工程热力学-第九章-图文

第九章气体动力循环能源与动力学院毛军逵研究目标：分析以气体为工质的内燃机循环、燃气轮机循环的热力性能，揭示能量利用的完善程度与影响其性能的主要因素，给出评价和改进这些装置热力性能的方法与措施。9－1循环分析的目的与一般方法一、分析循环的目的：在热力学基本定律的基础上分析循环过程中能量转换的经济性，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、原因及改进办法分析循环的步骤：1.将实际循环抽象和简化为理想循环任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的，且十分复杂。为了进行热力分析，需要建立实际循环相对应的热力学模型，即理想的可逆循环代替实际不可逆循环。如将实际不可逆的燃烧过程简化为可逆的吸热过程…分析循环的步骤：2.将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上3.对理想循环进行分析计算计算循环中有关状态点（如最高压力点、最高温度点）的参数，与外界交换的热量、功量以及循环热效率或工作系数。4.探讨提高循环效率的途径5.对理想循环的计算结果引入必要的修正分析动力循环的一般方法以气体动力循环为例：方法：1）第一定律分析法数量的角度2）第二定律分析法品质的角度燃烧从高温热源吸热排气向低温热源放热工作流体理想气体气体性质与空气相同熵分析法火用分析法9-2活塞式内燃机循环活塞式内燃机分类：按燃料：煤气机、汽油机和柴油机；按点火方式：点燃式和压燃式；按冲程：四冲程和二冲程四冲程高速柴油机工作过程1230—1吸入空气pV一般n=1.34~1.37柴油自燃t=335℃p02'01—2′多变压缩p2′=3~5MPat2'=600~800℃2′喷入柴油2开始燃烧2—3迅速燃烧，近似Vp↑5~9MPa123453—4边喷油，边膨胀pVp01'2'0t4可达1700~1800℃4停止喷柴油4—5多变膨胀V近似膨胀pp5=0.3~0.5MPat5500℃5—1′开阀排气，降压1′—0活塞推排气,完成循环四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机的理想化123451.工质定比热、理想气体、工质数量不变P-V图p-v图pVp01’2’02.0-1和1’-0抵消开口闭口循环3.燃烧外界加热4.排气向外界放热5.多变绝热6.不可逆可逆7.开式循环闭口循环1、理想混合加热循环（萨巴德循环）1234512345pvTs分析循环吸热量，放热量，热效率和功量?)()(3423,1,11TTcTTcqqqpVpV)(152TTcqV)()(1)()()(1342315342315TTkTTTTTTcTTcTTcpvvtm混合加热理想循环热力分析1211qqqwnett压缩比：ε=v1/v2定容增压比：λ=P3/p2定压预胀比：ρ＝v4/v3)]1()1[(111kkktm反映气缸容积反映供油规律)()(1)()()(1342315342315TTkTTTTTTcTTcTTcpvvtm推推看？混合加热理想循环热力分析ε=v1/v2λ=P3/p2ρ＝v4/v3)]1()1[(111kkktm结论：ε,混合加热理想循环热力分析2.定压加热理想循环（Diesel循环）例如：高增压柴油机，船用柴油机只有等压燃烧，没有定容燃烧定压加热理想循环热力分析)(231TTcqp)(142TTcqV)1(111kkktp结论：ε,ε=v1/v2ρ＝v4/v3)()(12314TTcTTcpvtp3.定容加热理想循环（Otto循环）例如煤气机、汽油机燃烧过程在接近定容的过程下完成没有一边燃烧一边膨胀的定压过程定容加热理想循环热力分析)(231TTcqV)(142TTcqV111ktv结论：εε=v1/v2)()(12314TTTTtv循环最高温度不变，εε不变，不变q1wnet定容加热理想循环热力分析mmtTT121TypicalCompressionRatiosforGasolineEngines汽油机的常用压比汽油机，受预混燃料空气混合物爆燃条件的限制。采用5~12级压缩：轻型机械k=1.4柴油机的常用压比柴油机，不受空气压缩的限制。采用14~20级压缩：重型机械和相同Tstvtmtp2v2m2pqqq平均温度法1q3m4m123v4v3p4p2t11qq121TT活塞式内燃机各种理想循环热力比较活塞式内燃机各种理想循环热力比较tptmtv和保持不变Ts1p1m1vqqq2q相等maxpmaxT12v342mtptmtv2p活塞式内燃机各种理想循环热力比较2t11qq121TTtptmtv活塞式内燃机各种理想循环热力比较和相同3p4mTs2p2m2vqqq1qmaxp2ptptmtv3m12v4v3v4p2m？？和相同，图示大小maxT1qtptmtv,,活塞式内燃机各种理想循环热力比较2t11qq121TT9-3燃气轮机装置循环一、燃气轮机装置简介用途：航空发动机/尖峰电站/移动电站/大型舰船构成压气机(compressor)燃烧室(combustionchamber)燃气轮机(gasturbine)特点1.开式循环(opencycle)，工质流动；2.运转平稳，连续输出功；3.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(specificweightofengine)仍较大。二、燃气轮机装置定压加热理想循环——布雷顿循环1.循环图1-2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）21pp循环增压比（pressureratio）32TT循环增温比（temperatureratio）二、燃气轮机定压加热理想循环——布雷顿循环2.热效率kknettppTTTTTTTTTTTThhhhqqqw1122123214123142314121111)1()1(11111t12111TT3.勃雷登循环净功的计算Ts1234循环增温比31TT324134211111pppwcTTcTTTTTcTTTT净1111kkkkpcTTs123431TT1111kkkkpwcT净3’4’当不变不变w净但T3受材料耐热限制111tkk3.勃雷登循环净功的计算F－4F-15F-22J79-GE-174.63F100-PW-2298F119-PW-10010推重比10～151800k～2100k推重比202400k~2600K1300k1900k1600kTs1111kkkkpwcT净当不变太大w净3T太小ttw净存在最佳，使最大w净1T31TT111tkk3.勃雷登循环净功的计算4.最佳增压比)1(111kkkkpnetTcw由dwnet/dπ=0可得21max,)1(2)1(max,Tcwpnetkkwnet在循环增温比一定时，存在一最佳增压比，使得循环净功最大。21max,)1(Tcwpnet4.最佳增压比Ts1234压气机：不可逆绝热压缩燃气轮机：不可逆绝热膨胀2’4’三、燃气轮机装置的定压加热实际循环1、不可逆来源：TTTww'＝理想膨胀作出的功实际膨胀作出的功2、燃气轮机相对内效率：',,cscscww压气机绝热效率：燃气轮机的定压加热实际循环热力分析)(1)(12,43'''hhhh)(112,1323'1'hhhhhhqscsckkscTkknetnetiqw,1,1''1111循环内部热效率：',,cscscww压气机绝热效率：燃气轮机的定压加热实际循环热力分析1）循环增温比越大，热循环的热效率越高；2）存在最佳循环增压比，使循环热效率有一极大值；3）减小不可逆因素，内部热效率提高。结论：燃气轮机的定压加热实际循环热力分析某燃气轮机理想布雷顿循环中，循环增压比为16，燃烧室出口温度为1600K。假设空气的进口温度为300K，压力为0.1MPa。试求涡轮膨胀做功后空气的温度为多少？整个循环的效率以及输出的功为多少思考题进口状态点1的温度为300K，压力为0.1Mpa，已知循环增压比为16，因此状态点2的压力为1.6MPa可知2点温度为662.45K由燃烧室出口温度为1600K，可知3点的温度为1600K，压力为1.6MPa，因此吸热量为Cp（1600-662.45）涡轮中仍有kkppTT14343可知4点温度为724.58K因此放热量为Cp（724.58-300）所以循环的效率为1-（724.58-300）/(1600-662.45)=0.5471输出的功为Cp（1600-662.45）-Cp（724.58-300）=515kJ/kg