工程熱力學(xué)講義第十章

1、1第十章第十章 氣體的動(dòng)力循環(huán)氣體的動(dòng)力循環(huán) - Gas power cycles2101 分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法一一.分析動(dòng)力循環(huán)的目的分析動(dòng)力循環(huán)的目的 在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上分析循環(huán)能量轉(zhuǎn)化的 經(jīng)濟(jì)性，尋求提高經(jīng)濟(jì)性的方向及途徑。二二.分析動(dòng)力循環(huán)的一般步驟分析動(dòng)力循環(huán)的一般步驟 1）實(shí)際循環(huán)（復(fù)雜不可逆）抽象、簡(jiǎn)化可逆理論循環(huán)分析可逆循環(huán)影響經(jīng)濟(jì)性的主要因素和可能改進(jìn)途徑實(shí)際循環(huán)指導(dǎo)改善2）分析實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的偏離程度，找出實(shí)際 損失的部位、大小、原因及改進(jìn)辦法。3三三.分析動(dòng)力循環(huán)的方法分析動(dòng)力循環(huán)的方法1）第一定律分析法）第一定律分析法以第一定律為基礎(chǔ)，

2、以能 量的數(shù)量守恒為立足點(diǎn)。2）第二定律分析法）第二定律分析法綜合第一定律和第二定律 從能量的數(shù)量和質(zhì)量分析。熵分析法熵分析法用分析法用分析法熵產(chǎn)作功能力損失用損用效率4四四.空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)(the air-standard hypothesis)氣體動(dòng)力循環(huán)中工作流體理想氣體空氣定比熱燃燒和排氣過(guò)程吸熱和放熱過(guò)程燃料燃燒造成各部分氣體成分及質(zhì)量改變忽略不計(jì)TsT1T0WnetWcWnet,act五、五、 內(nèi)部熱效率內(nèi)部熱效率(internal thermal efficiency ) i不可逆過(guò)程中實(shí)際作功量和循環(huán)加熱量之比。5101TTccto以燃?xì)鉃楦邷責(zé)嵩矗h(huán)境為低溫?zé)嵩磿r(shí)卡

3、諾循環(huán)的熱效率。net1twq與實(shí)際循環(huán)相當(dāng)?shù)膬?nèi)可逆循環(huán)的熱效率。相對(duì)熱效率(relative thermal efficiency)， 反映該內(nèi)部可逆循環(huán)因與高、低溫?zé)嵩?存在溫差（外部不可逆）而造成的損失。net,netactTww相對(duì)內(nèi)部效率(internal engine efficiency) 反映內(nèi)部摩擦引起的損失。,111,1net actnet actnet actnetnetcinetnetcnet actiTtTocwwwwwwqwqwwqwq 6102 活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡(jiǎn)化活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡(jiǎn)化一一.活塞式內(nèi)燃機(jī)活塞式內(nèi)燃機(jī)(internal combustio

4、n engine)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介分類分類： 按燃料：煤氣機(jī)(gas engine)、汽油機(jī)(gasoline engine; petrol engine)、柴油機(jī)(diesel engine) 按點(diǎn)火方式：點(diǎn)燃式(spark ignition engine)、壓燃式 (compression ignition engine) 按沖程：二沖程(two-stroke )、四沖程(four-stroke )7活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)特點(diǎn)活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)特點(diǎn)： 開(kāi)式開(kāi)式循環(huán)(open cycle)； 燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為不可逆不可逆； 各環(huán)節(jié)中工質(zhì)質(zhì)量、成分稍有變化質(zhì)量、成分稍有變化。8hnetVWME

5、P 二、平均有效壓力二、平均有效壓力- mean effective pressure循環(huán)凈功與活塞排量的比值。9三三.活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡(jiǎn)化活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡(jiǎn)化汽油機(jī)1001 吸氣 12 壓縮 23 噴油、燃燒 34 燃燒 45 膨脹作功 50 排氣簡(jiǎn)化：引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)燃燒燃燒2-3等容吸熱+3-4定壓吸熱排氣排氣5-1等容放熱壓縮、膨脹壓縮、膨脹1-2及4-5等熵過(guò)程吸、排氣線吸、排氣線重合、忽略燃油質(zhì)量燃油質(zhì)量忽略燃?xì)獬煞指淖內(nèi)細(xì)獬煞指淖兒雎圆裼蜋C(jī)11103 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)一一.混合加熱理想循環(huán)混合加熱理想循環(huán)（dual combustion cycle

6、） 1.p-v圖及圖及T-s圖圖12 等熵壓縮；23 等容吸熱； 34 定壓吸熱；45 等熵膨脹； 51 定容放熱特性參數(shù)特性參數(shù)：12vv32pp43vv壓縮比compression ratio定容增壓比pressure ratio定壓預(yù)脹比 cutoff ratio注意：21pp122.循環(huán)熱效率循環(huán)熱效率net1twqnetnet12wqqq342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV3423151211TTTTTTqqt13t表示、利用111211221TvvTT有13321223pTTTp有14431334vTTTv有151515ppTT 有1444552211vp

7、vpvpvp因兩式相除，考慮到325134vvvvpp5344412323pppvvppvpv11111t 5511pTTp51TT3423151TTTTTTt把T2、T3、T4和T5代入求15pp15討論討論：)a) c歸納歸納：a.吸熱前壓縮氣體，提高平均吸熱溫度是提高熱吸熱前壓縮氣體，提高平均吸熱溫度是提高熱 效率的重要措施，是卡諾循環(huán)，第二定律對(duì)實(shí)效率的重要措施，是卡諾循環(huán)，第二定律對(duì)實(shí) 際循環(huán)的指導(dǎo)際循環(huán)的指導(dǎo)。 b.利用利用T-s圖分析循環(huán)較方便。圖分析循環(huán)較方便。 c.同時(shí)考慮同時(shí)考慮q1和和q2或或T1m和和T2m平均。平均。)bttt11111t 16二二.定壓加熱理想循環(huán)定

8、壓加熱理想循環(huán)Diesel cycle121qqt23141TTTTt11111t142TTcqV231TTcqp11111t 2321vvvv17討論：net)tawnet)tbwC) 重負(fù)荷（，q1 ）時(shí) 內(nèi)部熱效率下降，除 外還有因溫度上升而使 ，造成熱效率下降。18三三.定容加熱理想循環(huán)定容加熱理想循環(huán)Otto cycle2321ppvv19231TTcqV111111111t 142TTcqV23141211TTTTqqt2321ppvv20討論：ta)net);tbw不變，但C) 重負(fù)荷（q1 ）時(shí)內(nèi)部熱效率下降，因溫度上升使 ，造成熱效率下降。21已知某柴油機(jī)混合加熱理想循環(huán)p1

9、=0.17 MPa、t1=60，壓縮比=14.5，氣缸中氣體最大壓力10.3 Mpa，循環(huán)加熱量q1=900kJ/kg。設(shè)其工質(zhì)為空氣，比熱容為定值并取cp=1004 J/（kg.K），cV=718 J/（kg.K），=1.4；環(huán)境溫度t0=20，壓力p0=0.1 Mpa。試分析該循環(huán)并求循環(huán)熱效率及傭效率。 解： 由已知條件： p1=0.17 kPa、T1=333.15 K 點(diǎn)1： kgmPaKKkgJpTRvg/562. 01017. 015.333)/(28736111點(diǎn)2： kgmkgmvv/0387. 05 .14/562. 03312221-2是定熵過(guò)程，有 MPaMPapvvpp

10、kk18. 75 .1417. 04 . 112112KKkgJkgmPaRvpTg968)./(287/0387. 01018. 736222點(diǎn)3： MPap3 .103kgmvv/0387. 0323KKkgJkgmPaRvpTg1389)./(287/0387. 0103 .103633343. 118. 73 .1023MPaMPappkgkJKKKkgkJTTcqVV/302)9681389()./(718. 0)(231kgkJkgkJkgkJqqqVp/598/302/90011123點(diǎn)4： 34pp =10.3 Mpa，)(341TTcqpp所以 KKkgkJkgkJKcqTT

11、pp1985)./(004. 1/5981389134kgmPaKKkgJpTRvg/055. 0103 .101985)/(28736444點(diǎn)5： kgmvv/562. 0315MPakgmkgmMPavvppk398. 0/562. 0/055. 03 .104 . 1335445KKkgJkgmPaRvpTg779)./(287/562. 010398. 036555kgkJKKKkgkJTTcqV/320)333779()./(718. 0)(15224kgkJkgkJkgkJqqwnet/580/320/90021639. 0) 142. 1 (43. 14 . 1) 143. 1

12、(5 .14142. 143. 11) 1() 1(1114 . 14 . 11kkkt或644. 0/900/5801kgkJkgkJqwnett在吸熱過(guò)程中空氣熵增為 )./(6174. 018. 73 .10ln)./(287. 09681985ln)./(004. 1lnln242424KkgkJMPaMPaKkgkJKKKkgkJppRTTcsgp25kgkJkgkJKKqTTemQx/1 .719/900)6 .145715.2931 ()1 (110,所以平均吸熱溫度為 KKkgkJkgkJsqTm6 .1457)./(6174. 0/9002411循環(huán)吸熱量中的可用能： 循環(huán)火

13、用效率 806. 0/1 .719/580,kgkJkgkJewQxnetex26104 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)比較一一.壓縮比相同，吸熱量相同時(shí)的比較壓縮比相同，吸熱量相同時(shí)的比較111vmpqqq或pmvTTT222pmvqqq222tvtmtppmvTTT11127二二.循環(huán)循環(huán)pmax，Tmax相同時(shí)的比較相同時(shí)的比較222pmvqqq或vmpTTT222vmpqqq221tptmtvvmpTTT11128（*）若使活塞式內(nèi)燃機(jī)按卡諾循環(huán)運(yùn)行，并設(shè)其溫度界限與下圖所示混合循環(huán)相同，試從工程實(shí)踐角度比較兩個(gè)循環(huán)，已知： p1=0.17MPa，

14、T1=333k，p4=10.3MPa， T4=1985k，v2=0.0387m3/kg29kgmpTRvaaga3600648. 0109 .871985287解：kgmpTRvg36111562. 01017. 0333287KTTa19854MPaTTppaa9 .87333198517. 014 . 14 . 1111KTTb3331MPaTTppbb0199. 019853333 .1014 . 14 . 1144kgmpTRvbbgb3680. 4100199. 0333287%2 .83198533311abcTT30從工程實(shí)用角度出發(fā)： 1）pa=87.9MPa，壓力太高； 2）

15、pb=0.0199MPa，壓力太低，真空狀態(tài)難以維持；5 .140387. 0562. 07 .74000648. 08 . 421323133vvkgmvkgmvvvkgmvkgmvabab體積變化過(guò)大3）4）活塞從ab移動(dòng)距離太長(zhǎng)，摩擦損耗太大，所以雖然 每循環(huán)理論wnet增大，但實(shí)際收效甚少。3110-6 燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)一一.燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine)裝置簡(jiǎn)介裝置簡(jiǎn)介3233構(gòu)成：構(gòu)成： 壓氣機(jī)壓氣機(jī)(compressor) 燃燒室燃燒室(combustion chamber) 燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine)特點(diǎn)特點(diǎn)： 1.開(kāi)式循環(huán)開(kāi)式循環(huán)(

16、open cycle)，工質(zhì)流動(dòng) 2.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，連續(xù)輸出功 3.啟動(dòng)快啟動(dòng)快，達(dá)滿負(fù)荷快 4.壓氣機(jī)消耗了燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生功率 的絕大部分，但重量功率比重量功率比 (specific weight of engine)仍較大仍較大用途用途：飛機(jī)、艦船的動(dòng)力載荷機(jī)組，電站峰荷機(jī)組(peak-load set)，等。34二二.定壓加熱理想循環(huán)定壓加熱理想循環(huán) constant-pressure combustion cycle; Brayton cycle1-2 等熵壓縮（壓氣機(jī)內(nèi)）2-3 定壓吸熱（燃燒室內(nèi)）3-4 等熵膨脹（燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)）4-1 定壓放熱（排氣，假想換熱器）21pp循環(huán)增壓比

17、pressure ratio 循環(huán)增溫比temperature ratio31TTt35三三.定壓加熱理想循環(huán)分析定壓加熱理想循環(huán)分析1.熱效率熱效率t232323132TTcTTchhqpttpm1212113434ppTTppTT2314pppp2134TTTT212314TTTTTT121111TTt注意：式中注意：式中T1，T2并非指高溫并非指高溫 熱源，低溫?zé)嵩礋嵩?，低溫?zé)嵩础?41414241TTcTTchhqpttpm23141211TTTTqqt362.分析分析無(wú)關(guān)與3)Tatt1net)tbqw一定不變121111tTT ？37netmax) cwwt一定， 取某值net12

18、wqq21netnetnet,max0,wwwdt令時(shí) 1423TTTTcp111111tTcp2,max1(1)netpwc Tt38net)dwt與 及 的關(guān)系可見(jiàn)： 1）對(duì)于每一，均有其wnet,max 。2）上升，即T3上升，使取得wnet,max 的 上升，t上 升，所以提高T3 能帶動(dòng) wnet,max 及t同時(shí)升高。2,max1(1)netpwc Tt,max2(1)netkkwt39107 燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實(shí)際循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實(shí)際循環(huán)一一.定壓加熱的實(shí)際循環(huán)定壓加熱的實(shí)際循環(huán) 1-2 不可逆絕熱壓縮； 2-3 定壓吸熱； 3-4 不可逆絕熱膨脹； 4-1 定壓放熱。

19、40二二.壓氣機(jī)絕熱效率壓氣機(jī)絕熱效率(adiabatic compressor efficiency) CS 和燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率和燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率(adiabatic turbine efficiency)TCS21CSC21sawhhwhhC21CS1swhh2121CS1ashhhh,34,34t TaTt Tswhhwhh,34t TTswhh4334Tsahhhh41三三. 燃?xì)廨啓C(jī)裝置的內(nèi)部熱效率燃?xì)廨啓C(jī)裝置的內(nèi)部熱效率 (internal thermal efficiency)inet1iwq 整理后可得：net,34211t TcTsscswwwhhhh12132311hh

20、hhhhqscs13421CSCS31211CSCS111111Toissishhhhhhhhtt4213421CSCS31211CSCS111111Toissishhhhhhhhtt討論討論：CCSCS)0.850.920.850.90iTTiTatS除 、 外 還與、有關(guān)，目前，ibt,)一定時(shí)，但有極值ic,)增大增大是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能（是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能（wnet，i）的方向。）的方向。43108 提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)熱效率的措施提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)熱效率的措施一一.回?zé)峄責(zé)醨egeneration 討論討論182731) 1TTcqTTcqpp回回ttTTqq回回回回回121

21、2,112）極限回?zé)幔O限回?zé)?62531TTcqTTcqpp回回443）回?zé)岫龋┗責(zé)岫萺egenerator effectiveness 64842527hhhhhhhh量理論上極限可利用的熱實(shí)際回?zé)崂玫臒崃孔⒁猓鹤⒁猓哼_(dá)一定值，回?zé)岵荒苓M(jìn)行達(dá)一定值，回?zé)岵荒苓M(jìn)行4）實(shí)際循環(huán)的回?zé)幔?shí)際循環(huán)的回?zé)?5分級(jí)壓縮，中間冷卻分級(jí)壓縮，中間冷卻multistage compression and intervening cooling 46二二. 分級(jí)壓縮，中間冷卻分級(jí)壓縮，中間冷卻采用分級(jí)壓縮，中間冷卻后t？循環(huán)12341：111t循環(huán)1567341：循環(huán)12341循環(huán)67256循環(huán)67256：

22、tt1111123411567341tt回?zé)峄A(chǔ)上分級(jí)壓縮中間冷卻net,1567341net,12341ww回?zé)峄A(chǔ)上回?zé)峄A(chǔ)上12341, 11567341, 1qq12341,1567341,tt47三三.回?zé)峄A(chǔ)上分級(jí)膨脹，中間加熱回?zé)峄A(chǔ)上分級(jí)膨脹，中間加熱循環(huán)12389101 =循環(huán)127101-循環(huán)37983若無(wú)回?zé)?27101,12341,tt若回?zé)?循環(huán)12389101與循環(huán)12341 比較T1m上升，T2m下降12389101,12341tt注意：注意： 當(dāng)分級(jí)壓縮中間冷卻；分級(jí)當(dāng)分級(jí)壓縮中間冷卻；分級(jí) 膨脹中間再熱，級(jí)數(shù)趨向膨脹中間再熱，級(jí)數(shù)趨向無(wú)窮無(wú)窮 多多時(shí)，定壓加熱

23、理想循環(huán)趨于概括性卡諾循環(huán)。時(shí)，定壓加熱理想循環(huán)趨于概括性卡諾循環(huán)。127101,2389101,tt,2389101,12341tt48氣體動(dòng)力循環(huán)熱效率分析歸納氣體動(dòng)力循環(huán)熱效率分析歸納： 基礎(chǔ)基礎(chǔ)：net22111111LthwqTTqqTT 方法方法： 在T-s圖上疊加、拆分等； 在T-s圖上與同溫限卡諾循環(huán)比較； 利用t=f(x,y,z)的數(shù)學(xué)特性。49 某燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)，循環(huán)增壓比=7，增溫比=4，壓氣機(jī)吸入空氣壓力p1=0.8MPa，t1=17c。壓氣機(jī)絕熱效率cs=0.90，燃機(jī)輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率T=0.92，若空氣取定比熱，其cp=1.03kJ/kgK，Rg=0.287

24、 kJ/kgK，=1.3863求：1）裝置內(nèi)部熱效率 i，循環(huán)吸熱量q1和放熱量q2； 2）壓氣機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)中的不可逆損失； 3）裝置每一循環(huán)的可用能損失。501）MPapp6 . 58 . 0712KTTTTcs95.52190. 029076.498290121 21111212TppTTK76.49872903868. 113868. 1KTT1160429013tKTppTT48.67471116013868. 113868. 11313434KTTTTT32.71348.674116092. 01160433 451kgkJTTcqp02.43629032.71303. 11 42k

25、Jqwinet14.22119.6573365. 012）壓氣機(jī)內(nèi)空氣gfssss1 2 sf=02 22212121 21 2ln04685. 07ln287. 029095.521ln03. 1lnlnTTcssssorKkgkJppRTTcspgpgkgkJTTcqp19.65795.521116003. 1 231%65.3319.65702.4361112qqi52燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)gfssss3 4Sf=0KkgkJTTcssspg05767. 048.67432.713ln03. 1ln4 4 4443kgkJsTIkgkJsTIgg72.1605767. 029058.1304685. 02