工程熱力第十章

工程熱力第十章第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一1§10–1分析動力循環(huán)的一般方法一.分析動力循環(huán)的目的

在熱力學基本定律的基礎(chǔ)上分析循環(huán)能量轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟性，尋求提高經(jīng)濟性的方向及途徑。二.分析動力循環(huán)的一般步驟1）實際循環(huán)（復雜不可逆）抽象、簡化可逆理論循環(huán)分析可逆循環(huán)影響經(jīng)濟性的主要因素和可能改進途徑實際循環(huán)指導改善2）分析實際循環(huán)與理論循環(huán)的偏離程度，找出實際

損失的部位、大小、原因及改進辦法。第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一2三.分析動力循環(huán)的方法1）第一定律分析法以第一定律為基礎(chǔ)，以能量的數(shù)量守恒為立足點。2）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。熵分析法用分析法熵產(chǎn)作功能力損失用損用效率第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一3四.空氣標準假設(shè)(theair-standardhypothesis)氣體動力循環(huán)中工作流體理想氣體空氣定比熱燃燒和排氣過程吸熱和放熱過程燃料燃燒造成各部分氣體成分及質(zhì)量改變忽略不計TsT1T0WnetWcWnet,act五、內(nèi)部熱效率(internalthermalefficiency)i——不可逆過程中實際作功量和循環(huán)加熱量之比。第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一4以燃氣為高溫熱源，環(huán)境為低溫熱源時卡諾循環(huán)的熱效率。與實際循環(huán)相當?shù)膬?nèi)可逆循環(huán)的熱效率。相對熱效率(relativethermalefficiency)，反映該內(nèi)部可逆循環(huán)因與高、低溫熱源存在溫差（外部不可逆）而造成的損失。相對內(nèi)部效率(internalengineefficiency)反映內(nèi)部摩擦引起的損失。第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一5§10–2活塞式內(nèi)燃機實際循環(huán)的簡化一.活塞式內(nèi)燃機(internalcombustionengine)簡介分類：

按燃料：煤氣機(gasengine)、汽油機(gasolineengine;petrolengine)、柴油機(dieselengine)

按點火方式：點燃式(sparkignitionengine)、壓燃式(compressionignitionengine)

按沖程：二沖程(two-stroke)、四沖程(four-stroke)第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一6活塞式內(nèi)燃機循環(huán)特點：

開式循環(huán)(opencycle)；

燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為不可逆；

各環(huán)節(jié)中工質(zhì)質(zhì)量、成分稍有變化。第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一7二、平均有效壓力--meaneffectivepressure循環(huán)凈功與活塞排量的比值。第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一8三.活塞式內(nèi)燃機循環(huán)的簡化汽油機第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一901吸氣12壓縮23噴油、燃燒34燃燒45膨脹作功50排氣簡化：引用空氣標準假設(shè)燃燒2-3等容吸熱+3-4定壓吸熱排氣5-1等容放熱壓縮、膨脹1-2及4-5等熵過程吸、排氣線重合、忽略燃油質(zhì)量忽略燃氣成分改變忽略柴油機第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一10§10–3活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)一.混合加熱理想循環(huán)（dualcombustioncycle）1.p-v圖及T-s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)：壓縮比—compressionratio定容增壓比—pressureratio定壓預(yù)脹比—cutoffratio注意：第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一112.循環(huán)熱效率第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一12第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一13兩式相除，考慮到把T2、T3、T4和T5代入求第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一14討論：歸納：a.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)，第二定律對實際循環(huán)的指導。

b.利用T-s圖分析循環(huán)較方便。c.同時考慮q1和q2或T1m和T2m平均。第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一15二.定壓加熱理想循環(huán)—Dieselcycle第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一16討論：C)

重負荷（，q1

）時

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。第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一17三.定容加熱理想循環(huán)—Ottocycle第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一18第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一19討論：C)

重負荷（q1

）時內(nèi)部熱效率下降，因溫度上升使

，造成熱效率下降。第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一20已知某柴油機混合加熱理想循環(huán)p1=0.17MPa、t1=60℃，壓縮比ε=14.5，氣缸中氣體最大壓力10.3Mpa，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=1004J/（kg.K），cV=718J/（kg.K），κ=1.4；環(huán)境溫度t0=20℃，壓力p0=0.1Mpa。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=0.17kPa、T1=333.15K點1：

點2：

第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一211-2是定熵過程，有

點3：

第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一22點4：

=10.3Mpa，所以

點5：

第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一23或在吸熱過程中空氣熵增為

第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一24所以平均吸熱溫度為

循環(huán)吸熱量中的可用能：

循環(huán)火用效率

第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一25§10–4活塞式內(nèi)燃機各種理想循環(huán)的熱力學比較一.壓縮比相同，吸熱量相同時的比較或第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一26二.循環(huán)pmax，Tmax相同時的比較或第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一27（*）若使活塞式內(nèi)燃機按卡諾循環(huán)運行，并設(shè)其溫度界限與下圖所示混合循環(huán)相同，試從工程實踐角度比較兩個循環(huán)，已知：p1=0.17MPa，T1=333k，p4=10.3MPa，T4=1985k，v2=0.0387m3/kg第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一28解：第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一29從工程實用角度出發(fā)：1）pa=87.9MPa，壓力太高；2）pb=0.0199MPa，壓力太低，真空狀態(tài)難以維持；3）4）活塞從ab移動距離太長，摩擦損耗太大，所以雖然每循環(huán)理論wnet增大，但實際收效甚少。第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一30§10-6燃氣輪機裝置循環(huán)一.燃氣輪機(gasturbine)裝置簡介第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一31第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一32構(gòu)成：

壓氣機(compressor)

燃燒室(combustionchamber)

燃氣輪機(gasturbine)特點：1.開式循環(huán)(opencycle)，工質(zhì)流動2.運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，連續(xù)輸出功3.啟動快，達滿負荷快4.壓氣機消耗了燃氣輪機產(chǎn)生功率

的絕大部分，但重量功率比(specificweightofengine)仍較大用途：飛機、艦船的動力載荷機組，電站峰荷機組(peak-loadset)，等。第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一33二.定壓加熱理想循環(huán)—constant-pressurecombustioncycle;Braytoncycle1-2等熵壓縮（壓氣機內(nèi)）2-3定壓吸熱（燃燒室內(nèi)）3-4等熵膨脹（燃氣輪機內(nèi)）4-1定壓放熱（排氣，假想換熱器）循環(huán)增壓比—pressureratio

循環(huán)增溫比—temperatureratio31TTt=第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一34三.定壓加熱理想循環(huán)分析1.熱效率ηt注意：式中T1，T2并非指高溫

熱源，低溫熱源。第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一352.分析？第36頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一36第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一37可見：1）對于每一τ，均有其wnet,max。2）τ上升，即T3上升，使取得wnet,max

的π

上升，ηt上

升，所以提高T3

能帶動

wnet,max

及ηt同時升高。第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一38§10–7燃氣輪機裝置定壓加熱實際循環(huán)一.定壓加熱的實際循環(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。第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一39二.壓氣機絕熱效率(adiabaticcompressorefficiency)

ηCS和燃氣輪機相對內(nèi)效率(adiabaticturbineefficiency)ηT第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一40三.燃氣輪機裝置的內(nèi)部熱效率(internalthermalefficiency)ηi

整理后可得：第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一41討論：增大τ是提高燃氣輪機裝置性能（wnet，ηi）的方向。第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一42§10–8提高燃氣輪機裝置循環(huán)熱效率的措施一.回熱—regeneration討論2）極限回熱第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一433）回熱度—regeneratoreffectiveness注意：π達一定值，回熱不能進行4）實際循環(huán)的回熱第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一44分級壓縮，中間冷卻—multistagecompressionandinterveningcooling第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一45二.分級壓縮，中間冷卻采用分級壓縮，中間冷卻后ηt？循環(huán)12341：循環(huán)1567341：循環(huán)12341循環(huán)67256循環(huán)67256：回熱基礎(chǔ)上分級壓縮中間冷卻回熱基礎(chǔ)上第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一46三.回熱基礎(chǔ)上分級膨脹，中間加熱循環(huán)12389101=循環(huán)127101-循環(huán)37983若無回熱若回熱

循環(huán)12389101與循環(huán)12341

比較T1m上升，T2m下降注意：

當分級壓縮中間冷卻；分級膨脹中間再熱，級數(shù)趨向無窮多時，定壓加熱理想循環(huán)趨于概括性卡諾循環(huán)。第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一47氣體動力循環(huán)熱效率分析歸納：

基礎(chǔ)：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ηt=f(x,y,z···)的數(shù)學特性。第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期一48某燃氣輪機裝置定壓加熱循環(huán)，循環(huán)增壓比π=7，增溫比τ=4，壓氣機吸入空氣壓力p1=0.8MPa，t1=17°c。壓氣機絕熱效率ηcs=0.90，燃機輪機相對內(nèi)效率ηT=0.92，若空氣取定比熱，其cp=1.03kJ/kg·K，Rg=0.287kJ/kg·K，κ=1.3863求：1）裝置內(nèi)部熱效率ηi，循環(huán)吸熱量q1和放熱量q2；2）壓氣