大一學(xué)年化工專業(yè)課件氣體動力循環(huán)配套.

1、2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)19- -1 活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)9- -2 燃氣輪機裝置循環(huán)燃氣輪機裝置循環(huán)9- -3 增壓內(nèi)燃機及其循環(huán)增壓內(nèi)燃機及其循環(huán)9- -4 自由活塞燃氣輪機裝置及其循環(huán)自由活塞燃氣輪機裝置及其循環(huán)9- -5 噴氣式發(fā)動機及其循環(huán)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)活塞式熱氣發(fā)動機及其循環(huán)2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)2 實際循環(huán)：實際循環(huán)： 0- -1 進氣過程進氣過程 1- -2 壓縮過程壓縮過程 2- -3- -4 燃燒過程燃燒過程 4- -5 膨脹膨脹( (作功作功) )過程過程 5- -1 自由

2、排氣過程自由排氣過程強制排氣過程強制排氣過程 一、混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）一、混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)3 理想化：理想化： 1. 熱力過程的理想化熱力過程的理想化 進氣過程進氣過程0- -1定定壓線壓線 壓縮過程壓縮過程1- -2定熵壓縮定熵壓縮 燃燒過程燃燒過程2- -3定容加熱定容加熱3- -4定定壓加熱（外熱源加熱）壓加熱（外熱源加熱） 膨脹過程膨脹過程4- -5定定熵膨脹熵膨脹 排氣過程排氣過程5- -1定容放熱定容放熱1- -0定壓線定壓線 2. 工工質(zhì)以理想氣體對待質(zhì)以理想氣體對待2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)4 3. 開口系統(tǒng)

3、簡化為閉口系統(tǒng)（進排氣功近似相等，相互抵消）開口系統(tǒng)簡化為閉口系統(tǒng)（進排氣功近似相等，相互抵消）得到如下理論循環(huán)。得到如下理論循環(huán)。)()()(1340230150112tTTcTTcTTcqqqpVV 混合加熱循環(huán)的熱效率：混合加熱循環(huán)的熱效率：2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)5利用內(nèi)燃機的特性參數(shù)來表示熱效率：利用內(nèi)燃機的特性參數(shù)來表示熱效率： 壓縮比：壓縮比：21vv壓力升高比：壓力升高比：112112112TTvvTT23pp1-2為絕熱過程為絕熱過程2-3為定容過程為定容過程3-4為定壓過程為定壓過程11232323TTTppTT預(yù)脹比：預(yù)脹比：34vv4-5為絕熱過程為絕熱

4、過程11343434TTTvvTT11213411415445vvvvvvvvTT1111145TTTT2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)6將各點溫度與特性參數(shù)的關(guān)系代入熱效率表達式，得到將各點溫度與特性參數(shù)的關(guān)系代入熱效率表達式，得到) 1() 1(1111tt const, const,t, const,可見：可見：。；2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)7混合加熱循環(huán)的循環(huán)凈功：混合加熱循環(huán)的循環(huán)凈功：)()()()(1503402302110TTcTTcTTcqqqwppV 利用循環(huán)中各狀態(tài)間的參數(shù)關(guān)系，可以得到利用循環(huán)中各狀態(tài)間的參數(shù)關(guān)系，可以得到)1()1() 1(110

5、0TcwV)1()1() 1(1111vp0 , ,w可見：可見：。2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)8二、定容加熱循環(huán)和定壓加熱循環(huán)二、定容加熱循環(huán)和定壓加熱循環(huán)定容加熱循環(huán)（奧圖循環(huán)）定容加熱循環(huán)（奧圖循環(huán)） 特點：特點：1，為混合加熱循環(huán)的一個特例，將，為混合加熱循環(huán)的一個特例，將1代入混合加代入混合加熱循環(huán)的熱效率及循環(huán)凈功的表達式，即分別有熱循環(huán)的熱效率及循環(huán)凈功的表達式，即分別有1t11t可見：可見：) 1)(1(11110vpw0 ,w。；2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)9定壓加熱循環(huán)（笛塞爾循環(huán)）定壓加熱循環(huán)（笛塞爾循環(huán)） 特點：特點：1，為混合加熱循環(huán)的一個特例

6、，將，為混合加熱循環(huán)的一個特例，將1代入混合加代入混合加熱循環(huán)熱效率及循環(huán)凈功的表達式，即分別有熱循環(huán)熱效率及循環(huán)凈功的表達式，即分別有t,可見：可見：0 ,w) 1(1111t)1()1(11110vpw；。2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)10三、活塞式內(nèi)燃機各種理想循環(huán)的比較三、活塞式內(nèi)燃機各種理想循環(huán)的比較 壓縮比相同、放熱量相同壓縮比相同、放熱量相同 最高壓力相同、最高溫度相同最高壓力相同、最高溫度相同pVTTT, 1m1m, 1mpVTTT, 2m2m, 2m1m2m12t11TTqqpV, tt, tVpTTT, 1m1m, 1mpVTTT, 2m2m, 2m1m2m12t

7、11TTqqVp, tt, t2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)11一、定壓加熱燃氣輪機循環(huán)一、定壓加熱燃氣輪機循環(huán) 燃氣輪機裝置循環(huán)（勃雷登循環(huán)）的組燃氣輪機裝置循環(huán)（勃雷登循環(huán)）的組成：成： 絕熱壓縮過程（壓氣機）絕熱壓縮過程（壓氣機） 定壓加熱過程（燃燒室、加熱器）定壓加熱過程（燃燒室、加熱器） 絕熱膨脹過程（燃氣輪機、氣輪機）絕熱膨脹過程（燃氣輪機、氣輪機） 定壓放熱過程（大氣、冷卻器）定壓放熱過程（大氣、冷卻器）2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)12 增壓比增壓比=p2/p1 最高溫最高溫度度T3 升溫比升溫比= T3/T1/ )1(43/ )1(43/ )1(1212T

8、TppppTT)(230231TTchhqp)(140142TTchhqp111)()(1123214123014012tTTTTTTTTcTTcqqpp參數(shù)關(guān)系：參數(shù)關(guān)系：循環(huán)加熱量：循環(huán)加熱量：循環(huán)放熱量：循環(huán)放熱量：循環(huán)熱效率循環(huán)熱效率：2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)13整理上式，有整理上式，有/ )1(t11可見，可見，熱效率熱效率。 功量功量燃氣輪機軸功：燃氣輪機軸功：壓氣機耗功：壓氣機耗功：)()(43043TsTTchhwp)()(12012csTTchhwpcsTs0)()(www111/ )1(1/ )1(30TTcp循環(huán)凈功有極大值。循環(huán)凈功有極大值。當當/ )1

9、(031max,TTw所以所以2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)14 壓壓氣機耗功：氣機耗功：燃氣輪機軸功：燃氣輪機軸功：shhwc,12cs)()()(43TTshhw循環(huán)熱效率：循環(huán)熱效率：1csTs10t)()(qwwqwsppsppTTcTTcTTcTTcc,120130c,120T4301)()(1)()(ssc,/ )1(c,T/ )1(t1111因因所以有所以有/ )1(4312TTTT2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)15t3)(T 當當 、 、 一定時，隨著增壓比一定時，隨著增壓比的提高，循環(huán)熱效率有一個極大值的提高，循環(huán)熱效率有一個極大值 sc,TtTc,sss

10、c,/ )1(c,T/ )1(t1111可見：可見： 由由。；2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)16 (1)燃氣輪機裝置的回?zé)嵫h(huán)燃氣輪機裝置的回?zé)嵫h(huán) 循環(huán)的組成：循環(huán)的組成：1-2為壓氣機中絕熱壓縮；為壓氣機中絕熱壓縮；2-6為為回?zé)崞骰責(zé)崞髦兄卸▔侯A(yù)定壓預(yù)熱熱；6-3為燃燒室中定壓加熱；為燃燒室中定壓加熱；3-4為燃氣輪機中絕熱膨脹；為燃氣輪機中絕熱膨脹；4-5為為回?zé)崞骰責(zé)崞髦兄卸▔悍艧岫▔悍艧幔?-1為大氣中定壓放熱。為大氣中定壓放熱。 理想回?zé)幔嚎諝鈴睦硐牖責(zé)幔嚎諝鈴腡2 升溫至升溫至T4，實際只能到，實際只能到T6。2426hhhhqq定義：回?zé)岫榷x：回?zé)岫?022年5月

11、23日第九章 氣體動力循環(huán)176312431csTs10t)()()()(1hhhhhhqwwqw比熱容為定值時，有比熱容為定值時，有)1 (1112343121434tTTTTTTTTTT/ )1(/ )1(/ )1(/ )1(t)1 (111代入?yún)?shù)間的關(guān)系式代入?yún)?shù)間的關(guān)系式 ，可得，可得 / )1(4312TTTT2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)18可見可見: : 增大升溫比，可提高燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)的熱效率；增大升溫比，可提高燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)的熱效率；/ )1(/ )1(/ )1(/ )1(t)1 (1) 1(1 當升溫比及回?zé)岫纫欢〞r，隨著增壓當升溫比及回?zé)岫纫欢〞r，隨著增壓

12、比的提高，回?zé)嵫h(huán)的熱效率有一個極大值。比的提高，回?zé)嵫h(huán)的熱效率有一個極大值。當回?zé)岫仍龃髸r，與熱效率極大值相對應(yīng)的當回?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。增壓比的數(shù)值不斷降低。 由由2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)19 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高。2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)20 廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機的理想循環(huán)相當于由一個內(nèi)燃機的混合加廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機

13、的理想循環(huán)相當于由一個內(nèi)燃機的混合加熱循環(huán)和一個燃氣輪機定壓加熱循環(huán)疊加而成熱循環(huán)和一個燃氣輪機定壓加熱循環(huán)疊加而成 。 增壓增壓將空氣的壓力及密度提高后，送入內(nèi)燃機氣缸，使氣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。缸充入更多空氣。 目的目的增加內(nèi)燃機的功率增加內(nèi)燃機的功率(功率功率30100，甚至更多甚至更多)。 增壓器增壓器用于增壓的壓氣機。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。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。2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)21 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。它自

14、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。它也可作為燃氣發(fā)生器而與燃氣輪機組成聯(lián)壓氣機生產(chǎn)壓縮氣體。它也可作為燃氣發(fā)生器而與燃氣輪機組成聯(lián)合動力裝置，稱為自由活塞燃氣輪機裝置。合動力裝置，稱為自由活塞燃氣輪機裝置。 2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)22 氣缸氣缸2中的兩個對置的自由活塞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。的外端分別與壓氣機活塞相連。 缸內(nèi)氣體燃燒膨脹缸內(nèi)氣體燃燒膨脹推動兩活塞外移，壓縮兩端氣墊氣缸推動兩活塞外移

15、，壓縮兩端氣墊氣缸7內(nèi)的空氣，將發(fā)內(nèi)的空氣，將發(fā)動機全部有效功儲存在空氣中。動機全部有效功儲存在空氣中。 活塞外移活塞外移壓氣機氣缸壓氣機氣缸6容積容積空氣經(jīng)進氣閥空氣經(jīng)進氣閥5吸入。吸入。 活塞外移接近端部活塞外移接近端部右活塞先把氣缸排氣孔右活塞先把氣缸排氣孔8打開打開高溫燃氣高溫燃氣儲氣罐儲氣罐9；隨；隨后，左活塞將掃氣口后，左活塞將掃氣口11打開打開掃氣箱掃氣箱12內(nèi)壓縮空氣內(nèi)壓縮空氣氣缸，將氣缸中殘余燃氣驅(qū)氣缸，將氣缸中殘余燃氣驅(qū)入燃氣儲氣罐，并使氣缸充滿新鮮壓縮空氣。入燃氣儲氣罐，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。當排氣孔及掃氣孔關(guān)閉后，兩端氣墊

16、氣缸內(nèi)的高壓空氣推動自由活塞內(nèi)移。當排氣孔及掃氣孔關(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，壓力達到掃氣箱氣缸內(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，壓力達到掃氣箱內(nèi)壓力時，輸氣閥內(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打開，壓縮空氣在活塞推動下輸入掃氣箱12。兩活塞移至接。兩活塞移至接近中間位置時，噴油器近中間位置時，噴油器1將燃料噴入發(fā)動機氣缸中進行燃燒。隨后又開始膨脹過將燃料噴入發(fā)動機氣缸中進行燃燒。隨后又開始膨脹過程，進行新的工作循環(huán)。程，進行新的工作循環(huán)。 由發(fā)動機送入儲氣罐由發(fā)動機送入儲氣罐9中的高溫高壓燃氣不斷地中的高溫高壓燃氣不斷

17、地送入燃氣輪機送入燃氣輪機10中，在其中絕熱膨脹推動葉輪輸出軸中，在其中絕熱膨脹推動葉輪輸出軸功。由于自由活塞發(fā)動機中燃氣膨脹所作的功全部通功。由于自由活塞發(fā)動機中燃氣膨脹所作的功全部通過活塞用于壓氣機的壓縮功，所以燃氣輪機所輸出的過活塞用于壓氣機的壓縮功，所以燃氣輪機所輸出的功也就是整個裝置唯一對外輸出的功。功也就是整個裝置唯一對外輸出的功。2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)23 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，即由活塞發(fā)動機的循環(huán)凈功，即p- -v圖上循環(huán)圖上循環(huán)1- -2- -3-

18、-4- -5- -1的面積應(yīng)和的面積應(yīng)和壓氣機壓氣過程壓氣機壓氣過程8- -1左側(cè)面積左側(cè)面積8- -1- -a- -b- -8相等。相等。整個整個裝置輸出的功，裝置輸出的功，也就是燃氣輪機輸出的軸功，可用燃氣輪機中絕熱膨脹過程也就是燃氣輪機輸出的軸功，可用燃氣輪機中絕熱膨脹過程6- -7左左側(cè)的面積側(cè)的面積6- -7- -b- -a- -6表表示。示。 循環(huán)循環(huán)1- -2- -3- -4- -5- -1為自為自由活塞發(fā)動機氣缸中工質(zhì)由活塞發(fā)動機氣缸中工質(zhì)所完成的混合加熱循環(huán)。所完成的混合加熱循環(huán)。1- -6為儲氣罐定壓充氣，為儲氣罐定壓充氣，6- -7為燃氣在燃氣輪機中絕熱為燃氣在燃氣輪機中

19、絕熱膨脹，膨脹，7- -8為廢氣在大氣中為廢氣在大氣中定壓放熱，定壓放熱，8- -1為空氣在壓為空氣在壓氣機氣缸中的絕熱壓縮。氣機氣缸中的絕熱壓縮。2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)24 噴氣式發(fā)動機噴氣式發(fā)動機以一定飛行速度前進時，空氣以相同速度進入。以一定飛行速度前進時，空氣以相同速度進入。高速氣流在前端擴壓管高速氣流在前端擴壓管1中降速升壓后進入壓氣機中降速升壓后進入壓氣機2，經(jīng)絕熱壓縮進，經(jīng)絕熱壓縮進一步升壓。壓縮空氣在燃燒室一步升壓。壓縮空氣在燃燒室3中和噴入的燃料一起進行定壓燃燒。中和噴入的燃料一起進行定壓燃燒。產(chǎn)生的高溫燃氣先在燃氣輪機產(chǎn)生的高溫燃氣先在燃氣輪機4中絕熱膨脹

20、產(chǎn)生軸功用于帶動壓氣中絕熱膨脹產(chǎn)生軸功用于帶動壓氣機，然后進入尾部噴管機，然后進入尾部噴管5中，在其中繼續(xù)膨脹獲得高速，最后從尾中，在其中繼續(xù)膨脹獲得高速，最后從尾部噴向大氣。部噴向大氣。 噴噴氣式發(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。度提高而增大，特別適合用做航空發(fā)動機。 工作過程：工作過程：2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)25 1- -a擴壓管中的絕熱壓縮；擴壓管中的絕熱壓縮；a- -2壓氣機中的絕熱壓縮；壓氣機中的絕熱壓縮；2- -3燃燒室中的定壓吸熱；燃燒室中的定壓吸熱；3- -

21、b燃氣輪機中的絕熱膨脹；燃氣輪機中的絕熱膨脹；b- -4尾尾噴管中的絕熱膨脹；噴管中的絕熱膨脹；4- -1大氣中定壓放熱。大氣中定壓放熱。 p- -v圖上，面積圖上，面積 代表壓氣機所消耗的軸功，面積代表壓氣機所消耗的軸功，面積 代表燃氣輪機所輸出的軸功，根據(jù)噴氣發(fā)代表燃氣輪機所輸出的軸功，根據(jù)噴氣發(fā)動機動機的工作原理，兩軸功的數(shù)值相等，故兩面積相等。的工作原理，兩軸功的數(shù)值相等，故兩面積相等。 顯顯然，噴氣式發(fā)動機的熱力循環(huán)和定壓加熱燃氣輪機循環(huán)相同，然，噴氣式發(fā)動機的熱力循環(huán)和定壓加熱燃氣輪機循環(huán)相同，故可引用有關(guān)的結(jié)論來對其進行分析。故可引用有關(guān)的結(jié)論來對其進行分析。 111aa3223

22、bb2022年5月23日第九章 氣體動力循環(huán)26 (4)定容回?zé)徇^程定容回?zé)徇^程 ：動力活塞動力活塞1位于其下死點，配氣活塞位于其下死點，配氣活塞2從其從其下死點上移。使膨脹腔內(nèi)工質(zhì)經(jīng)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)容連通管流入壓縮腔。此時工質(zhì)容積不變，并在流過回?zé)崞鞣e不變，并在流過回?zé)崞?時向回時向回?zé)崞鞣艧?，降低溫度。當配氣活熱器放熱，降低溫度。當配氣活塞?移至其上死點時，工質(zhì)全部進移至其上死點時，工質(zhì)全部進入壓縮腔，定容回?zé)徇^程結(jié)束。入壓縮腔，定容回?zé)徇^程結(jié)束。 工作過程：工作過程： (1)定溫壓縮過程：定溫壓縮過程：配氣活塞配氣活塞2位于上死點，動力活塞位于上死點，動力活塞1由其下死點向上移動。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。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：動力活塞定容預(yù)熱過程：動力活塞1位于其上死點位置，配氣活塞位于其上死點位置，配氣活塞2從其上死點下從其上死點下移。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