嚴家騄版工程熱力學PPT 第6章氣體動力循環(huán)課件

1、工程熱力學氣體動力循環(huán)第六章第六章 氣體動力循環(huán)氣體動力循環(huán)Gas Power Cycle工程熱力學氣體動力循環(huán)動力循環(huán)研究目的和分類動力循環(huán)研究目的和分類動力循環(huán)：動力循環(huán)：工質(zhì)連續(xù)不斷地將從高溫熱源取工質(zhì)連續(xù)不斷地將從高溫熱源取得的得的熱量熱量的一部分轉(zhuǎn)換成對外的的一部分轉(zhuǎn)換成對外的凈功凈功按工質(zhì)按工質(zhì)氣體動力循環(huán)氣體動力循環(huán)：內(nèi)燃機：內(nèi)燃機蒸汽動力循環(huán)蒸汽動力循環(huán)：外燃機：外燃機空氣為主的燃氣空氣為主的燃氣按按理想氣體理想氣體處理處理水蒸氣等水蒸氣等實際氣體實際氣體研究目的：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工程熱力學氣體動力循環(huán)氣體動力循環(huán)分類氣體動力循環(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，移動電站航空，大型輪船，移動電站piston engineGas turbine cycle工程熱力學氣體動力循環(huán)氣體動力循環(huán)分類氣體動力循環(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，移動電站輪船，移動電站汽油機汽油機 petrol (gasoline) engine按燃料按燃料柴油機柴油機diesel engine煤油機煤油機 kerosene oil engine

3、航空航空工程熱力學氣體動力循環(huán)氣體動力循環(huán)分類氣體動力循環(huán)分類點燃式點燃式 spark ignition按點燃方式：按點燃方式：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工程熱力學氣體動力循環(huán)動力循環(huán)研究方法動力循環(huán)研究方法實際動力循環(huán)非常復雜實際動力循環(huán)非常復雜不可逆不可逆，多變指數(shù)變化多變指數(shù)變化，燃燒燃燒等等 工程熱力學研究方法，先對實際動工程熱力學研究方法，先對實際動力循環(huán)進行力循環(huán)進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)進行分析，最后進行想循環(huán)進行分析，最后進行修正

4、修正。工程熱力學氣體動力循環(huán)6-1 6-1 活塞式內(nèi)燃機動力循環(huán)活塞式內(nèi)燃機動力循環(huán)一、四沖程高速柴油機一、四沖程高速柴油機（混合加熱循環(huán)）（混合加熱循環(huán)）high-speed diesel engin工程熱力學氣體動力循環(huán)四沖程柴油機工作原理四沖程柴油機工作原理空氣、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工程熱力學氣體動力循環(huán)四沖程高速柴油機工作過程四沖程高速柴油機工作過程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 開始燃燒開始燃燒23 迅速燃燒，近似迅速燃燒，近似 Vp59MPaAutoiginition工程熱力學氣體動力循環(huán)四沖程高速柴油機工作過程四沖程高速柴油機工作過程1234534 邊噴油，邊膨脹邊噴油，邊膨脹pVp0120t4可達可達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 開閥排氣，開閥排氣， 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)工程熱力學氣體動力循環(huán)四沖程高速柴油機的理想化四沖程高速

6、柴油機的理想化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抵消抵消開口開口閉口循環(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氣體動力循環(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工程熱力學氣體動力循環(huán)工程熱力學氣體動力循環(huán)定義幾個指標性參數(shù)定義幾個指標性參數(shù)12345pv壓縮比壓縮比12

7、vv定容增壓比定容增壓比32pp預脹比預脹比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工程熱力學氣體動力循環(huán) 熱效率熱效率)()()(11340230150112tTTcTTcTTcqqqpVVpv工程熱力學氣體動力循環(huán)111211200)(TvvTT1123230TppTT1134340TvvTT00000011111124113415445)()()()(TTvvTvvTvvTT工程熱力學氣體動力循環(huán)各因素對混合加熱循環(huán)的影響各因素對混合加熱循環(huán)的影響t1.4k 1.3k 1.2k 1、當當 、 不變不變t受氣缸材料限

8、制受氣缸材料限制 一般柴油機一般柴油機1421kt11111kkk 潛艇用氦氣，潛艇用氦氣，k=1.66工程熱力學氣體動力循環(huán)各因素對混合加熱循環(huán)的影響各因素對混合加熱循環(huán)的影響2、當當 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 的復雜式的復雜式t12345pv工程熱力學氣體動力循環(huán)柴油機與汽油柴油機與汽油機動力循環(huán)圖示機動力循環(huán)圖示12345pv1234pv柴油機，壓燃式柴油機，壓燃式汽油機，點燃式汽油機，點燃式1工程熱力學氣體動力循環(huán)活塞式內(nèi)燃機的定容加熱循環(huán)活塞式內(nèi)燃機的定容加熱循環(huán) 油氣混合進入氣缸，點燃后，燃燒較快，油氣混

9、合進入氣缸，點燃后，燃燒較快，活塞基本不動，燃燒過程可以看作定容過活塞基本不動，燃燒過程可以看作定容過程程工程熱力學氣體動力循環(huán) 我們可以將定容過程看成預脹比等于我們可以將定容過程看成預脹比等于1 1的混的混合加熱過程合加熱過程 這種加熱過程熱效率不高，因為壓縮比不這種加熱過程熱效率不高，因為壓縮比不能太高。一般為能太高。一般為5 59 9工程熱力學氣體動力循環(huán)定容加熱循環(huán)的計算定容加熱循環(huán)的計算t11111kkk 1t111k tk汽油易爆燃汽油易爆燃一般汽油機一般汽油機510一般柴油機效率高于汽油機的效率一般柴油機效率高于汽油機的效率但汽油機小巧但汽油機小巧2114柴油機工程熱力學氣體動力

10、循環(huán)柴油機與低速柴油柴油機與低速柴油機循環(huán)圖示機循環(huán)圖示12345pv1234pv柴油機，壓燃式柴油機，壓燃式低速柴油機，壓燃式低速柴油機，壓燃式1工程熱力學氣體動力循環(huán)定壓定壓 加熱循環(huán)加熱循環(huán) 燃燒過程，一邊燃燒，一邊膨脹，氣缸燃燒過程，一邊燃燒，一邊膨脹，氣缸內(nèi)壓力基本保持不變，相當于定壓過程內(nèi)壓力基本保持不變，相當于定壓過程工程熱力學氣體動力循環(huán)定壓加熱循環(huán)的計算定壓加熱循環(huán)的計算熱效率熱效率t111(1)kkk t1.522.5當當 不變不變t當當 不變不變t工程熱力學氣體動力循環(huán)6-2 6-2 活塞式內(nèi)燃機循環(huán)比較活塞式內(nèi)燃機循環(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象：比較的對象：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氣體動力循環(huán)和和 相同相同Ts2t11qq tvtmtp2v2m2pqqq平均溫度法平均溫度法1q3m4m123v4v3p4p工程熱力學氣體動力循環(huán)和和 相同相同Ts211tqq 1p1m1vqqq2q相等相等maxpmaxT12v342mtptmtv2p工程熱力學氣體動力循環(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,工程熱力學氣體動力循環(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年才實施年才實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回熱器回熱器1-2 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氣體動力循環(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，制冷工程熱力學氣體動力循環(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)動機航空發(fā)動機 尖峰電站尖峰電站 移動電站移動電站 大型輪船大型輪船工程熱力學氣體動力循環(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壓氣機壓氣機燃氣輪機燃氣輪機燃燒室燃燒室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）可逆過程可逆過程Combustion chamberCompressorTurbine工程熱力學氣體動力循環(huán)pvTs12341234T-s and P-v diagrams for the ideal Brayton Cycle工程熱力學氣體動

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

15、kpp 定義：定義：壓比壓比21pp111kk tktPressure ratio工程熱力學氣體動力循環(huán)勃雷登循環(huán)凈功的計算勃雷登循環(huán)凈功的計算Ts1234定義：定義： 循環(huán)增溫比循環(huán)增溫比31TT324134211111pppwcTTcTTTTTc TTTT凈1111kkkkpc T工程熱力學氣體動力循環(huán)對凈功的影響對凈功的影響Ts123431TT1111kkkkpwc T凈34當當 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 工程熱力學氣體動力循環(huán)對凈功的影響對凈功的影響Ts31TT1111kkkkpwc T凈當當 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工程熱力學氣體動力循環(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工程熱力學氣體動力循環(huán)燃氣輪機的實際循環(huán)燃氣輪機的實際循環(huán)Ts1234壓氣機：壓氣機：不可逆不可逆絕熱壓縮絕熱壓縮燃氣輪機：燃氣輪機：不可逆不可逆絕熱膨脹絕熱膨脹2421c12hhhh定義：定義：壓氣機絕熱效率壓氣機絕熱效率燃氣輪機相對內(nèi)效率燃氣輪機相對內(nèi)效率34oi34hhhh工程熱力學氣體動力循環(huán)燃氣輪機的實際循環(huán)的凈功燃氣輪機的實際循環(huán)的凈功T

17、s123424314221oi34cwhhhhhhhh凈凈功凈功吸熱量吸熱量2113312chhqhhhh21kkoptoicw 凈工程熱力學氣體動力循環(huán)燃氣輪機的實際循環(huán)的熱效率燃氣輪機的實際循環(huán)的熱效率Ts1234241111111oikckkckwq凈t熱效率熱效率工程熱力學氣體動力循環(huán)影響燃氣機實際循環(huán)熱效率的因素影響燃氣機實際循環(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氣體動力循環(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有無其有無其它途徑它途徑工程熱力學氣體動力循環(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預熱空氣，預熱空氣，回熱回熱一、一、回熱回熱Regeneration工程熱力學氣體動力循環(huán)勃雷登循環(huán)勃雷登循環(huán)回熱示意圖回熱示意圖1234壓氣機壓氣機燃氣輪機燃氣輪機燃燒室燃燒室回熱器回熱器4R2ARegenerator工程熱力學氣體動力循環(huán)回熱在回熱在Ts 圖上的表示圖上的表示213

19、4Ts4R2R2A理想回熱：理想回熱：實際回熱實際回熱:定義：定義：回熱度回熱度2222ARhhhh一般取一般取0.60.9tt1wq凈回簡2R 4R2AEffectiveness工程熱力學氣體動力循環(huán) 采用回熱可提高循環(huán)熱效率工程熱力學氣體動力循環(huán)工程熱力學氣體動力循環(huán)43123112.1)()(11TTTTTTCpTTCpqqabrt112TT43123112.1)()(11TTTTTTCpTTCpqqabpt111111.11）（TTTTrt13TT 114)1( TT1.1rt工程熱力學氣體動力循環(huán)壓氣機間冷壓氣機間冷intercooling的圖示的圖示1234燃氣輪機燃氣輪機燃燒室燃

20、燒室間冷器間冷器5壓氣機壓氣機62Intercooler工程熱力學氣體動力循環(huán)壓氣機間冷壓氣機間冷在在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ww間簡ABt1A1Bwwqq凈凈間？結(jié)論：結(jié)論：工程熱力學氣體動力循環(huán)壓氣機間冷熱效率的推導壓氣機間冷熱效率的推導ABtA1AtB1Bt1A1B1A1B1A1BtAtB1A1B1A1Bwwqqqqqqqqqqqq凈凈間當當tAtBtAtBt間tAtBtAtBt間tAtBtAtBt間工程熱力學氣體動力循環(huán)間冷回熱示意圖間冷回熱示意圖134燃氣輪機燃氣輪機燃燒室燃燒室間冷器間冷器5壓氣機壓氣

21、機62回熱器回熱器4R2RIntercoolerRegenerator工程熱力學氣體動力循環(huán)間冷回熱在間冷回熱在Ts圖上的表示圖上的表示2134Ts265tt1wq凈間+回簡4R2Rtt1wq凈間+回回ttt間+回回簡www間+回回簡結(jié)論：結(jié)論：工程熱力學氣體動力循環(huán)再熱再熱reheating示意圖示意圖1234壓氣機壓氣機燃氣輪機燃氣輪機燃燒室燃燒室1燃燒室燃燒室235Reheater工程熱力學氣體動力循環(huán)再熱在再熱在Ts圖上的表示圖上的表示213Ts344tt再簡ww再簡5結(jié)論：結(jié)論：工程熱力學氣體動力循環(huán)再熱回熱示意圖再熱回熱示意圖1234壓氣機壓氣機燃氣輪機燃氣輪機燃燒室燃燒室2回熱器回熱器燃燒室燃燒室14R2R53Reheat-regenerative cycle工程熱力學氣體動力循環(huán)再熱再熱回熱回熱在在Ts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www再+回回簡工程熱力學氣體動力循環(huán)再熱再熱+間冷間冷+回熱示意圖回熱示意圖1234壓氣機壓氣機燃氣輪機燃氣輪機燃燒室燃燒室2回熱