10章：气体动力循环

第十章气体动力循环10-1分析动力循环的一般方法10-2活塞式内燃机实际循环的简化10-3活塞式内燃机的理想循环10-4活塞式内燃机各种理想循环的比较10-5斯特林循环10-6埃里克森循环10-7燃气轮机装置循环10-8燃气轮机装置的定压加热实际循环课件目录本章作业第九章习题1、5、8、11、12、19、20、22pp.312~315第四版一、实际工作循环理想化成可逆循环；二、找出影响循环热效率的主要因素及提高循环效率的措施；三、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、原因以及改进方法。10-1分析动力循环的一般方法TocTti其中：ηc为卡诺循环热效率；ηt为内部可逆循环的热效率,η0为相对热效率,ηT为循环相对内部效率。循环的经济性评价（内部热效率）：（10-1）10-2活塞式内燃机实际循环的简化一、几种活塞式内燃机简介船用柴油机车用柴油机发电用柴油机建筑用柴油机固定动力用柴油机增压柴油机农用柴油机工程机械用柴油机柴油发电机组直喷柴油机二、实际循环的示功图（p-V图）右图是四冲程柴油机（混合加热）的示功图，包括：0-1吸气冲程、1-3压缩冲程、3-1’膨胀冲程、1’-0排气冲程。其中：0、3是上死点；1、1’是下死点；2’-3-4是注燃过程。2-3-4：燃烧过程；5-1’-0：排气过程。＋－Vp13451’22’0OQ（－）图10-1四冲程柴油机的示功图＋－Vp1341’20O图10-2定压燃烧柴油机示功图高增压柴油机船用柴油机＋－Vp1341’20O图10-3定容燃烧汽油机示功图煤气机汽油机三、实际循环的理想化过程1燃烧过程→可逆定容或（和）定压吸热过程；2工质→比热为定值的理想气体（空气）；3膨胀和压缩过程→可逆绝热（等熵）过程；4忽略摩擦阻力及节流损失，认为进、排气过程的推动功抵消，两个过程重合，进而把开式循环抽象成闭式循环。通过上述简化，实际循环可理想化为以空气为工质的可逆循环，且按加热方式可分为：当两个相同尺寸发动机比较时，MEP大的比MEP小的可产生更多净输出功。有效压力：Otto循环（定容加热）Diesel循环（定压加热）Sabathe循环（混合加热）冲程活塞面积循环净功＝活塞排量循环净功MEP（10-2）这三种循环的图示见下节相关内容。10-3活塞式内燃机的理想循环21vv34vv一、混合加热理想循环（Sabathe循环）13452pov31245oTs23pp图10-4混合加热理想循环的p-v图和T-s图上式说明：1ηt随ε和λ的增大而提高。2ηt随ρ的增大而降低。混合加热循环的热效率为:)1(1111kkkt（10-3）二、定压加热理想循环（Diesel循环）又称荻塞尔循环，相当于λ＝1时的混合加热循环情况。其ηt随ε的增大而提高，随ρ的增大而降低。3124ovT2341pov热效率公式（略）图10-5定压加热理想循环的p-v图和T-s图三、定容加热理想循环(Otto循环)定容加热理想循环又称奥托循环，相当于预胀比ρ＝1时的混合加热循环。上式说明，ηt随压缩比ε的增加而提高。热效率:111kt3412povT33214Tos图10-6定容加热理想循环的p-v图和T-s图（10-4）某柴油机混合加热理想循环(见幻灯片6中的图)的p1=0.17MPa，t1=60℃，压缩比ε=14.5，气缸中气体最大压力p3=10.3MPa，循环加热量q1=900kJ/kg。设工质为空气，比热容为定值并取cp=1004J/(kg·K)、cv=718J/(kg·K)，κ=1.4；环境温度t0=20℃，压力p0=0.1MPa。试分析该循环并求循环热效率及效率。解:由已知条件：p1=0.17MPa，T1=333.15K点1：点2：kg/m562.0pTRv311g1kg/m0387.0vv312例10-11–2是定熵过程，有点3：p3=10.3MPa，v3=v2=0.0387m3/kgkPa18.7p)vv(pp12112K968RvpTg222K1389RvpTg33343.1pp23q1v=cv(T3–T2)=302kJ/kgq1p=q1–q1v=598kJ/kg点4：p4=p3=10.3MPa，因q1p=cp(T4–T3)，所以点5：v5=v1=0.562m3/kgK1985cqTTpp134kg/m055.0pTRv344g442.1vv34或K779RvpTg555MPa398.0)vv(pp5445639.0)]1()1[(111t644.01qwnettkgkJqqwkgkJTTcqnetv/580/320)(21152在吸热过程中空气熵增为所以平均吸热温度为循环吸热量q1中的可用能为循环效率)Kkg/(kJ6174.0pplnRTTlncs24g24p24K6.1457sqT241m1kg/kJ1.719q)TT1(e1m10Q,x806.0,Qxneteewx本例中，循环是内部可逆的，且只是放热过程中系统（工质）与环境有温差，从而有作功能力损失：所以循环输出净功和放热过程作功能力损失之和为循环吸热量中的可用能，即ex,Q=wnet+i=719.1kJ/kgkg/kJ1.139)Tqs(TsTi02240g0例题索引10-4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较在作各种理想循环比较时，一般在初始状态相同的情况下，分别以压缩比、吸热量或最高压力和最高温度相同作为比较基础，此时应用温熵图最为方便。一、压缩比相同、吸热量相同时的比较1-2-3-4-1为定容加热循环;1-2-2`-3`-4`-1为混合加热循环;1-2-3``-4``-1为定压加热循环。3”4”s33’4’42’12655’5’’oT分析可得:tptmtvpmvqqq222图10-7ε相同、q1相同时理想循环的比较1-2-3-4-1为定容加热;1-2`-3`-3-4-1为混合加热;1-2”-3-4-1为定压加热。分析可得：33’2”2’s21564Tos二、循环最高压力和最高温度相同时比较tvtmtpvmpqqq111图10-8Tmax、pmax相同时理想循环的比较说明上述两种情况的比较是根据热效率的定义式进行的。也可从平均吸热和（或）放热温度的角度进行分析，请同学们自己课后独立完成（refertopp.126~127)。211qqt10-5斯特林（Stirling)循环1816年提出，近几十年才实施1-2T压缩2-3V吸热3-4T膨胀4-1V放热冷气室热气室加热器冷却器AB回热器1234Ts斯特林循环图示1234pv特点：1、概括性卡诺循环；2、活塞式，外燃（可使用价廉易得燃料）应用：核潜艇，制冷。已有效率超过50%的实际Stirling发动机。1234Ts10-6埃里克森（Ericsson)循环1-2T压缩2-3p吸热3-4T膨胀4-1p放热IsothermalcompressorIsothermalturbineRegenerator1234QLQHQP埃里克森循环图示1234pv特点：1、概括性卡诺循环；2、可以用活塞式，实现外燃（可用价廉易得燃料）。两个等温吸放热过程可以通过再热和间冷去近似。1234Ts10-7燃气轮机装置循环一、燃气轮机装置简介分压气机、燃烧室和燃气轮机三个部分。1、连接发电机2、进气道主轴固定支架3、轴颈轴承4、压气机叶片5、压气机模块6、燃气轮机固定支架7、叶轮8、叶轮贯穿螺栓9、进气道定位10、水平缸封11、燃烧室防护罩12、逆流燃烧室13、燃料注入系统14、燃烧室（火焰筒）15、燃烧室冷却部件16、喷嘴构造17、一级涡轮固定构造18、动力涡轮构造19、排气扩散构造20、排气烟气探测器二、燃气轮机理想定压加热(Brayton)循环：若比热容为定值，则循环热率为：kkt111图10-9定压加热理想循环3214pfeov3n214msTop2p110-8燃气轮机装置的定压加热实际循环如果设压缩和膨胀过程仍是等熵的，则定压加热的实际循环为1－2’－3－4’－1。利用压缩机的绝热效率和燃气轮机的相对内部效率，可把循环内部热效率表示为：sC,sCkksCkkTi,1,111113h122’44’ToefgsT图10-10燃气轮机装置实际循环的T-s图（10-5）1τ越大，ηi越高。2τ和ηT、ηc,s一定时，ηi随π↑有一极大值。3压缩和膨胀过程的不可逆性↓,ηi↑。分析上式可以得出如下结论：