《工程熱力學(xué)》(第四版)教學(xué)課件：09氣體動力循環(huán)

1、第九章 氣體動力循環(huán)1第九章 氣體動力循環(huán)9-1 活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)9-2 燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)9-3 增壓內(nèi)燃機(jī)及其循環(huán)9-4 自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置及其循環(huán)9-5 噴氣式發(fā)動機(jī)及其循環(huán)9-6 活塞式熱氣發(fā)動機(jī)及其循環(huán)2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)29-1 活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán) 實(shí)際循環(huán)： 0-1 進(jìn)氣過程 1-2 壓縮過程 2-3-4 燃燒過程 4-5 膨脹(作功)過程 5-1 自由排氣過程強(qiáng)制排氣過程 一、混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)3 理想化： 1. 熱力過程的理想化 進(jìn)氣過程0-1定壓線 壓縮過程1-2定熵壓縮 燃燒過程2-3定容加熱3-4

2、定壓加熱（外熱源加熱） 膨脹過程4-5定熵膨脹 排氣過程5-1定容放熱1-0定壓線 2. 工質(zhì)以理想氣體對待2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)4 3. 開口系統(tǒng)簡化為閉口系統(tǒng)（進(jìn)排氣功近似相等，相互抵消）得到如下理論循環(huán)。 混合加熱循環(huán)的熱效率：2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)5利用內(nèi)燃機(jī)的特性參數(shù)來表示熱效率： 壓縮比：壓力升高比：1-2為絕熱過程2-3為定容過程3-4為定壓過程預(yù)脹比：4-5為絕熱過程2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)6混合加熱循環(huán)熱效率將各點(diǎn)溫度與特性參數(shù)的關(guān)系代入熱效率表達(dá)式，得到可見：。；2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)7混合加熱循環(huán)的循環(huán)凈功：利

3、用循環(huán)中各狀態(tài)間的參數(shù)關(guān)系，可以得到可見：。2022/7/17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)定容加熱循環(huán)（奧圖循環(huán)） 特點(diǎn)：1，為混合加熱循環(huán)的一個特例，將1代入混合加熱循環(huán)的熱效率及循環(huán)凈功的表達(dá)式，即分別有可見：。；2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)9定壓加熱循環(huán)（笛塞爾循環(huán)） 特點(diǎn)：1，為混合加熱循環(huán)的一個特例，將1代入混合加熱循環(huán)熱效率及循環(huán)凈功的表達(dá)式，即分別有可見：；。2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)10三、活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的比較 壓縮比相同、放熱量相同 最高壓力相同、最高溫度相同2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)119-2 燃?xì)廨啓C(jī)裝置

4、循環(huán)一、定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán) 燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)（勃雷登循環(huán)）的組成： 絕熱壓縮過程（壓氣機(jī)） 定壓加熱過程（燃燒室、加熱器） 絕熱膨脹過程（燃?xì)廨啓C(jī)、氣輪機(jī)） 定壓放熱過程（大氣、冷卻器）2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)12 增壓比=p2/p1 最高溫度T3 升溫比= T3/T1參數(shù)關(guān)系：循環(huán)加熱量：循環(huán)放熱量：循環(huán)熱效率：循環(huán)特性：2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)13整理上式，有可見，熱效率。 功量燃?xì)廨啓C(jī)軸功：壓氣機(jī)耗功：循環(huán)凈功有極大值。當(dāng)所以2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)14二、燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán) 壓氣機(jī)耗功：燃?xì)廨啓C(jī)軸功：循環(huán)熱效率：因所以有2022/7/17第九

5、章 氣體動力循環(huán)15 當(dāng) 、 、 一定時，隨著增壓比的提高，循環(huán)熱效率有一個極大值 可見：熱效率影響因素分析 由。；2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)16 (1)燃?xì)廨啓C(jī)裝置的回?zé)嵫h(huán) 循環(huán)的組成：1-2為壓氣機(jī)中絕熱壓縮；2-6為回?zé)崞髦卸▔侯A(yù)熱；6-3為燃燒室中定壓加熱；3-4為燃?xì)廨啓C(jī)中絕熱膨脹；4-5為回?zé)崞髦卸▔悍艧幔?-1為大氣中定壓放熱。 理想回?zé)幔嚎諝鈴腡2 升溫至T4，實(shí)際只能到T6。三、提高熱效率的措施定義：回?zé)岫?022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)17燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)熱效率可表示為 比熱容為定值時，有代入?yún)?shù)間的關(guān)系式 ，可得 2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)

6、18可見: 增大升溫比，可提高燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)的熱效率； 當(dāng)升溫比及回?zé)岫纫欢〞r，隨著增壓比的提高，回?zé)嵫h(huán)的熱效率有一個極大值。當(dāng)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。熱效率影響因素分析 由2022/7/17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。(2)采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回?zé)嵫h(huán)2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)209-3 增壓內(nèi)燃機(jī)及其循環(huán) 廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)相當(dāng)于由一個內(nèi)燃機(jī)的混合加熱循環(huán)和一個燃?xì)廨啓C(jī)定壓加熱循環(huán)疊加而成 。 增壓將空氣的壓

7、力及密度提高后，送入內(nèi)燃機(jī)氣缸，使氣缸充入更多空氣。 目的增加內(nèi)燃機(jī)的功率(功率30100，甚至更多)。 增壓器用于增壓的壓氣機(jī)。 廢氣增壓可充分利用廢氣能量，提高經(jīng)濟(jì)性，因此廣泛應(yīng)用。2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)219-4 自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置及其循環(huán) 自由活塞式發(fā)動機(jī)可以看做是一種特殊形式的增壓內(nèi)燃機(jī)。它本身不直接輸出功率，而是與壓氣機(jī)相結(jié)合，把全部功率用于驅(qū)動壓氣機(jī)生產(chǎn)壓縮氣體。它也可作為燃?xì)獍l(fā)生器而與燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合動力裝置，稱為自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置。 2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)22自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置的工作過程 氣缸2中的兩個對置的自由活塞3的外端分別與壓氣機(jī)活

8、塞相連。 缸內(nèi)氣體燃燒膨脹推動兩活塞外移，壓縮兩端氣墊氣缸7內(nèi)的空氣，將發(fā)動機(jī)全部有效功儲存在空氣中。 活塞外移壓氣機(jī)氣缸6容積空氣經(jīng)進(jìn)氣閥5吸入。 活塞外移接近端部右活塞先把氣缸排氣孔8打開高溫燃?xì)鈨夤?；隨后，左活塞將掃氣口11打開掃氣箱12內(nèi)壓縮空氣氣缸，將氣缸中殘余燃?xì)怛?qū)入燃?xì)鈨夤蓿⑹箽飧壮錆M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(dāng)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(jī)氣缸內(nèi)的空氣也被壓縮，壓力達(dá)到掃氣箱內(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12。兩活塞移至接近中間位置時，噴油器1將燃料噴入發(fā)動機(jī)氣缸中進(jìn)行燃燒。隨后又開始膨脹

9、過程，進(jìn)行新的工作循環(huán)。 由發(fā)動機(jī)送入儲氣罐9中的高溫高壓燃?xì)獠粩嗟厮腿肴細(xì)廨啓C(jī)10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(jī)中燃?xì)馀蛎浰鞯墓θ客ㄟ^活塞用于壓氣機(jī)的壓縮功，所以燃?xì)廨啓C(jī)所輸出的功也就是整個裝置唯一對外輸出的功。2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)23自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置的熱力循環(huán) 根據(jù)自由活塞發(fā)動機(jī)中的能量平衡，壓氣機(jī)消耗的軸功等于自由活塞發(fā)動機(jī)的循環(huán)凈功，即p-v圖上循環(huán)1-2-3-4-5-1的面積應(yīng)和壓氣機(jī)壓氣過程8-1左側(cè)面積8-1-a-b-8相等。整個裝置輸出的功，也就是燃?xì)廨啓C(jī)輸出的軸功，可用燃?xì)廨啓C(jī)中絕熱膨脹過程6-7左側(cè)的面積6-7-b-a-6表

10、示。 循環(huán)1-2-3-4-5-1為自由活塞發(fā)動機(jī)氣缸中工質(zhì)所完成的混合加熱循環(huán)。1-6為儲氣罐定壓充氣，6-7為燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C(jī)中絕熱膨脹，7-8為廢氣在大氣中定壓放熱，8-1為空氣在壓氣機(jī)氣缸中的絕熱壓縮。2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)249-5 噴氣式發(fā)動機(jī)及其循環(huán) 噴氣式發(fā)動機(jī)以一定飛行速度前進(jìn)時，空氣以相同速度進(jìn)入。高速氣流在前端擴(kuò)壓管1中降速升壓后進(jìn)入壓氣機(jī)2，經(jīng)絕熱壓縮進(jìn)一步升壓。壓縮空氣在燃燒室3中和噴入的燃料一起進(jìn)行定壓燃燒。產(chǎn)生的高溫燃?xì)庀仍谌細(xì)廨啓C(jī)4中絕熱膨脹產(chǎn)生軸功用于帶動壓氣機(jī)，然后進(jìn)入尾部噴管5中，在其中繼續(xù)膨脹獲得高速，最后從尾部噴向大氣。 噴氣式發(fā)動機(jī)重量輕

11、、體積小、功率大，其功率隨本身運(yùn)動速度提高而增大，特別適合用做航空發(fā)動機(jī)。 工作過程：2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)25噴氣式發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)分析 1-a擴(kuò)壓管中的絕熱壓縮；a-2壓氣機(jī)中的絕熱壓縮；2-3燃燒室中的定壓吸熱；3-b燃?xì)廨啓C(jī)中的絕熱膨脹；b-4尾噴管中的絕熱膨脹；4-1大氣中定壓放熱。 p-v圖上，面積 代表壓氣機(jī)所消耗的軸功，面積 代表燃?xì)廨啓C(jī)所輸出的軸功，根據(jù)噴氣發(fā)動機(jī)的工作原理，兩軸功的數(shù)值相等，故兩面積相等。 顯然，噴氣式發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)和定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)相同，故可引用有關(guān)的結(jié)論來對其進(jìn)行分析。 2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)269-6 活塞式熱氣發(fā)

12、動機(jī)及其循環(huán) (4)定容回?zé)徇^程 ：動力活塞1位于其下死點(diǎn)，配氣活塞2從其下死點(diǎn)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)容積不變，并在流過回?zé)崞?時向回?zé)崞鞣艧?，降低溫度。?dāng)配氣活塞2移至其上死點(diǎn)時，工質(zhì)全部進(jìn)入壓縮腔，定容回?zé)徇^程結(jié)束。 工作過程： (1)定溫壓縮過程：配氣活塞2位于上死點(diǎn)，動力活塞1由其下死點(diǎn)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。 (2)定容預(yù)熱過程：動力活塞1位于其上死點(diǎn)位置，配氣活塞2從其上死點(diǎn)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。此時工質(zhì)容積不變，在流過回?zé)崞?時被加熱。配氣活塞與和動力活塞相靠時，工質(zhì)全部進(jìn)入氣缸的膨脹腔，定容預(yù)熱過程結(jié)束。 (3)定溫膨脹過程：外部燃燒系統(tǒng)通過氣缸頂部向膨脹腔內(nèi)的工質(zhì)加熱，工質(zhì)定溫膨脹，推動配氣活塞和動力活塞一起下移，輸出容積變化功。 2022/7/17第九章 氣體動力循環(huán)27活塞式熱氣發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)及熱效率 定溫膨脹過程3-4中工質(zhì)從外部燃燒系統(tǒng)