工程熱力學(xué) 六動(dòng)力裝置循環(huán)

1、第六章第六章 動(dòng)力裝置循環(huán)動(dòng)力裝置循環(huán) power cycles 水蒸氣做為工質(zhì)的卡諾循環(huán)水蒸氣做為工質(zhì)的卡諾循環(huán) 相同溫差間，卡諾循環(huán)熱效率最大。 一、采用水蒸氣的原因 氣體為工質(zhì)，定溫加熱和放熱很難進(jìn)行；水蒸氣吸熱汽化和放熱凝結(jié)很容易定溫進(jìn)行。二、不采用卡諾循環(huán)原因：水和汽混合物-濕蒸汽進(jìn)行絕熱壓縮很難。6-16-1 蒸汽動(dòng)力裝置最理想循環(huán)蒸汽動(dòng)力裝置最理想循環(huán)朗肯循環(huán)朗肯循環(huán) 一裝置組成及流程 主要由鍋爐（含過(guò)熱器）、汽輪機(jī)、凝汽器及給水泵等設(shè)備組成。 工作流程如圖所示。工質(zhì)為水蒸汽。 二工作原理 其工作原理為： 過(guò)程過(guò)程 來(lái)自鍋爐及過(guò)熱器的過(guò)熱水蒸汽在汽輪機(jī)中可逆絕熱膨脹對(duì)外輸出機(jī)械功

2、 s112 然后變?yōu)闈耧柡驼羝ǚζ?過(guò)程過(guò)程 乏汽在凝汽器內(nèi)定壓、定溫冷卻凝結(jié)放熱223 然后變?yōu)轱柡退淠艧崃坑衫鋮s水帶走。 4過(guò)程過(guò)程 給水泵消耗機(jī)械功s243將飽和 水可逆絕熱壓縮至未飽和水。 4 6 過(guò)程過(guò)程 未飽和水在鍋爐內(nèi)定壓加熱至干飽和蒸汽，然后經(jīng)過(guò)熱器定壓加熱后變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽。 此過(guò)程中水的總吸熱量為114。 三郎肯循環(huán)熱效率廠、汽耗率 1.循環(huán)熱效率 2.汽耗率d=3600/h1-h2413211211hhhhqwwqqpTt四、蒸汽參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)熱效率的影響四、蒸汽參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)熱效率的影響提高朗肯循環(huán)熱效率的基本途徑提高朗肯循環(huán)熱效率的基本途徑是提高工質(zhì)的平均吸熱

3、溫度和降低平均放熱溫度。 從改變工質(zhì)參數(shù)角度上來(lái)講有： 1提高新汽（即過(guò)熱蒸汽）的初壓力、初溫度以提高平均吸熱溫度； 2降低乏汽壓力以降低平均放熱溫度； 但分別受到材料耐壓耐熱性能、汽輪機(jī)安全運(yùn)行對(duì)乏汽干度的要求以及環(huán)境冷卻水溫度等各方面因素的影響。 最有得的措施是在不改變新汽初壓力、初溫及乏汽壓力的前提下，從改善朗肯循環(huán)本身入手，采取一系列措施，如： 采用所謂“回?zé)帷薄ⅰ霸贌帷钡却胧瑏?lái)提高循環(huán)的平均吸熱溫度。 另外，可以采取“熱電聯(lián)產(chǎn)”措施來(lái)提高熱能利用的有效利用率。 62 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力循環(huán)往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力循環(huán)分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法A.分析動(dòng)力循環(huán)的目的分析動(dòng)

4、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。B.分析動(dòng)力循環(huán)的一般步驟分析動(dòng)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(jiǎn)化 ,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。C.分析動(dòng)力循環(huán)的方法分析動(dòng)力循環(huán)的方法1.實(shí)際過(guò)程簡(jiǎn)化為可逆理想循環(huán)，在p-v圖,T-s圖上表示。2.確定理想循環(huán)各過(guò)程交點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，和循環(huán)特性參數(shù)。3.進(jìn)行循環(huán)性能分析，確定循環(huán)整體性能的各種指標(biāo)，分析循環(huán)特征參數(shù)對(duì)循環(huán)的影響。一、一、機(jī)械噴射式柴油機(jī)工作過(guò)程：機(jī)械噴射式柴油機(jī)工

5、作過(guò)程： 混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）實(shí)際循環(huán)：實(shí)際循環(huán)：0-1 0-1 進(jìn)氣過(guò)程進(jìn)氣過(guò)程1-2 1-2 壓縮過(guò)程壓縮過(guò)程2-3-4 2-3-4 燃燒過(guò)程燃燒過(guò)程4-5 4-5 膨脹（作功）過(guò)程膨脹（作功）過(guò)程5-1 5-1 自由排氣過(guò)程自由排氣過(guò)程 強(qiáng)制排氣過(guò)程強(qiáng)制排氣過(guò)程理想化：理想化：1 1、熱力過(guò)程的理想化、熱力過(guò)程的理想化進(jìn)氣過(guò)程進(jìn)氣過(guò)程0-10-1定壓線；定壓線；壓縮過(guò)程壓縮過(guò)程1-21-2定熵壓縮；定熵壓縮；燃燒過(guò)程燃燒過(guò)程2-32-3定容加熱定容加熱3-43-4定壓加熱（外熱定壓加熱（外熱 源加熱）；源加熱）；膨脹過(guò)程膨脹過(guò)程4-54-5定熵膨脹；定熵膨

6、脹；排氣過(guò)程排氣過(guò)程5-15-1定容放熱定容放熱1-01-0定壓線；定壓線；2、工質(zhì)以理想氣體對(duì)待；工質(zhì)以理想氣體對(duì)待；3、開(kāi)口系統(tǒng)簡(jiǎn)化為閉口系統(tǒng)。（進(jìn)排氣功近似相等，相開(kāi)口系統(tǒng)簡(jiǎn)化為閉口系統(tǒng)。（進(jìn)排氣功近似相等，相互抵消）互抵消）得到如下理論循環(huán)：得到如下理論循環(huán)：4、內(nèi)燃機(jī)的、內(nèi)燃機(jī)的特性參數(shù)特性參數(shù)以及各點(diǎn)的以及各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)：特性參數(shù)：特性參數(shù)：壓縮比壓縮比：21vv壓力升高比壓力升高比：23pp定壓予脹比定壓予脹比：34vv狀態(tài)參數(shù)：1-2為絕熱過(guò)程為絕熱過(guò)程 2-3為定容過(guò)程為定容過(guò)程3-4為定壓過(guò)程為定壓過(guò)程4-5為絕熱過(guò)程為絕熱過(guò)程112112112)(TTvvTT11

7、232323TTTppTT11343434TTTvvTT11213411415445)()()()(vvvvvvvvTT1111145)()(TTTT5、混合加熱循環(huán)的熱效率：、混合加熱循環(huán)的熱效率：)()()(1340230150112tTTcTTcTTcqqqpVV ) 1() 1(1111t代入特性參數(shù)得：代入特性參數(shù)得：可見(jiàn)：可見(jiàn)： t const, const,t, const, 由圖可見(jiàn)，由圖可見(jiàn)，、Tm1，所以熱所以熱效率效率t。予脹比予脹比對(duì)熱效率對(duì)熱效率t影響的分析影響的分析描述了定壓過(guò)程中加熱量的多少，加熱量描述了定壓過(guò)程中加熱量的多少，加熱量4顯然，在顯然，在3-4（4）

8、的加熱過(guò)程伴隨膨脹過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，）的加熱過(guò)程伴隨膨脹過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，因而，不同時(shí)刻加入系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)換為功量的機(jī)會(huì)是不相因而，不同時(shí)刻加入系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)換為功量的機(jī)會(huì)是不相同的。同的。3點(diǎn)假如的熱量在整個(gè)膨脹過(guò)程中均有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)假如的熱量在整個(gè)膨脹過(guò)程中均有機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)換為功，而隨后加入的熱量轉(zhuǎn)換為功量的機(jī)會(huì)越來(lái)越少，在功，而隨后加入的熱量轉(zhuǎn)換為功量的機(jī)會(huì)越來(lái)越少，在4點(diǎn)加入的熱量轉(zhuǎn)換為功的機(jī)會(huì)為零。可見(jiàn)點(diǎn)加入的熱量轉(zhuǎn)換為功的機(jī)會(huì)為零?？梢?jiàn) t。6、混合加熱循環(huán)的循環(huán)凈功為、混合加熱循環(huán)的循環(huán)凈功為)()()()(1503402302110TTcTTcTTcqqqwVpV 利用循環(huán)中各狀態(tài)間的參數(shù)關(guān)系，

9、可以得到：利用循環(huán)中各狀態(tài)間的參數(shù)關(guān)系，可以得到：)1()1() 1(1100TcwV)1()1() 1(1111vp可見(jiàn)：可見(jiàn)：0 , ,w二、定容加熱循環(huán)二、定容加熱循環(huán)1.定容加熱循環(huán)（奧圖循環(huán)）：汽油機(jī)理想循環(huán)定容加熱循環(huán)（奧圖循環(huán)）：汽油機(jī)理想循環(huán) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1, ,為混為混合加熱循環(huán)的一個(gè)特例，合加熱循環(huán)的一個(gè)特例，將其代入混合加熱循環(huán)將其代入混合加熱循環(huán)的熱效率及循環(huán)凈功的的熱效率及循環(huán)凈功的表達(dá)式，即分別有：表達(dá)式，即分別有：1t11 可見(jiàn)：可見(jiàn)：t) 1)(1(11110vpw0, w三、定壓加熱循環(huán)（笛塞爾循環(huán)）三、定壓加熱循環(huán)（笛塞爾循環(huán)）早期柴油機(jī)的理想循環(huán) 特點(diǎn)：特

10、點(diǎn)：1,1,為混合為混合加熱循環(huán)的一個(gè)特例，將加熱循環(huán)的一個(gè)特例，將其代入混合加熱循環(huán)的熱其代入混合加熱循環(huán)的熱效率及循環(huán)凈功的表達(dá)式，效率及循環(huán)凈功的表達(dá)式，即分別有：即分別有：) 1(1111tt,)1()1(11110vpw0, w 平均溫度概念： 假想定溫加熱過(guò)程與原來(lái)的加熱過(guò)程的熵和熱量變化相同時(shí)的溫度。1、壓縮比相同、放熱量相同比較；、壓縮比相同、放熱量相同比較；四四 內(nèi)燃機(jī)三種理想循環(huán)的比較內(nèi)燃機(jī)三種理想循環(huán)的比較pVTTT, 1m1m, 1mpVTTT, 2m2m, 2m1m2m1211TTqqtpV, tt, t2、最高壓力相同、最高溫度相同比較：、最高壓力相同、最高溫度相同

11、比較：VpTTT,1m1m,1mpVTTT, 2m2m, 2m1m2m1211TTqqtpp, tt, t內(nèi)燃機(jī)循環(huán)平均壓力Pt1.定義：以汽缸工作體積VS為底作為矩形，使之面積等于示功圖面積，矩形高度就是平均壓力。2. Pt是單位汽缸體積的作功能力，是衡量各類內(nèi)燃機(jī)作功能力的一個(gè)重要指標(biāo)。3. Pt大小主要取決于工作循環(huán)進(jìn)行的完善程度。由狀態(tài)方程和熱效率得； Pt= mq1t / Vs= p1q1 t / RT1 P1 q1 t 提高T1下降，平均壓力升高。4.影響因素：（1）吸入一定空氣量，噴入燃油量是一定的，循環(huán)加熱量q1基本不變，對(duì)Pt影響不大；（2）循環(huán)熱效率t的提高值很小，對(duì)Pt影

12、響不大；（3）現(xiàn)代柴油機(jī)利用廢氣渦輪增壓器提高空氣壓力p1；（4）利用空氣冷卻器降低空氣溫度T1。63 燃?xì)廨啓C(jī)裝置的理想循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置的理想循環(huán)一、定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)（勃雷登循環(huán)）一、定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)（勃雷登循環(huán)）燃?xì)廨啓C(jī)裝置燃?xì)廨啓C(jī)裝置閉式燃?xì)廨啓C(jī)裝置閉式燃?xì)廨啓C(jī)裝置燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)的四個(gè)過(guò)程：燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)的四個(gè)過(guò)程： 絕熱壓縮過(guò)程（壓氣機(jī)）；絕熱壓縮過(guò)程（壓氣機(jī)）； 定壓加熱過(guò)程（燃燒室、加熱器）；定壓加熱過(guò)程（燃燒室、加熱器）； 絕熱膨脹過(guò)程（燃?xì)廨啓C(jī)、氣輪機(jī)）；絕熱膨脹過(guò)程（燃?xì)廨啓C(jī)、氣輪機(jī)）； 定壓放熱過(guò)程（大氣、冷卻器）。定壓放熱過(guò)程（大氣、冷卻器）。（一）循環(huán)（一）

13、循環(huán)特性參數(shù)特性參數(shù)： 增壓比增壓比=p2/p1 最高溫度最高溫度T3 升溫比升溫比= T3/T1參數(shù)關(guān)系：參數(shù)關(guān)系：/ )1(43/ )1(43/ )1(1212)()(TTppppTT循環(huán)加熱量：循環(huán)加熱量：)(230231TTchhqp循環(huán)放熱量：循環(huán)放熱量：)(140142TTchhqp（二）循環(huán)熱效率（二）循環(huán)熱效率：)1()1(1)()(11232141223014012tTTTTTThTTcTTcqqpp將參數(shù)關(guān)系代入，有：將參數(shù)關(guān)系代入，有：/ )1(t11可見(jiàn)，可見(jiàn)， ，熱效率提高。熱效率提高。（三）功量（三）功量燃?xì)廨啓C(jī)軸功：燃?xì)廨啓C(jī)軸功：)()(43043TsTTchhw

14、p壓氣機(jī)耗功：壓氣機(jī)耗功：)()(12012csTTchhwpcsTs0)()(www)1()11 (/ ) 1(1/ ) 1(30TTcp可見(jiàn)可見(jiàn)w0僅為增壓比僅為增壓比的函數(shù)，當(dāng)?shù)暮瘮?shù)，當(dāng)為為/ )1(0)(31max,TTw時(shí)循環(huán)凈功時(shí)循環(huán)凈功W0有極大值。有極大值。（二）、燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán)（二）、燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán)壓氣機(jī)耗功：壓氣機(jī)耗功：shhwc,12cs)(燃?xì)廨啓C(jī)軸功：燃?xì)廨啓C(jī)軸功：)()(43TTshhw循環(huán)熱效率：循環(huán)熱效率：1csTs10t)()(1qwwqwsppsppTTcTTcTTcTTcc,120130c,120T4301)()(1)()(/ )1(4312TTT

15、Tssc,/ )1(c,T/ )1(t1111可見(jiàn)：可見(jiàn)：t3)(T升溫比升溫比 當(dāng)當(dāng) 、 、 一定一定 時(shí)，隨著時(shí)，隨著增壓比增壓比 的提高，循的提高，循環(huán)熱效率有一個(gè)極大值。環(huán)熱效率有一個(gè)極大值。 sc,TtTc,s（三）、提高熱效率的措施（三）、提高熱效率的措施 （1 1）燃?xì)廨啓C(jī)裝置的回?zé)嵫h(huán)）燃?xì)廨啓C(jī)裝置的回?zé)嵫h(huán)1-2壓氣機(jī)中的絕熱壓縮過(guò)程；壓氣機(jī)中的絕熱壓縮過(guò)程；2-6回?zé)崞髦械亩▔侯A(yù)熱回?zé)崞髦械亩▔侯A(yù)熱過(guò)程；過(guò)程；6-3燃燒室中的定壓加熱過(guò)程；燃燒室中的定壓加熱過(guò)程；3-4燃?xì)廨啓C(jī)中的燃?xì)廨啓C(jī)中的絕熱膨脹過(guò)程；絕熱膨脹過(guò)程；4-5回?zé)崞髦械亩▔悍艧徇^(guò)程；回?zé)崞髦械亩▔悍艧徇^(guò)程；

16、5-1大氣大氣中的定壓放熱過(guò)程。中的定壓放熱過(guò)程。 理想情況下，空氣從理想情況下，空氣從T2 升溫至升溫至T4，實(shí)際只能達(dá)到，實(shí)際只能達(dá)到T6。定義：。定義：回?zé)岫龋夯責(zé)岫龋?426hhhhqq6312431csTs10t)()()()(hhhhhhqwwqw比熱為定值時(shí)，上式可寫(xiě)為：比熱為定值時(shí)，上式可寫(xiě)為：)1()1()1()1(2343121434tTTTTTTTTTT代入?yún)?shù)間的關(guān)系式代入?yún)?shù)間的關(guān)系式 ，可得：，可得： /)1(4312TTTT/ )1(/ )1(/ )1(/ )1(t)1 ()1 () 1)(1( 增大升溫比增大升溫比，可提高燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)的熱效率；可提高燃?xì)廨啓C(jī)

17、回?zé)嵫h(huán)的熱效率； 當(dāng)升溫比當(dāng)升溫比及回?zé)岫燃盎責(zé)岫纫欢〞r(shí)，隨著增壓比一定時(shí)，隨著增壓比的提高，的提高，回?zé)嵫h(huán)的熱效率有一個(gè)極大值，如圖所示。當(dāng)回?zé)岫仍龃蠡責(zé)嵫h(huán)的熱效率有一個(gè)極大值，如圖所示。當(dāng)回?zé)岫仍龃髸r(shí)，與熱效率極大值相對(duì)應(yīng)的增壓比的數(shù)值不斷降低。時(shí)，與熱效率極大值相對(duì)應(yīng)的增壓比的數(shù)值不斷降低。（2）采用多級(jí)壓縮中間冷卻以及再熱的回?zé)嵫h(huán)采用多級(jí)壓縮中間冷卻以及再熱的回?zé)嵫h(huán) 采用多級(jí)壓縮中間冷卻，可使壓縮終了溫度降低。而采采用多級(jí)壓縮中間冷卻，可使壓縮終了溫度降低。而采用多級(jí)膨脹中間再熱，可使膨脹終了溫度提高。這兩方面都用多級(jí)膨脹中間再熱，可使膨脹終了溫度提高。這兩方面都可使回?zé)岬臏囟确秶鬄閿U(kuò)展，從而提高平均吸熱溫度及降可使回?zé)岬臏囟确秶鬄閿U(kuò)展，從而提高平均吸熱溫度及降低平均放熱溫度，使循環(huán)熱效率得到較大的提高。低平均放熱溫度，使循環(huán)熱效率得到較大的提高。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，因而常單獨(dú)采用多級(jí)壓縮中間冷結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，因而常單獨(dú)采用多級(jí)壓縮中間冷卻，或采用多級(jí)膨脹中間再熱。卻，或采用多級(jí)膨脹中