工程熱力學(xué)14氣體動(dòng)力循環(huán)匯總

1、14氣體動(dòng)力循環(huán)14.1 燃?xì)廨啓C(jī)裝置與定壓加熱循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置是以燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的熱動(dòng)力裝置，最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖 如圖14-1所示，由壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)三個(gè)基本部分組成。在燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中，空氣不斷地被壓氣機(jī)吸入，經(jīng)壓縮升壓后，送入燃燒室； 壓縮空氣在燃燒室中和供入的燃料在定壓下燃燒，形成高溫燃?xì)猓桓邷厝細(xì)馀c 來(lái)自燃燒室?jiàn)A層通道中的壓縮空氣混合，使混合氣體的溫度降到燃?xì)廨啓C(jī)葉片 所能承受的溫度范圍后，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的噴管；燃?xì)庠趪姽苤信蛎浖铀?，形?高速氣流，沖擊葉輪對(duì)外輸出功量；做功后的廢氣排入環(huán)境。燃?xì)廨啓C(jī)做出的 功量除一部分帶動(dòng)壓氣機(jī)外，其余部分（循環(huán)凈功）對(duì)外輸出。圖14-1簡(jiǎn)

2、單燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖1壓氣機(jī)2 燃燒室3 噴油嘴4燃?xì)廨啓C(jī)5 發(fā)電機(jī)6啟動(dòng)電動(dòng)機(jī) 7 燃料泵顯然，上述燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)是一個(gè)不可逆的開(kāi)式循環(huán)， 而且循環(huán)中工質(zhì)的成分、質(zhì)量都有變化。為了便于分析，需要把實(shí)際循環(huán)作理想化的假設(shè)： 燃燒室中噴入的燃料質(zhì)量忽略不計(jì)；忽略阻力的影響，燃燒過(guò)程壓力變化不大，可以把燃料燃燒的化學(xué)過(guò)程 假定為工質(zhì)從高溫?zé)嵩次諢崃康亩▔何鼰徇^(guò)程； 燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣壓力和壓氣機(jī)吸入的氣體壓力都非常接近大氣壓力，可以把廢氣的排放假定為 工質(zhì)向冷源放熱后，再返回到壓氣機(jī)的定壓放熱過(guò)程； 工質(zhì)在壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī) 中向外散熱很少，可以理想化為 可逆絕熱過(guò)程，即定嫡過(guò)程；工質(zhì)為理想氣體，比

3、熱容為定值。通過(guò)上述假定，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)就被簡(jiǎn)化為定量工質(zhì)完成的可逆的封閉循環(huán)。該 循環(huán)由定嫡壓縮過(guò)程（1-2）、定壓加熱過(guò)程（2-3）、定嫡膨脹過(guò)程（3-4）和定壓放熱過(guò)程（4-1）四個(gè)可逆過(guò)程組成，稱(chēng)為燃?xì)廨啓C(jī)裝置的定壓加熱理想循環(huán)，又稱(chēng)布雷頓循環(huán)，其p-v圖和T-s圖如圖14-2所示。v圖14-2理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)對(duì)組成布雷頓循環(huán)的各過(guò)程進(jìn)行能量分析計(jì)算，可以得出其熱效率如下: 吸熱量（2-3）:qH =h3 -h2 =Cp T3 -T2放熱量（4-1）:qL =1% -hi =Cp T4 -T1按照循環(huán)熱效率的定義，可得：(14-1)=_ 加=_ Cp（T4 一丁1 ）=1 _ qHCpT

4、3 -T2由于1-2以及3-4是定嫡過(guò)程，并且P3 = P2, P4 = Pi，可得,T2T3T3-T2TiT4T4 -T1P2Pi把上式代入式(14-1),可得,(14-2)從這里可以看出，燃?xì)廨啓C(jī)裝置的定壓加熱理想循環(huán)的熱效率完全取決于參數(shù)n =民，這一參數(shù)定義為循環(huán)增壓比，并隨著 n的增大而增大。 p1但是對(duì)于增壓比的選擇還必須考慮單位質(zhì)量工質(zhì)所作的凈功量的影響。燃?xì)?輪機(jī)輸出的功量Wr = h3 - h4 = Cp(l3 T4 尸 CpT3 1 -而壓氣機(jī)所消耗的功量，WC = h2 - 幾=Cp T2 - Ti= CpT1因此，循環(huán)凈功量的計(jì)算式為w =wT wC = cpT3 1

5、一- CpTi(14-3)上式表明，在一定溫度范圍T1、T3內(nèi)，循環(huán)的凈功量也完全取決于增壓 比。當(dāng)凈功量達(dá)到最大時(shí)的增壓比稱(chēng)為最佳增壓比_Hopt,其數(shù)值可以通過(guò)對(duì)(14-3)式求導(dǎo)得到,(14-4)這里定義循環(huán)增溫比J=T3。由于工質(zhì)的最高溫度T3受材料耐熱性能的T1限制，而最低溫度T1受環(huán)境大氣溫度的限制，因此最佳增壓比也必然 受到一定的限制?！纠?4.1】在如圖14-2所示的理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中，工質(zhì)為空氣，進(jìn)入壓氣機(jī)時(shí)的壓力Pi =0.1MPa , ti =20C,循環(huán)的增壓比 冗=6,循環(huán)最高溫度為 800C,假定空氣的比熱容 Cp =1.004kJ/(kg.K),K =1.4,試求

6、循環(huán)凈功量及循環(huán)熱效率解：（1）假定空氣為理想氣體,首先確定各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù),1：p1 =0.1MPa , t1RgTi287 (273 20)P10.1 106= 0.8409m3/kg2:p2 - ：p1 =6 0.1= 0.6MPa, T2 =工二, =293 61.4,1.4 = 488.9KRgT2287 488.9p20.6 106=0.2339m3/kg3:p3 = p2 =0.6MPa, t3 =800 c4:(2)RgT3287 273 800V3 =p30.6 106= 0.5133m3/kgp4 = p1 =0.1MPa ,273 800二一 61.41.4RgT4V4 一

7、287 643.1p40.1 106燃?xì)廨啓C(jī)所做功量= 643.1K,即 t4 273 = 370.1 C3=1.8457m3/kgWt =Cp t3 -t4 )=1.004 800-370.1 ：> 431.6kJ/kg壓縮機(jī)所消耗的功wC =cp t2 -t1t=1.004 1.488.9 - 273 - 20 -196.7kJ/kg因此循環(huán)凈功量w =Wt -Wc =431.6 -196.7 = 234.9kJ/kg(3)循環(huán)的吸熱量qH -Cp t3 -t2 i-1.004 800 - 488.9 -273 1 - 586.4kJ/kg循環(huán)熱效率234.9=0.4006qH586

8、.4熱效率也可以用式（14-2）直接計(jì)算得到，兩者的計(jì)算結(jié)果一致。14.2 燃?xì)廨啓C(jī)裝置的實(shí)際循環(huán)因流經(jīng)葉輪式壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的流體流速很高，各種摩擦（流體之間、流 體與通道問(wèn)）不能忽略，考慮實(shí)際的膨脹壓縮不可逆損失，需引入如下修正：壓氣機(jī)的絕熱效率V- wc,s_h2-幾 T2- T1c，s F=h2-hi=T2-Ti 燃?xì)廨啓C(jī)的相對(duì)內(nèi)效率wTh3-h4T3- T4T = 二-' 二 wTh3-h4T3-T4則燃?xì)廨啓C(jī)裝置實(shí)際輸出凈功,1w = Wt - Wc = T h3 - h4nc,s實(shí)際吸熱量1 ,、q1 = h3 -2 =h3 fhi 二、(h2 - hi) c,sqi1

9、一T h3 - h4 -(h2 - 兒)c,s，1 ,，、h3 - h1 - (h2 - %)c,s_ _1 _T T3 -T4 - - (T2-T1)c,s1T3-T1 -(T2 -T1)c,snTJI父c,s-11士 一二-1c實(shí)際循環(huán)的熱效率討論：循環(huán)增溫比IT。：，工受限于環(huán)境，故盡量使T3 ,可考慮用陶瓷取代 金屬作為發(fā)動(dòng)機(jī)材料，但須克服其脆性，正研制功能梯度材料。當(dāng)馬，s， 一定，隨n變化有一極大值。 二,s , nT t* ,目前 ncs Q.80 -0.90, 0.85-0.92以上討論均為改進(jìn)熱力學(xué)參數(shù)以提高熱效率，還可以從改進(jìn)循環(huán)結(jié)構(gòu)入手，即:采用回?zé)?，并在此基礎(chǔ)上的多級(jí)壓

10、縮，中間冷卻和多級(jí)膨脹，中間再熱。14.3 具有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)、回?zé)釟怏w工質(zhì)在燃?xì)廨啓C(jī)中膨脹做功后的溫度T4還較高，為減少直接排放的損失，可用于壓氣機(jī)壓縮后的空氣預(yù)熱。這種回?zé)岬臉O限：壓縮空氣溫度上升到 T5=T4,排氣溫度下降到丁6=丁2。極限回?zé)崾遣豢赡苓_(dá)到的，因燃?xì)馀c空氣的換熱需要一定的溫差。 實(shí)際的回?zé)岢潭确Q(chēng)為回?zé)岫萠h7 - h2T7 - 丁2XJ =h5 - h2T5 - T2通常二- =0.5 0.7顯然，回?zé)崽岣吡宋鼰崞骄鶞囟?，降低了放熱平均溫度，熱效率得以提高。但這種回?zé)嶂荒芤訲4為上限，T2為下限。若想進(jìn)一步提高熱效率，須使壓縮后空氣溫度下降，膨脹后的燃?xì)鉁囟壬仙?/p>

11、以進(jìn)一步提高吸熱平均溫度，降低放熱平均溫度。這可通過(guò)：多級(jí)壓縮，中間冷卻 和 多級(jí)膨脹，中間再熱 實(shí) 現(xiàn)。14.4 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)利用高溫燃?xì)庠趪姽苤信蛎浖铀?，形成的高速氣流向外噴?所產(chǎn)生的反作用力來(lái)推動(dòng)物體向前運(yùn)動(dòng)。噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，采用燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)作為其運(yùn)行基礎(chǔ)，如圖14-3所示。然而與燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)不同的是，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程都 是分為兩部分進(jìn)行：空氣首先在入口的擴(kuò)壓管內(nèi)增壓后，再進(jìn)入壓縮機(jī) 內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的壓縮；在燃燒室中燃 燒后產(chǎn)生的高溫燃?xì)馐紫冗M(jìn)入燃?xì)?輪機(jī)膨脹做功，通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功 的大小應(yīng)該恰好能夠提供驅(qū)動(dòng)壓縮 機(jī)所需的動(dòng)力，經(jīng)過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)的氣體圖14-3噴

12、氣式發(fā)動(dòng)機(jī)原理示意圖通過(guò)尾噴管膨脹加速來(lái)獲得足夠動(dòng)能，推動(dòng)飛行器飛行。假設(shè)燃料的質(zhì)量忽略 不計(jì)，有興趣的同學(xué)可以試著用如下噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力循環(huán)的p-v圖與T-s圖,計(jì)算出它的凈推力。圖14-4噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、功率大。當(dāng)高速飛行時(shí), 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率隨著速度的增加而增大，因此噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于飛機(jī)和火箭 等高速飛行的飛行器上。（空天飛機(jī)-沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介）14.5往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán)往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)經(jīng)吸氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣諸過(guò)程，完成一個(gè)工作循環(huán)，這些都是在一個(gè)帶有活塞的氣缸中進(jìn)行,因此結(jié)構(gòu)緊湊、被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸中。按照使用的燃料不同，活塞式

13、內(nèi)燃機(jī)可分為汽 油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)等；按照燃料的點(diǎn)火方式不同，又可分為點(diǎn)燃式和壓燃式。汽油機(jī)和煤氣機(jī)是點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)，吸入的燃料和空氣的混合物，經(jīng) 壓縮后被電火花點(diǎn)燃；柴油機(jī)是壓燃式內(nèi)燃機(jī)，空 氣經(jīng)壓縮至溫度升高到燃料的自燃溫度后，噴入燃 料使其自燃。下面以四沖程柴油機(jī)為例，說(shuō)明內(nèi)燃機(jī)的工作 原理。通過(guò)示功器記錄的四沖程柴油機(jī)實(shí)際循環(huán)的 pV關(guān)系示于圖14-5中。0-1線為吸氣沖程，進(jìn)氣圖14-5柴油機(jī)循環(huán)閥開(kāi)啟，活塞從左止點(diǎn)右行到右止點(diǎn)，由于閥門(mén)的節(jié)流作用，進(jìn)入氣缸的空氣 壓力略低于大氣壓。1-2為壓縮沖程，進(jìn)氣閥關(guān)閉，活塞自右止點(diǎn)返行到左止點(diǎn) 附近，消耗外功，壓縮氣體，氣體的壓力升高，壓縮

14、終了時(shí)，氣體溫度超過(guò)燃料的自燃溫度。2-3-4為燃燒過(guò)程，壓縮終了前，一部分燃料預(yù)先通過(guò)高壓油泵 噴入氣缸，并迅猛燃燒，此時(shí)，活塞在左止點(diǎn)附近，位置變化很小，可近似為 定容燃燒，燃?xì)鈮毫E增（2-3）;隨后，噴入的燃料繼續(xù)燃燒，活塞向右移動(dòng)， 壓力幾乎維持不變（3-4）。4-5為膨脹沖程，氣缸內(nèi)高溫高壓氣體膨脹做功，活 塞自左向右移動(dòng)。5-6-0為排氣沖程，此時(shí)活塞移至右止點(diǎn)附近，排氣閥開(kāi)啟， 排除部分廢氣，氣缸內(nèi)壓力驟降至略高于大氣壓（5-6）;活塞向左返行，將剩余 廢氣排出（6-0）。這樣活塞往返兩次（四個(gè)沖程）完成一個(gè)循環(huán)。實(shí)際的循環(huán)是一個(gè)開(kāi)式的不可逆循環(huán)，為了便于理論分析，需要忽略次要

15、因素，對(duì)實(shí)際循環(huán)進(jìn)行合理的 抽象和假定： 忽略實(shí)際過(guò)程的摩擦阻力以及進(jìn)氣閥和排氣閥的節(jié)流損失，假定進(jìn)氣壓和排 氣壓都等于大氣壓，因此進(jìn)氣所得的推進(jìn)功與排氣所耗的推進(jìn)功相互抵消，即圖14-5中的0-1線和6-0線重合，這樣就把一個(gè)開(kāi)式循環(huán)理想化為閉式循 環(huán)； 燃料燃燒過(guò)程可以簡(jiǎn)化為從高溫?zé)嵩次諢崃康目赡孢^(guò)程，2-3是定容加熱過(guò)程，3-4為定壓加熱過(guò)程； 在壓縮和膨脹過(guò)程中，忽略工質(zhì)與氣缸之間的熱交換和內(nèi)摩擦，假定 1-2為 定嫡壓縮過(guò)程，4-5為定嫡膨脹過(guò)程；用活塞在右止點(diǎn)位置的定容放熱過(guò)程代替排氣過(guò)程 5-6; 工質(zhì)為理想氣體，且比熱容為常數(shù)。圖14-6混合加熱循環(huán)經(jīng)過(guò)上述假定，就得到了圖1

16、4-6所示的理想循環(huán)，這是一個(gè)封閉的可逆循 環(huán)。由于加熱過(guò)程由定容加熱過(guò)程 2-3和定壓加熱過(guò)程3-4兩個(gè)部分組成，因此 循環(huán)123451稱(chēng)為混合加熱理想循環(huán)一又松.薩巴德循環(huán)混合加熱循環(huán)的吸熱量qH是定容吸熱量qHv和定壓吸熱量qHp之和：qH Fhv qHp =Cv T3 -T2 Cp T4 -T3循環(huán)放熱量為定容放熱過(guò)程 5-1中放出的熱量：qL =cvT5 -T1t =1 一 qL =1 一qHCv T5 -1因此，混合加熱循環(huán)的熱效率表示為:CvT3-T2 -CpT4-T3T3-T2T4-T3在分析氣體動(dòng)力循環(huán)時(shí)，通常引入一些反映循環(huán)特性的參數(shù)。混合加熱循環(huán)的 特性參數(shù)有壓縮比6 =

17、 Vl、定容升壓比九=P3和定壓預(yù)脹比P=V4V2P2V3對(duì)于定嫡壓縮過(guò)程1-2,有，1T2 =T15=丁聲父（B）<v2 ）對(duì)于定容加熱過(guò)程2-3,丁3=丁2九=丁1雙 0（C）對(duì)于定壓加熱過(guò)程3-4,T4 =T3 P =T1 九（D）由于V5 =v1，V3 = V2 ,對(duì)于定嫡膨脹過(guò)程4-5,有，丁5=丁4" G 旦=T4 V=丁4=邛#及（E）<V5 ）VV1 ） IV1/V2J把以上各溫度熱效率公式（A）,可得，(14-5)“' -1t = 1 _一 一1；了 1 1分析上式，可得：混合加熱循環(huán)的熱效率隨壓縮比6和定容升壓比九的增大而增 大，隨著定壓預(yù)脹比

18、P的增大而減小早期的低速柴油機(jī) 在壓縮終了時(shí)用高壓空氣將柴油噴入氣缸，隨噴隨 燃，此時(shí)活塞已經(jīng)向右移動(dòng)，氣缸內(nèi)的壓力基本保持不變。這種循環(huán)可以理想 化為定壓加熱的理想循環(huán)，又稱(chēng)笛塞爾循環(huán).。如圖14-7所示，笛塞爾循環(huán) 由定嫡壓縮過(guò)程1-2、定壓加熱過(guò)程2-3、定嫡膨脹過(guò)程3-4和定容放熱過(guò)程4-1 組成。定壓加熱循環(huán)可以看作混合加熱循環(huán)的一個(gè)特例，即定容升壓比九=1,由混合加熱循環(huán)的效率（14-5）式，可得定壓加熱循環(huán) 的熱效率為：'_ 1t =1 -(14-6)J，。-1圖14-7定壓加熱理想循環(huán)圖14-8定容加熱循環(huán)點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)（汽油機(jī)、煤氣機(jī)）壓縮的是燃料和空氣的可燃混合物。壓 縮終了時(shí)，活塞處于左止點(diǎn)處，火花塞產(chǎn)生火花點(diǎn)燃可燃混合物，由于燃燒迅速，此時(shí)活塞位移極小，近似在定容情況下燃燒，因此可按定容加熱理想循1-2、環(huán)（又稱(chēng)奧托循環(huán)）來(lái)分析。如圖14-8所示，該循環(huán)由定嫡壓縮過(guò)程 定容加熱過(guò)程2-3、定嫡膨脹過(guò)程3-4和定容放熱過(guò)程4-1組成。定容加熱循環(huán)可以看作混合加熱循環(huán)在定壓預(yù)脹比P = 1時(shí)的特例，因此由式（14-5）可得定容加熱循環(huán)的熱效率為:(14-7)t=T由上式可以得到，定容加熱理想循環(huán)的熱效率