo)性參數(shù)12345pv壓縮比壓縮比12

7、vv定容增壓比定容增壓比32pp預(yù)脹比預(yù)脹比43vv反映反映氣缸氣缸容積容積反映反映供油供油規(guī)律規(guī)律Compression ratioCutoff ratio工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán) 熱效率熱效率)()()(11340230150112tTTcTTcTTcqqqpVVpv工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)111211200)(TvvTT1123230TppTT1134340TvvTT00000011111124113415445)()()()(TTvvTvvTvvTT工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)各因素對(duì)混合加熱循環(huán)的影響各因素對(duì)混合加熱循環(huán)的影響t1.4k 1.3k 1.2k 1、當(dāng)當(dāng) 、 不變不變t受氣缸材料限

8、制受氣缸材料限制 一般柴油機(jī)一般柴油機(jī)1421kt11111kkk 潛艇用氦氣，潛艇用氦氣，k=1.66工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)各因素對(duì)混合加熱循環(huán)的影響各因素對(duì)混合加熱循環(huán)的影響2、當(dāng)當(dāng) 不變不變ttt11.523t11111kkk 注意：注意：圖示的研究方法圖示的研究方法不必記憶不必記憶 的復(fù)雜式的復(fù)雜式t12345pv工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)柴油機(jī)與汽油柴油機(jī)與汽油機(jī)動(dòng)力循環(huán)圖示機(jī)動(dòng)力循環(huán)圖示12345pv1234pv柴油機(jī)，壓燃式柴油機(jī)，壓燃式汽油機(jī)，點(diǎn)燃式汽油機(jī)，點(diǎn)燃式1工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)活塞式內(nèi)燃機(jī)的定容加熱循環(huán)活塞式內(nèi)燃機(jī)的定容加熱循環(huán) 油氣混合進(jìn)入氣缸，點(diǎn)燃后，燃燒較快，油氣混

9、合進(jìn)入氣缸，點(diǎn)燃后，燃燒較快，活塞基本不動(dòng)，燃燒過(guò)程可以看作定容過(guò)活塞基本不動(dòng)，燃燒過(guò)程可以看作定容過(guò)程程工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán) 我們可以將定容過(guò)程看成預(yù)脹比等于我們可以將定容過(guò)程看成預(yù)脹比等于1 1的混的混合加熱過(guò)程合加熱過(guò)程 這種加熱過(guò)程熱效率不高，因?yàn)閴嚎s比不這種加熱過(guò)程熱效率不高，因?yàn)閴嚎s比不能太高。一般為能太高。一般為5 59 9工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)定容加熱循環(huán)的計(jì)算定容加熱循環(huán)的計(jì)算t11111kkk 1t111k tk汽油易爆燃汽油易爆燃一般汽油機(jī)一般汽油機(jī)510一般柴油機(jī)效率高于汽油機(jī)的效率一般柴油機(jī)效率高于汽油機(jī)的效率但汽油機(jī)小巧但汽油機(jī)小巧2114柴油機(jī)工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力

10、循環(huán)柴油機(jī)與低速柴油柴油機(jī)與低速柴油機(jī)循環(huán)圖示機(jī)循環(huán)圖示12345pv1234pv柴油機(jī)，壓燃式柴油機(jī)，壓燃式低速柴油機(jī)，壓燃式低速柴油機(jī)，壓燃式1工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)定壓定壓 加熱循環(huán)加熱循環(huán) 燃燒過(guò)程，一邊燃燒，一邊膨脹，氣缸燃燒過(guò)程，一邊燃燒，一邊膨脹，氣缸內(nèi)壓力基本保持不變，相當(dāng)于定壓過(guò)程內(nèi)壓力基本保持不變，相當(dāng)于定壓過(guò)程工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)定壓加熱循環(huán)的計(jì)算定壓加熱循環(huán)的計(jì)算熱效率熱效率t111(1)kkk t1.522.5當(dāng)當(dāng) 不變不變t當(dāng)當(dāng) 不變不變t工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)6-2 6-2 活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)比較活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)比較比較的條件比較的條件壓縮比壓縮比吸熱量吸熱量1q

11、反映氣缸結(jié)構(gòu)尺寸、工藝材料反映氣缸結(jié)構(gòu)尺寸、工藝材料反映作功量（馬力）反映作功量（馬力）最高壓力最高壓力maxp反映材料耐壓、壁厚、成本反映材料耐壓、壁厚、成本最高壓力最高壓力maxT反映材料耐溫反映材料耐溫比較的對(duì)象：比較的對(duì)象：混合加熱，定容加熱，定壓加熱混合加熱，定容加熱，定壓加熱工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)和和 相同相同Ts2t11qq tvtmtp2v2m2pqqq平均溫度法平均溫度法1q3m4m123v4v3p4p工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)和和 相同相同Ts211tqq 1p1m1vqqq2q相等相等maxpmaxT12v342mtptmtv2p工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)和和 相同相同3p4mT

12、s211tqq 2p2m2vqqq1qmaxp2ptptmtv3m12v4v3v4p2m？ 和和 相同，圖示相同，圖示 大小大小maxT1qtptmtv,工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)6-3 6-3 斯特林（斯特林（Stirling) )循環(huán)循環(huán)1816年提出，近年提出，近20年才實(shí)施年才實(shí)施冷氣室冷氣室熱氣室熱氣室加熱器加熱器冷卻器冷卻器AB回?zé)崞骰責(zé)崞?-2 T 壓縮壓縮2-3 V 吸熱吸熱3-4 T 膨脹膨脹4-1 V 放熱放熱工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)斯特林循環(huán)圖示斯特林循環(huán)圖示12341234pvTs概括性卡諾循環(huán)概括性卡諾循環(huán)核潛艇，制冷核潛艇，制冷工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)6-4 6-4 勃雷登

13、循環(huán)勃雷登循環(huán)（Brayton Cycle）用途：用途： 航空發(fā)動(dòng)機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī) 尖峰電站尖峰電站 移動(dòng)電站移動(dòng)電站 大型輪船大型輪船工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)勃雷登循環(huán)示意圖和理想化勃雷登循環(huán)示意圖和理想化1234壓氣機(jī)壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒室1）工質(zhì)：數(shù)量不變，定比熱工質(zhì)：數(shù)量不變，定比熱理想氣體理想氣體理想化：理想化：2）閉口閉口 循環(huán)循環(huán)3）可逆過(guò)程可逆過(guò)程Combustion chamberCompressorTurbine工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)pvTs12341234T-s and P-v diagrams for the ideal Brayton Cycle工程熱力學(xué)氣體動(dòng)

14、力循環(huán)勃雷登循環(huán)的計(jì)算勃雷登循環(huán)的計(jì)算Ts1234吸熱量：吸熱量：1p32qcTT放熱量：放熱量：2p41qcTT熱效率：熱效率：12241t1113211wqqqTTqqqTT 工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)勃雷登循環(huán)熱效率的計(jì)算勃雷登循環(huán)熱效率的計(jì)算Ts1234熱效率：熱效率：41t321TTTT 411322111TTTTTT 112221111111kkTTTpTp 1133224411kkkkTppTTppT1t,C31TT 熱效率表達(dá)式似乎與卡諾循環(huán)一樣熱效率表達(dá)式似乎與卡諾循環(huán)一樣工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)勃雷登循環(huán)熱效率的計(jì)算勃雷登循環(huán)熱效率的計(jì)算Ts1234熱效率：熱效率：t12111k

15、kpp 定義：定義：壓比壓比21pp111kk tktPressure ratio工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)勃雷登循環(huán)凈功的計(jì)算勃雷登循環(huán)凈功的計(jì)算Ts1234定義：定義： 循環(huán)增溫比循環(huán)增溫比31TT324134211111pppwcTTcTTTTTc TTTT凈1111kkkkpc T工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)對(duì)凈功的影響對(duì)凈功的影響Ts123431TT1111kkkkpwc T凈34當(dāng)當(dāng) 不變不變不變不變w凈但但T3 受材料耐熱限制受材料耐熱限制111tkk 工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)對(duì)凈功的影響對(duì)凈功的影響Ts31TT1111kkkkpwc T凈當(dāng)當(dāng) 不變不變太大太大w凈3T太小太小ttw凈存在最

16、佳存在最佳 ，使，使 最大最大w凈111tkk 1T工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)最佳增壓比最佳增壓比 （w凈凈）的求解）的求解Ts1111kkkkpwc T凈令令opt3T2(1)opt()kkw凈1T0w凈最大循環(huán)凈功最大循環(huán)凈功211optpwc T工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán)Ts1234壓氣機(jī)：壓氣機(jī)：不可逆不可逆絕熱壓縮絕熱壓縮燃?xì)廨啓C(jī)：燃?xì)廨啓C(jī)：不可逆不可逆絕熱膨脹絕熱膨脹2421c12hhhh定義：定義：壓氣機(jī)絕熱效率壓氣機(jī)絕熱效率燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率34oi34hhhh工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán)的凈功燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán)的凈功T

17、s123424314221oi34cwhhhhhhhh凈凈功凈功吸熱量吸熱量2113312chhqhhhh21kkoptoicw 凈工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán)的熱效率燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán)的熱效率Ts1234241111111oikckkckwq凈t熱效率熱效率工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)影響燃?xì)鈾C(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率的因素影響燃?xì)鈾C(jī)實(shí)際循環(huán)熱效率的因素1111111oikckkckwq凈toict一定，一定，t一定，有最佳一定，有最佳 optt optt右移右移工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)和和 的關(guān)系的關(guān)系 opttoptw凈optw凈地面上，尺寸次要，省燃料，取地面上，尺寸次要，省燃料，取 opt

18、t空中，尺寸重要，取空中，尺寸重要，取optw凈提高提高t受材料耐熱限制受材料耐熱限制取最佳取最佳 optt有無(wú)其有無(wú)其它途徑它途徑工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)5-5 5-5 提高勃雷登循環(huán)熱效率的其他途徑提高勃雷登循環(huán)熱效率的其他途徑2若使若使T4T4 在在500oC以上以上134Ts4p不可能不可能如果如果T4T2預(yù)熱空氣，預(yù)熱空氣，回?zé)峄責(zé)嵋?、一、回?zé)峄責(zé)酭egeneration工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)勃雷登循環(huán)勃雷登循環(huán)回?zé)崾疽鈭D回?zé)崾疽鈭D1234壓氣機(jī)壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒室回?zé)崞骰責(zé)崞?R2ARegenerator工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)回?zé)嵩诨責(zé)嵩赥s 圖上的表示圖上的表示213

19、4Ts4R2R2A理想回?zé)幔豪硐牖責(zé)幔簩?shí)際回?zé)釋?shí)際回?zé)?定義：定義：回?zé)岫然責(zé)岫?222ARhhhh一般取一般取0.60.9tt1wq凈回簡(jiǎn)2R 4R2AEffectiveness工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán) 采用回?zé)峥商岣哐h(huán)熱效率工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)43123112.1)()(11TTTTTTCpTTCpqqabrt112TT43123112.1)()(11TTTTTTCpTTCpqqabpt111111.11）（TTTTrt13TT 114)1( TT1.1rt工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)壓氣機(jī)間冷壓氣機(jī)間冷intercooling的圖示的圖示1234燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃

20、燒室間冷器間冷器5壓氣機(jī)壓氣機(jī)62Intercooler工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)壓氣機(jī)間冷壓氣機(jī)間冷在在Ts圖上的表示圖上的表示2134Ts265ABt1wq凈間12341和和62256聯(lián)合工作聯(lián)合工作tt間簡(jiǎn)ww間簡(jiǎn)ABt1A1Bwwqq凈凈間？結(jié)論：結(jié)論：工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)壓氣機(jī)間冷熱效率的推導(dǎo)壓氣機(jī)間冷熱效率的推導(dǎo)ABtA1AtB1Bt1A1B1A1B1A1BtAtB1A1B1A1Bwwqqqqqqqqqqqq凈凈間當(dāng)當(dāng)tAtBtAtBt間tAtBtAtBt間tAtBtAtBt間工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)間冷回?zé)崾疽鈭D間冷回?zé)崾疽鈭D134燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒室間冷器間冷器5壓氣機(jī)壓氣

21、機(jī)62回?zé)崞骰責(zé)崞?R2RIntercoolerRegenerator工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)間冷回?zé)嵩陂g冷回?zé)嵩赥s圖上的表示圖上的表示2134Ts265tt1wq凈間+回簡(jiǎn)4R2Rtt1wq凈間+回回ttt間+回回簡(jiǎn)www間+回回簡(jiǎn)結(jié)論：結(jié)論：工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)再熱再熱reheating示意圖示意圖1234壓氣機(jī)壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒室1燃燒室燃燒室235Reheater工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)再熱在再熱在Ts圖上的表示圖上的表示213Ts344tt再簡(jiǎn)ww再簡(jiǎn)5結(jié)論：結(jié)論：工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)再熱回?zé)崾疽鈭D再熱回?zé)崾疽鈭D1234壓氣機(jī)壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒室2回?zé)崞骰責(zé)崞魅紵胰紵?4R2R53Reheat-regenerative cycle工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)再熱再熱回?zé)峄責(zé)嵩谠赥s圖上的表示圖上的表示213Ts344結(jié)論：結(jié)論：54R2R2t+t11qq 再 回回ww再+回回2qq2回再+回ttt再+回回簡(jiǎn)www再+回回簡(jiǎn)工程熱力學(xué)氣體動(dòng)力循環(huán)再熱再熱+間冷間冷+回?zé)崾疽鈭D回?zé)崾疽鈭D1234壓氣機(jī)壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒室2回?zé)?/p>