《工程熱力學(xué)》 課件 第九章 氣體動力循環(huán)

第九章氣體動力循環(huán)

--Gaspowercycles§9–1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(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.分析動力循環(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)途徑指導(dǎo)改善實(shí)際循環(huán)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。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(diǎn)。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

?分析法熵產(chǎn)作功能力損失?損?效率3)內(nèi)部熱效率(internalthermalefficiency)

i——不可逆過程中實(shí)際作功量和循環(huán)加熱量之比。其中與實(shí)際循環(huán)相當(dāng)?shù)目ㄖZ循環(huán)熱效率與實(shí)際循環(huán)相當(dāng)?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?zé)嵩创嬖跍夭睿ㄍ獠坎豢赡妫┒斐傻膿p失相對內(nèi)部效率(internalengineefficiency)

反映內(nèi)部摩擦引起的損失四.空氣標(biāo)準(zhǔn)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(jì)§9–2活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡化一.活塞式內(nèi)燃機(jī)(internalcombustionengine)簡介分類：

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

按點(diǎn)火方式：點(diǎn)燃式(sparkignitionengine)、壓燃式

(compressionignitionengine)

按沖程：二沖程(two-stroke)、四沖程(four-stroke)單缸汽油機(jī)構(gòu)造示意圖

以四沖程汽油機(jī)為例分析其實(shí)際工作循環(huán)

活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)特點(diǎn)：

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。四沖程內(nèi)燃機(jī)工作過程

(four-strokecycleengine)進(jìn)氣排氣pv0Atmosphere火花塞舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)2pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)2pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)2pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)二、平均有效壓力--meaneffectivepressure三.活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡化0

1吸氣1

2壓縮2

3噴油、燃燒3

4燃燒4

5膨脹作功5

0排氣簡化：引用空氣標(biāo)準(zhǔn)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?xì)獬煞指淖?/p>

忽略§9–3活塞式內(nèi)燃機(jī)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1

2等熵壓縮；2

3等容吸熱；3

4定壓吸熱；4

5等熵膨脹；5

1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

—cutoffratio2.循環(huán)熱效率或兩式相除，考慮到求把T2、T3、T4和T5代入討論：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(shí)際循環(huán)的指導(dǎo)。

b.利用T-s圖分析循環(huán)較方便。

c.同時(shí)考慮q1和q2或T1m和T2m平均。二.定壓加熱理想循環(huán)—Dieselcycle討論：C)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

，造成熱效率下降三.定容加熱理想循環(huán)—Ottocycle討論：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9–4活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較一.壓縮比相同，吸熱量相同時(shí)的比較或二.循環(huán)pmax，Tmax相同時(shí)的比較或里卡多分循環(huán)發(fā)動機(jī)概念主要內(nèi)容包括：壓縮過程中注入液氮LN2（LiquidNitrogen），從而抑制溫度上升，并增加總質(zhì)量；用發(fā)動機(jī)能量制造液氮（制造效率是關(guān)鍵參數(shù)）；能量恢復(fù)機(jī)制從尾氣中將熱量轉(zhuǎn)移到壓縮空氣內(nèi)。

CoolR概念技術(shù)的目標(biāo)在于采用噴射液態(tài)制冷劑的方式達(dá)到相同的熱動力增益效果?？紤]到制冷劑使用過程中的能耗，最終熱效能改進(jìn)幅度將達(dá)到40%左右。這一效果明顯勝過當(dāng)前同樣處于開發(fā)階段的其他前景較好的技術(shù)，例如基于溫差發(fā)電/熱電（Thermo-electricGeneration）技術(shù)的尾氣余熱能量恢復(fù)概念，以及有機(jī)郎肯循環(huán)（OrganicRankineCycle）低溫廢熱發(fā)電技術(shù)等。

里卡多開發(fā)CoolR重載車動力燃燒技術(shù)里卡多汽車公司和布萊頓大學(xué)（UniversityofBrighton）協(xié)作設(shè)計(jì)并評估一套先進(jìn)分循環(huán)（Split-cycle）燃燒系統(tǒng)，以降低重載車輛碳排放總量。該項(xiàng)可行性研究名為CoolR，最主要的技術(shù)特點(diǎn)是采用了低溫噴射（CryogenicInjection）等溫壓縮（IsothermalCompression）?！?–6燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)構(gòu)成：

壓氣機(jī)(compressor)

燃燒室(combustionchamber)

燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbine)特點(diǎn)：

1.開式循環(huán)(opencycle)，工質(zhì)流動

2.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，連續(xù)輸出功

3.啟動快，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

(specificweightofengine)仍較大用途：飛機(jī)、艦船的動力載荷機(jī)組，電站峰荷機(jī)組

(peak-loadset)，等。二.定壓加熱理想循環(huán)—constant-pressurecombustioncycle;Braytoncycle1-2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）循環(huán)增壓比—pressureratio

循環(huán)增溫比—temperatureratio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?zé)嵩础?.分析？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(shí)升高?！?–7燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實(shí)際循環(huán)一.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。二.壓氣機(jī)絕熱效率(adiabaticcompressorefficiency)

ηCS

和燃?xì)廨啓C(jī)相對內(nèi)效率(adiabaticturbineefficiency)ηT三.燃?xì)廨啓C(jī)裝置的內(nèi)部熱效率

(internalthermalefficiency)ηi

整理后可得：討論：增大τ是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能（wnet，ηi）的方向?！?–7提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率的熱力學(xué)措施一.回?zé)帷猺egeneration討論2）極限回?zé)?）回?zé)岫取猺egeneratoreffectiveness注意：π達(dá)一定值，回?zé)岵荒苓M(jìn)行4）實(shí)際循環(huán)的回?zé)岱旨墘嚎s，中間冷卻—multistagecompressionandinterveningcooling二.回?zé)峄A(chǔ)上分級壓縮、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?zé)峄A(chǔ)上分級壓縮中間冷卻三.回?zé)峄A(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?zé)崛艋責(zé)?/p>

循環(huán)12389101與循環(huán)12341