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1、工程热力第十章第1页，共58页，编辑于2022年，星期六1101 分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法一一.分析动力循环的目的分析动力循环的目的 在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的 经济性，寻求提高经济性的方向及途径。二二.分析动力循环的一般步骤分析动力循环的一般步骤 1）实际循环（复杂不可逆）抽象、简化可逆理论循环分析可逆循环影响经济性的主要因素和可能改进途径实际循环指导改善2）分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际 损失的部位、大小、原因及改进办法。第2页，共58页，编辑于2022年，星期六2三三.分析动力循环的方法分析动力循环的方法1）第一定律分析法）第一定律分析法以
2、第一定律为基础，以能 量的数量守恒为立足点。2）第二定律分析法）第二定律分析法综合第一定律和第二定律 从能量的数量和质量分析。熵分析法熵分析法用分析法用分析法熵产作功能力损失用损用效率第3页，共58页，编辑于2022年，星期六3四四.空气标准假设空气标准假设(the air-standard hypothesis)气体动力循环中工作流体理想气体空气定比热燃烧和排气过程吸热和放热过程燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计TsT1T0WnetWcWnet,act五、五、内部热效率内部热效率(internal thermal efficiency)i不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。第4
3、页，共58页，编辑于2022年，星期六4以燃气为高温热源，环境为低温热源时卡诺循环的热效率。与实际循环相当的内可逆循环的热效率。相对热效率(relative thermal efficiency)，反映该内部可逆循环因与高、低温热源 存在温差（外部不可逆）而造成的损失。相对内部效率(internal engine efficiency)反映内部摩擦引起的损失。第5页，共58页，编辑于2022年，星期六5102 活塞式内燃机实际循环的简化活塞式内燃机实际循环的简化一一.活塞式内燃机活塞式内燃机(internal combustion engine)简介简介分类分类：按燃料：煤气机(gas eng
4、ine)、汽油机(gasoline engine;petrol engine)、柴油机(diesel engine)按点火方式：点燃式(spark ignition engine)、压燃式 (compression ignition engine)按冲程：二冲程(two-stroke)、四冲程(four-stroke)第6页，共58页，编辑于2022年，星期六6活塞式内燃机循环特点活塞式内燃机循环特点：开式开式循环(open cycle)；燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆不可逆；各环节中工质质量、成分稍有变化质量、成分稍有变化。第7页，共58页，编辑于2022年，星期六7二、平均有效压力
5、二、平均有效压力-mean effective pressure循环净功与活塞排量的比值。第8页，共58页，编辑于2022年，星期六8三三.活塞式内燃机循环的简化活塞式内燃机循环的简化汽油机第9页，共58页，编辑于2022年，星期六901 吸气 12 压缩 23 喷油、燃烧 34 燃烧 45 膨胀作功 50 排气简化：引用空气标准假设燃烧燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热排气排气5-1等容放热压缩、膨胀压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程吸、排气线吸、排气线重合、忽略燃油质量燃油质量忽略燃气成分改变燃气成分改变忽略柴油机第10页，共58页，编辑于2022年，星期六10103 活塞式内燃机的理想循环
6、活塞式内燃机的理想循环一一.混合加热理想循环混合加热理想循环（dual combustion cycle）1.p-v图及图及T-s图图12 等熵压缩；23 等容吸热；34 定压吸热；45 等熵膨胀；51 定容放热特性参数特性参数：压缩比compression ratio定容增压比pressure ratio定压预胀比 cutoff ratio注意：第11页，共58页，编辑于2022年，星期六112.循环热效率循环热效率第12页，共58页，编辑于2022年，星期六12第13页，共58页，编辑于2022年，星期六13两式相除，考虑到把T2、T3、T4和T5代入求第14页，共58页，编辑于2022年
7、，星期六14讨论讨论：归纳归纳：a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热 效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实 际循环的指导际循环的指导。b.利用利用T-s图分析循环较方便。图分析循环较方便。c.同时考虑同时考虑q1和和q2或或T1m和和T2m平均。平均。第15页，共58页，编辑于2022年，星期六15二二.定压加热理想循环定压加热理想循环Diesel cycle第16页，共58页，编辑于2022年，星期六16讨论：C)重负荷（，q1 ）时 内部热效率下降，除 外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降。第17
8、页，共58页，编辑于2022年，星期六17三三.定容加热理想循环定容加热理想循环Otto cycle第18页，共58页，编辑于2022年，星期六18第19页，共58页，编辑于2022年，星期六19讨论：C)重负荷（q1 ）时内部热效率下降，因温度上升使，造成热效率下降。第20页，共58页，编辑于2022年，星期六20已知某柴油机混合加热理想循环p1=0.17 MPa、t1=60，压缩比=14.5，气缸中气体最大压力10.3 Mpa，循环加热量q1=900kJ/kg。设其工质为空气，比热容为定值并取cp=1004 J/（kg.K），cV=718 J/（kg.K），=1.4；环境温度t0=20，压
9、力p0=0.1 Mpa。试分析该循环并求循环热效率及佣效率。解：由已知条件：p1=0.17 kPa、T1=333.15 K 点1：点2：第21页，共58页，编辑于2022年，星期六211-2是定熵过程，有 点3：第22页，共58页，编辑于2022年，星期六22点4：=10.3 Mpa，所以 点5：第23页，共58页，编辑于2022年，星期六23或在吸热过程中空气熵增为 第24页，共58页，编辑于2022年，星期六24所以平均吸热温度为 循环吸热量中的可用能：循环火用效率 第25页，共58页，编辑于2022年，星期六25104 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较活塞式内燃机各种理想循环的热力学
10、比较一一.压缩比相同，吸热量相同时的比较压缩比相同，吸热量相同时的比较或第26页，共58页，编辑于2022年，星期六26二二.循环循环pmax，Tmax相同时的比较相同时的比较或第27页，共58页，编辑于2022年，星期六27（*）若使活塞式内燃机按卡诺循环运行，并设其温度界限与下图所示混合循环相同，试从工程实践角度比较两个循环，已知：p1=0.17MPa，T1=333k，p4=10.3MPa，T4=1985k，v2=0.0387m3/kg第28页，共58页，编辑于2022年，星期六28解：第29页，共58页，编辑于2022年，星期六29从工程实用角度出发：1）pa=87.9MPa，压力太高；
11、2）pb=0.0199MPa，压力太低，真空状态难以维持；3）4）活塞从ab移动距离太长，摩擦损耗太大，所以虽然 每循环理论wnet增大，但实际收效甚少。第30页，共58页，编辑于2022年，星期六3010-6 燃气轮机装置循环燃气轮机装置循环一一.燃气轮机燃气轮机(gas turbine)装置简介装置简介第31页，共58页，编辑于2022年，星期六31第32页，共58页，编辑于2022年，星期六32构成：构成：压气机压气机(compressor)燃烧室燃烧室(combustion chamber)燃气轮机燃气轮机(gas turbine)特点特点：1.开式循环开式循环(open cycle)
12、，工质流动 2.运转平稳运转平稳，连续输出功 3.启动快启动快，达满负荷快 4.压气机消耗了燃气轮机产生功率 的绝大部分，但重量功率比重量功率比 (specific weight of engine)仍较大仍较大用途用途：飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set)，等。第33页，共58页，编辑于2022年，星期六33二二.定压加热理想循环定压加热理想循环 constant-pressure combustion cycle;Brayton cycle1-2 等熵压缩（压气机内）2-3 定压吸热（燃烧室内）3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）4-1 定压放热（排气，假想换热器
13、）循环增压比pressure ratio 循环增温比temperature ratio31TTt=第34页，共58页，编辑于2022年，星期六34三三.定压加热理想循环分析定压加热理想循环分析1.热效率热效率t注意：式中注意：式中T1，T2并非指高温并非指高温 热源，低温热源热源，低温热源。第35页，共58页，编辑于2022年，星期六352.分析分析？第36页，共58页，编辑于2022年，星期六36第37页，共58页，编辑于2022年，星期六37可见：1）对于每一，均有其wnet,max。2）上升，即T3上升，使取得wnet,max 的 上升，t上 升，所以提高T3 能带动 wnet,max
14、及t同时升高。第38页，共58页，编辑于2022年，星期六38107 燃气轮机装置定压加热实际循环燃气轮机装置定压加热实际循环一一.定压加热的实际循环定压加热的实际循环 1-2 不可逆绝热压缩；2-3 定压吸热；3-4 不可逆绝热膨胀；4-1 定压放热。第39页，共58页，编辑于2022年，星期六39二二.压气机绝热效率压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency)CS 和燃气轮机相对内效率和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)T第40页，共58页，编辑于2022年，星期六40三三.燃气轮机装置的内部热效率燃气轮机装置
15、的内部热效率 (internal thermal efficiency)i 整理后可得：第41页，共58页，编辑于2022年，星期六41讨论讨论：增大增大是提高燃气轮机装置性能（是提高燃气轮机装置性能（wnet，i）的方向。）的方向。第42页，共58页，编辑于2022年，星期六42108 提高燃气轮机装置循环热效率的措施提高燃气轮机装置循环热效率的措施一一.回热回热regeneration 讨论讨论2）极限回热）极限回热第43页，共58页，编辑于2022年，星期六433）回热度）回热度regenerator effectiveness 注意：注意：达一定值，回热不能进行达一定值，回热不能进行4
16、）实际循环的回热）实际循环的回热第44页，共58页，编辑于2022年，星期六44分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却multistage compression and intervening cooling 第45页，共58页，编辑于2022年，星期六45二二.分级压缩，中间冷却分级压缩，中间冷却采用分级压缩，中间冷却后t？循环12341：循环1567341：循环12341循环67256循环67256：回热基础上分级压缩中间冷却回热基础上回热基础上第46页，共58页，编辑于2022年，星期六46三三.回热基础上分级膨胀，中间加热回热基础上分级膨胀，中间加热循环12389101 =循环1271
17、01-循环37983若无回热若回热 循环12389101与循环12341 比较T1m上升，T2m下降注意：注意：当分级压缩中间冷却；分级当分级压缩中间冷却；分级 膨胀中间再热，级数趋向膨胀中间再热，级数趋向无穷无穷 多多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。第47页，共58页，编辑于2022年，星期六47气体动力循环热效率分析归纳气体动力循环热效率分析归纳：基础基础：方法方法：在T-s图上叠加、拆分等；在T-s图上与同温限卡诺循环比较；利用t=f(x,y,z)的数学特性。第48页，共58页，编辑于2022年，星期六48 某燃气轮机装置定压加热循环，循环
18、增压比=7，增温比=4，压气机吸入空气压力p1=0.8MPa，t1=17c。压气机绝热效率cs=0.90，燃机轮机相对内效率T=0.92，若空气取定比热，其cp=1.03kJ/kgK，Rg=0.287 kJ/kgK，=1.3863求：1）装置内部热效率 i，循环吸热量q1和放热量q2；2）压气机及燃气轮机中的不可逆损失；3）装置每一循环的可用能损失。第49页，共58页，编辑于2022年，星期六491）第50页，共58页，编辑于2022年，星期六502）压气机内空气 sf=0第51页，共58页，编辑于2022年，星期六51燃气轮机内Sf=0第52页，共58页，编辑于2022年，星期六523)第5
19、3页，共58页，编辑于2022年，星期六53一燃气轮机装置实际循环，压气机入口空气参数为100 kPa，22c，出口参数为600kPa，燃气轮机入口温度为800c。压气机绝热效率cs=0.85。气体绝热流经燃气轮机过程中熵产为0.098kJ/kgk。工质可视为理想气体，且燃气性质近似空气，=1.4，cp=1.03kJ/kgk，Rg=287 J/kgk求：1）循环热效率 2）若采用极限回热，求循环热效率解：1）第54页，共58页，编辑于2022年，星期六54第55页，共58页，编辑于2022年，星期六55所以，循环效率极限回热后第56页，共58页，编辑于2022年，星期六56109 喷气发动机喷气发动机(jet engine)简介简介 定压燃烧喷气式发动机的理论循环及实际循环与 燃气轮机装置定压加热循环相同。第57页，共58页，编辑于2022年，星期六57作业：第58页，共58页，编辑于2022年，星期六58