工程热力学第9章

1第九章气体动力循环Gaspowercycles9-1分析动力循环的一般方法9-2活塞式内燃机实际循环的简化9-3活塞式内燃机的理想循环9-4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较9-6燃气轮机装置循环9-7燃气轮机装置定压加热实际循环*9-8提高燃气轮机装置热效率的热力学措施*9-9喷气发动机简介*9-5活塞式热力发动机及其循环2•讲授：第九章气体动力循环Gaspowercycles9-1分析动力循环的一般方法9-2活塞式内燃机实际循环的简化9-3活塞式内燃机的理想循环9-4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较39–1分析动力循环的一般方法一、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、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。4三、分析动力循环的方法1.第一定律分析法以第一定律为基础，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。熵分析法火用分析法熵产作功能力损失火用损火用效率5四、内部热效率i(Internalthermalefficiency)——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比net,actTnetiTt11wwqq其中nett1wq与实际循环相当的内可逆循环的热效率。net,actTnetww相对内部效率(InternalEngineEfficiency)反映内部摩擦引起的损失。五、空气标准假设(TheAir-standardHypothesis)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69–2活塞式内燃机实际循环的简化一、活塞式内燃机(internalcombustionengine)简介1．分类：按燃料：煤气机(gasengine)汽油机(gasolineengine;petrolengine)柴油机(dieselengine)按冲程：二冲程(two-stroke)四冲程(four-stroke)按点火方式：点燃式(sparkignitionengine)压燃式(compressionignitionengine)7开式循环(opencycle)；燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆；各环节中工质质量、成分稍有变化。２．活塞式内燃机循环特点8二、活塞式内燃机循环的简化点火排气冲程膨胀冲程点火燃烧冲程10理论循环中按燃烧过程不同：奥托循环定压加热循环定容加热循环混合加热循环狄塞尔循环萨巴德循环9–3活塞式内燃机的理想循环11点燃式汽油机定容加热循环图四冲程内燃机的三种循环：定容，定压，混合的实际示功图高速柴油机的混合加热循环进入工质：油/气混合物进入工质：纯空气0-1：进气冲程：节流，p小于p0.1-2：压缩冲程：可逆绝热压缩。2-3：定容燃烧过程3-4：工作冲程：绝热膨胀过程4-0：排气冲程。0-1：进气冲程：节流，p小于p0.1-2：压缩冲程：可逆绝热压缩。2’点开始喷油，2点达到柴油自燃温度。压燃式柴油机定压加热循环图2’2-3：定压燃烧过程3-4：工作冲程：绝热膨胀过程4-0：排气冲程。进入工质：纯空气增压高速，早期低速柴油机。整个过程接近定压燃烧过程。3-4：定压加热过程4-5：工作冲程：绝热膨胀过程5-1’：定容放热。2-3：定容加热过程2’点开始喷油，2点柴油自燃12点燃式汽油机定容加热循环图四冲程内燃机的三种循环：定容，定压，混合的实际示功图高速柴油机的混合加热循环12345pVp01’2’012345pVp01’2’0进入工质：油/气混合物进入工质：纯空气0-1：进气冲程：节流，p小于p0.1-2：压缩冲程：可逆绝热压缩。2-3：定容燃烧过程3-4：工作冲程：绝热膨胀过程4-0：排气冲程。0-1：进气冲程：节流，p小于p0.1-2：压缩冲程：可逆绝热压缩。2’点开始喷油，2点达到柴油自燃温度。压燃式柴油机定压加热循环图2’2-3：定压燃烧过程3-4：工作冲程：绝热膨胀过程4-0：排气冲程。进入工质：纯空气增压高速，早期低速柴油机。整个过程接近定压燃烧过程。3-4：定压加热过程4-5：工作冲程：绝热膨胀过程5-1’：定容放热。2-3：定容加热过程2’点开始喷油，2点柴油自燃高速柴油机的混合加热循环1301吸气12压缩23喷油、燃烧34燃烧45膨胀作功50排气1.简化：引用空气标准假设燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热排气5-1等容放热压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程吸、排气线重合、忽略燃油质量变化忽略燃气成分改变忽略一、混合加热理想循环（dualcombustioncycle）142.高速柴油机的混合加热循环p-v图及T-s图12等熵压缩；23等容吸热；34定压吸热；45等熵膨胀；51定容放热特性参数：12vv32pp43vv压缩比：(compressionratio)定容增压比：(pressureratio)定压预胀比：(cutoffratio)反映气缸容积反映供油规律三种循环的p-v图和T-s图15汽油机定容加热柴油机定压加热高速柴油机的混合加热2134Ts2134Ts1234pv1234Tsdp=0dv=01234TsTsdp=0dv=012345Ts12345TsTs1234pv12345pv12345pv16求各点的p、v、T、q1、q2、wnet、ηt已知：p1、v1、T1、ε、λ、ρ二、三种循环的计算求解的依据：•理想气体的状态方程式•理想气体热力过程中功量和热量的求解公式•热力循环热效率公式循环热效率：nett1wqnet1223344551123445或netnet12wqqq11gg5213434141111RRppTpvvTpp342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV二、三种循环的计算1.混合加热循环：18512t1324311TTqqTTTT、、111211212vTTTv13321223pTTTp14431334vTTTv551151pTTp利用表示t1911225544pvpvpvpv；两式相除，考虑到325134vvvvpp5344412323pppvvppvpvt111115511pTTp51TT51t32431TTTTTT把T2、T3、T4和T5代入求15pp20混合加热循环：12345p1pk1pk1pk1pk1pv1v1v1v1v1vT1T1-k1T1-k1T1-k1Tk1T吸热：34p23v1p1v34231T-TcT-Tcqqqqq比热为定值放热：0T-Tcqq15vv512循环净功：210q-qw循环热效率：，，，Kf111111kkkt12345pv12345pvss212.定容加热循环：1可看作不存在定压加热过程的混合加热理想循环，此时混合加热循环中的3、4点重合→3点，5点→4点。12345pv12345pvss12345pv12345pvssss1vv341234pvss1234pvssss221234p1pk1pk1p1pv1v1v1v1vT1T1-k1T1-k1T1T11234pvss1234pvssss23v1T-Tcq0T-Tcqq14vv412210q-qwKf11qw1K10t，ttKT吸热：放热：循环净功：循环热效率：比热为定值2.定容加热循环：2311pp23可看作不存在定容加热过程的混合加热理想循环，此时混合加热循环中的2、3点重合→2点，4点→5点，5点→4点12345pv12345pvss12345pv12345pvssss1234pvssss3.定压加热循环：2411245p1pk1pk1pk1pv1v1v1v1vT1T1-k1T1-k1Tk1T23p1T-Tcq14v2T-Tcq210q-qw，，Kf1K1-1qw1KK10t吸热：放热：循环净功：循环热效率：比热为定值1234pvssss3.定压加热循环：25tttt分析：压缩比：定容增压比：定压预胀比：三、三种循环计算的分析混合加热循环热效率：111111kkkt9–4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较一、压缩比相同，吸热量相同时的比较且：1-2线重合，定容放热过程均在通过点1的定容线上111vmpqqq或pmvTTT222pmvqqq222tvtmtppmvTTT111吸热量：放热量：效率：27二、循环pmax、Tmax相同时的比较222pmvqqq或vmpTTT222vmpqqq111t,t,t,pmvvmpTTT111吸热量：放热量：效率：29C60t0.1Mpapo11、15vv211.4pp23Kkg0.718KJcKkgKJ1.005cvp，例1：已知某活塞式内燃机混合加热理想循环压缩比：定容升压比：定压预胀比：试分析计算循环各点温度、压力、比体积及循环热效率。设工质比热容取定值，1.45vv3430KKgKJ0.2870.7181.005c-cRvpgkgm0.9557Pa100.1K273.1560KKgJ0.287pTRv3611g1kgm0.063715kgm0.9557vv33124.43MPa150.1MPapvvpp1.4k1k2112983.52KKkgJ287kgm0.0637Pa104.43RvpT36g22223vv解：316.203MPa4.43MPa1.4pp231376.8KKkgJ287kgm0.0637Pa106.203RvpT36g33334ppkgm0.09241.45kgm0.0637vv33341996.3KKkgJ287kgm0.0924Pa106.203RvpT36g44415vv320.236MPakgm0.9557kgm0.09246.203MPavvpp1.433k5445784.39KKkgJ287kgm0.9557Pa100.236RvpT36g555吸热：kgKJ905.0K1376.81996.3KkgJ1005K983.521376.85KkgKJ0.718T-TcT-Tcq34p23v1kgKJ324.0K333.15784.39KkgKJ0.718T-Tcq15v20.642kgKJ905.0kgKJ324.01qq112t放热：循环热效率：33作业•习题•P312NO.9-4NO.9-5NO.9-9（1）（2）34•讲授：第九章气体动力循环Gaspowercycles9-