工程熱力學第9章

1、1 “既生瑜何生亮既生瑜何生亮”第第9章開篇章開篇汽油機柴油機能共生、發(fā)展嗎？汽油機柴油機能共生、發(fā)展嗎？第九章第九章 氣體動力循環(huán)氣體動力循環(huán) gas power cycles 燃氣輪機動力裝置的壓燃氣輪機動力裝置的壓氣機消耗了氣輪機產(chǎn)生功氣機消耗了氣輪機產(chǎn)生功的大部分（的大部分（60%以上），以上），壓氣機分級壓縮中間冷卻壓氣機分級壓縮中間冷卻可減少耗功，燃氣輪機裝可減少耗功，燃氣輪機裝置采用分級壓縮中間冷卻置采用分級壓縮中間冷卻可以提高循環(huán)熱效率！可以提高循環(huán)熱效率！本章學習目標本章學習目標第9章 列舉標準空氣假設主要內(nèi)容列舉標準空氣假設主要內(nèi)容及在及在活塞式內(nèi)燃機活塞式內(nèi)燃機和和燃氣輪

2、機動燃氣輪機動力裝置力裝置簡化過程中應用；簡化過程中應用； 描述描述活塞式內(nèi)燃機活塞式內(nèi)燃機各種各種理想加熱循環(huán)及各特性參數(shù)，畫出循理想加熱循環(huán)及各特性參數(shù)，畫出循環(huán)的環(huán)的 圖和圖和 圖，并進行循環(huán)及熱效率計算圖，并進行循環(huán)及熱效率計算；pvTsTs 描述燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環(huán)構成，計算熱效率及描述燃氣輪機裝置定壓加熱理想循環(huán)構成，計算熱效率及利用利用 圖進行循環(huán)分析；圖進行循環(huán)分析； 計算燃氣輪機裝置實際循環(huán)熱效率，說明氣輪機的相對內(nèi)計算燃氣輪機裝置實際循環(huán)熱效率，說明氣輪機的相對內(nèi)效率，回熱和回熱度等概念并分析計算回熱基礎上分級壓縮和效率，回熱和回熱度等概念并分析計算回熱基礎上分級壓

3、縮和級間冷卻循環(huán)的參數(shù)；級間冷卻循環(huán)的參數(shù)；教學參考資料：教學參考資料：工程熱力學工程熱力學(第五版第五版)比較各理想循環(huán)并歸納提高氣體循環(huán)熱效率的熱力學措施。比較各理想循環(huán)并歸納提高氣體循環(huán)熱效率的熱力學措施。 4本章教學內(nèi)容本章教學內(nèi)容9-1 分析熱力循環(huán)的一般方法分析熱力循環(huán)的一般方法9-2 活塞式內(nèi)燃機實際循環(huán)的簡化活塞式內(nèi)燃機實際循環(huán)的簡化9-3 活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)9-4 活塞式內(nèi)燃機個正理想循環(huán)的熱力學比較活塞式內(nèi)燃機個正理想循環(huán)的熱力學比較9-5 燃氣輪機裝置循環(huán)燃氣輪機裝置循環(huán)9-7 提高燃氣輪機裝置循環(huán)熱效率的熱力學措施提高燃氣輪機裝置循環(huán)熱效率的熱

4、力學措施9-8 噴氣發(fā)動機及其他氣體動力循環(huán)簡介噴氣發(fā)動機及其他氣體動力循環(huán)簡介9-6 燃氣輪機裝置定壓加熱的實際循環(huán)燃氣輪機裝置定壓加熱的實際循環(huán)591 分析動力循環(huán)的一般方法分析動力循環(huán)的一般方法一、分析動力循環(huán)的目的和一般步驟一、分析動力循環(huán)的目的和一般步驟 目的目的在熱力學基本定律的基礎上分析循環(huán)能量轉化在熱力學基本定律的基礎上分析循環(huán)能量轉化的經(jīng)濟性，尋求提高經(jīng)濟性的方向及途徑。的經(jīng)濟性，尋求提高經(jīng)濟性的方向及途徑。 1. 實際循環(huán)（復雜不可逆）實際循環(huán)（復雜不可逆）抽象、簡化抽象、簡化可逆理論循環(huán)可逆理論循環(huán)分析可逆循環(huán)分析可逆循環(huán)影響經(jīng)濟性的主要因素和可能改進途徑影響經(jīng)濟性的主要

5、因素和可能改進途徑實際循環(huán)實際循環(huán)指導改善指導改善2. 分析實際循環(huán)與理論循環(huán)的偏離程度，找出實際損失的分析實際循環(huán)與理論循環(huán)的偏離程度，找出實際損失的部位、大小、原因及改進辦法部位、大小、原因及改進辦法( (主要由專業(yè)課承擔主要由專業(yè)課承擔) )步驟：步驟：6二、分析動力循環(huán)的方法二、分析動力循環(huán)的方法1. 第一定律分析法第一定律分析法以第一定律為基礎，以能以第一定律為基礎，以能量的數(shù)量守恒為立足點。量的數(shù)量守恒為立足點。2. 第二定律分析法第二定律分析法綜合第一定律和第二定律綜合第一定律和第二定律從能量的數(shù)量和質量分析。從能量的數(shù)量和質量分析。熵分析法熵分析法分析法分析法熵產(chǎn)熵產(chǎn)作功能力損

6、失作功能力損失損損效率效率792 活塞式內(nèi)燃機實際循環(huán)的簡化活塞式內(nèi)燃機實際循環(huán)的簡化一、活塞式一、活塞式內(nèi)燃機內(nèi)燃機(internal combustion engine)簡介簡介1分類分類按燃料：煤氣機按燃料：煤氣機(gas engine) 汽油機汽油機(gasoline engine; petrol engine) 柴油機柴油機(diesel engine) 按沖程：二沖程按沖程：二沖程(two-stroke ) 四沖程四沖程(four-stroke )按點火方式：點燃式按點火方式：點燃式(spark ignition engine) 壓燃式壓燃式(compression ignitio

7、n engine)8 開式循環(huán)開式循環(huán)(open cycle)； 燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為不可逆不可逆； 各環(huán)節(jié)中工質各環(huán)節(jié)中工質質量、成分稍有變化質量、成分稍有變化。 2 活塞式內(nèi)燃機循環(huán)特點活塞式內(nèi)燃機循環(huán)特點9netMEPhWpV3. 平均有效壓力平均有效壓力(mean effective pressure)101. 空氣標準假設空氣標準假設(the air-standard hypothesis)氣體動力循環(huán)中工作流體氣體動力循環(huán)中工作流體理想氣體理想氣體空氣空氣定比熱定比熱燃燒和排氣過程燃燒和排氣過程吸熱和放熱過程吸熱和放熱過程燃料燃燒造成各部

8、分氣體成分及質量改變忽略不計燃料燃燒造成各部分氣體成分及質量改變忽略不計二、活塞式內(nèi)燃機循環(huán)的簡化二、活塞式內(nèi)燃機循環(huán)的簡化2. 活塞式內(nèi)燃機循環(huán)簡化活塞式內(nèi)燃機循環(huán)簡化以汽油機為例以汽油機為例1112opVVhVc0345.01 吸氣吸氣12 壓縮壓縮23 噴油、定容燃燒噴油、定容燃燒34 定壓燃燒定壓燃燒45 膨脹作功膨脹作功50 排氣排氣.93 活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)活塞式內(nèi)燃機的理想循環(huán)一、混合加熱內(nèi)燃機工作原理一、混合加熱內(nèi)燃機工作原理12簡化簡化：引用空氣標準假設：引用空氣標準假設12opVVhVc0.34.5.燃燒燃燒2-3等容吸熱等容吸熱排氣排氣5-1等容放熱等容放熱膨脹膨脹4

9、-5等熵過程等熵過程吸、排氣線吸、排氣線重合、忽略重合、忽略燃油質量燃油質量忽略忽略燃氣成分改變?nèi)細獬煞指淖兒雎院雎詨嚎s壓縮1-2等熵過程等熵過程燃燒燃燒3-4定壓吸熱定壓吸熱.以空氣為工質的定比熱容內(nèi)可逆閉式循環(huán)以空氣為工質的定比熱容內(nèi)可逆閉式循環(huán).O pv.12345.O .12345.1. 混合加熱理想循環(huán)的混合加熱理想循環(huán)的 p-v圖及圖及T-s圖圖12 等熵壓縮；等熵壓縮；23 等容吸熱；等容吸熱；34 定壓吸熱；定壓吸熱；45 等熵膨脹；等熵膨脹；51 定容放熱定容放熱特性參數(shù)特性參數(shù)：12vv32pp43vv壓縮比壓縮比(compression ratio)定容增壓比定容增壓比(

10、pressure ratio)定壓預脹比定壓預脹比(cutoff ratio)Ts二、混合加熱理想循環(huán)（二、混合加熱理想循環(huán)（dual combustion cycle）.142. 循環(huán)熱效率循環(huán)熱效率nett1wqnet1 22 33 44 55 1wwwwww或或netnet12wqqq11gg5213434141111RRppTpvvTpp342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV1 23 44 5www015512t1324311TTqqTTTT 、 、111211212vTTTv332223pTTp443334vTTv551151pTTp利用利用表示表示t15pp

11、11T32pp11T161 1225544p vp vp vp v；兩式相除兩式相除15vv544122ppvppvt11111 5511pTTp51TT51t32431TTTTTT T2、T3、T4和和T5代入代入5 5441 122p vp vp vp v4323ppvv3423pvpv17討論討論：)a) c歸納歸納： （1）吸熱前壓縮氣體，提高平均吸熱溫度是提高熱效率吸熱前壓縮氣體，提高平均吸熱溫度是提高熱效率的重要措施，是卡諾循環(huán)，第二定律對實際循環(huán)的指導。的重要措施，是卡諾循環(huán)，第二定律對實際循環(huán)的指導。 （2）利用利用T - - s圖分析循環(huán)較方便。圖分析循環(huán)較方便。 （3）同時

12、考慮同時考慮 q1和和 q2 或平均或平均T1m 和和T2m。)bttt. 15234.423.4”.3”.Tm1Tm2不變不變Tm1Tm2不變不變Tm1Tm2不變不變.18.O pv.1234O 1234.特性參數(shù)特性參數(shù)：12vv32vvTs.三、定壓加熱理想循環(huán)三、定壓加熱理想循環(huán)(Diesel cycle).2t11qq 41t321TTTT t11111 142TTcqV231TTcqpt11111 19O 1234.Ts.233”4”q1 - - q1討論討論：)a)btnetwtnetwq2不變，不變，q1增大增大c) 重負荷（重負荷（ ，q1 ）時內(nèi)部熱效率下降，除）時內(nèi)部熱效

13、率下降，除 外還有因外還有因溫度上升而使溫度上升而使 ，造成熱效率下降。，造成熱效率下降。20四、定容加熱理想循環(huán)四、定容加熱理想循環(huán) (Otto cycle)2321ppvv21231TTcqVt111111111 142TTcqV241t13211qTTqTT 2321ppvv22O 1234.Ts.233”4”q1 - - q1.討論：討論：)a)bc ) 重負荷（重負荷（q1 ）時內(nèi)部熱效率下降，）時內(nèi)部熱效率下降，因溫度上升使因溫度上升使 ，造成熱效率下降，造成熱效率下降tt不變不變netw23O 12345.Ts.3v4v4p3pq2mq2vq2p94 活塞式內(nèi)燃機各種理想循環(huán)的熱

14、力學比較活塞式內(nèi)燃機各種理想循環(huán)的熱力學比較一、壓縮比相同，吸熱量相同時的比較一、壓縮比相同，吸熱量相同時的比較 11m1vpqqq22m2vpqqqttmtvp或或22m2pvTTT11m1pvTTT24O 1245.Ts.3.q222”Tmaxpmax二、循環(huán)二、循環(huán) pmax、Tmax 相同時的比較相同時的比較 22m2pvqqq或或22m2pvTTT12m2pvqqqt,t,mt,pv11m1pvTTT例例A470299例例A447277259- -5 燃氣輪機裝置循環(huán)燃氣輪機裝置循環(huán)一、燃氣輪機一、燃氣輪機(gas turbine)裝置簡介裝置簡介 小型燃氣輪機小型燃氣輪機26272

15、8主要構成主要構成 壓氣機壓氣機(compressor)燃氣輪機燃氣輪機(gas turbine)燃燒室燃燒室(combustion chamber)29特點：特點： 1. 開式循環(huán)開式循環(huán)(open cycle)， 工質流動；工質流動； 2. 運轉平穩(wěn)，連續(xù)輸出功；運轉平穩(wěn)，連續(xù)輸出功； 3.啟動快，達滿負荷快；啟動快，達滿負荷快； 4. 壓氣機消耗了燃氣輪機產(chǎn)生功率的絕大部分，但壓氣機消耗了燃氣輪機產(chǎn)生功率的絕大部分，但 功率重量比功率重量比(specific weight of engine)仍較大。仍較大。用途用途 飛機、艦船動力載荷機組，電站峰荷機組飛機、艦船動力載荷機組，電站峰荷機

16、組(peak-load set) 等。等。30運用空氣標準假設簡化運用空氣標準假設簡化閉式定壓加熱循環(huán)閉式定壓加熱循環(huán) 燃燒燃燒等壓吸熱；排氣等壓吸熱；排氣定壓放熱定壓放熱 燃油質量燃油質量忽略忽略 燃氣成分改變?nèi)細獬煞指淖兒雎院雎?壓縮、膨脹壓縮、膨脹等熵過程等熵過程 工質工質空氣，理想氣體狀態(tài)，定比熱容空氣，理想氣體狀態(tài)，定比熱容234二、定壓加熱理想循環(huán)二、定壓加熱理想循環(huán)（constant-pressure combustion cycle, Brayton cycle）1-2 等熵壓縮（壓氣機內(nèi)）等熵壓縮（壓氣機內(nèi)）21pp循環(huán)增壓比循環(huán)增壓比（pressure

17、ratio）2-3 定壓吸熱（燃燒室內(nèi)）定壓吸熱（燃燒室內(nèi)）31TT 循環(huán)增溫比循環(huán)增溫比（temperature ratio）3-4 等熵膨脹（燃氣輪機內(nèi)）等熵膨脹（燃氣輪機內(nèi)）4-1 定壓放熱（排氣，假想換熱器）定壓放熱（排氣，假想換熱器）.32三、定壓加熱理想循環(huán)分析三、定壓加熱理想循環(huán)分析1. 熱效率熱效率t132qhh1212113434ppTTppTT2314pppp2134TTTT212314TTTTTT1t21111TT 注意注意：式中式中T1、T2并非指高溫并非指高溫 熱源，低溫熱源。熱源，低溫熱源。412414141tptpqhhcTTcTT2t11qq 3232tptcT

18、T32pcTT41321TTTT 332. 分析分析 t)a1q 1t21111TT tt3T與循環(huán)最高溫度與循環(huán)最高溫度 無關無關c）一定一定netw考察：循環(huán)考察：循環(huán)12341 =循環(huán)循環(huán)12341循環(huán)循環(huán)43344+ +布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán) = p2 / p1布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán) = p2 / p11t11循環(huán)循環(huán)12341熱效率等于循環(huán)熱效率等于循環(huán)12341b）t不變不變 34net12wqqnet0dw 1423TTTTcp21netnet,maxwwd）一定，一定，取不同值取不同值netmaxww111111Tcp3511111pc T 1）對于每一）對于每一，均有，均有，其其

19、wwnet,max 2）上升，即上升，即T3上升，使取得上升，使取得wnet,max 的的 上升，上升，t上升，所以上升，所以提高提高T3 能帶動能帶動wnet,max 及及t同時升高。同時升高。e） 與與及及的關系的關系netw11net1111pwc T Aennahha1234.4s2s. 1-2 不可逆絕熱壓縮；不可逆絕熱壓縮； 2-3 定壓吸熱；定壓吸熱； 3-4 不可逆絕熱膨脹；不可逆絕熱膨脹； 4-1 定壓放熱。定壓放熱。一、一、 燃氣輪機裝置定壓加熱的實際循環(huán)簡化燃氣輪機裝置定壓加熱的實際循環(huán)簡化 9- -6 燃氣輪機裝置定壓加熱的實際循環(huán)燃氣輪機裝置定壓加熱的實際循環(huán)37二、

20、二、 壓氣機絕熱效率壓氣機絕熱效率(adiabatic compressor efficiency)和和 燃氣輪機相對內(nèi)效率燃氣輪機相對內(nèi)效率(adiabatic turbine efficiency)s21C,sC,sC21hhwwhhsC21C,s1whh s2121C,s1hhhhst,T34Tt,T34whhwhhst,TT34whh s43T34hhhh壓氣機絕熱效率壓氣機絕熱效率燃氣輪機相對內(nèi)效率燃氣輪機相對內(nèi)效率38三、三、 內(nèi)部熱效率內(nèi)部熱效率 i (internal thermal efficiency)neti1wq代入并代入并 整理整理ssnett,TCT3421Cs1w

21、wwhhhhs1323121Cs1qhhhhhh sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhh39討論討論：i，i，增大增大是提高燃氣輪機裝置性能（是提高燃氣輪機裝置性能（wnet，i）的方向。）的方向。sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhh1）一定一定2） 但有極值。但有極值。（1） 與與、有關：有關：iTCsiTCs0.85 0.920.85 0.90，（2）除除、外，外， 還與還與 、 有關有關目前目前iTCs4097 提高燃氣輪機裝置熱效率的熱力學措施提高燃氣輪機裝置熱效率的熱力學措施一、回熱一、回熱（regener

22、ation） 討論討論1372811)ppqcTTqcTTrr22t,t1111qTqT rrrrr1rq2qr2Tr1Tr1T2T1rqrqrq412）極限回熱）極限回熱135261ppqcTTqcTTrr12TsO.34.7.Tm1Tm2Tm1Tm23）回熱度回熱度(regenerator effectiveness) 實際回熱利用的熱量實際回熱利用的熱量理論上極限可利用的熱量理論上極限可利用的熱量72hh8.54846hhhh52hh.6.424）實際循環(huán)的回熱實際循環(huán)的回熱72725246hhhhhhhh 12TsO343T3.4.2.注意：注意：達一定值，回熱不能進行。達一定值，回熱

23、不能進行。43二、二、 分級壓縮，中間冷卻分級壓縮，中間冷卻分級壓縮，中間冷卻分級壓縮，中間冷卻 （multistage compression ， intervening cooling ）壓氣機耗功大壓氣機耗功大,氣體溫升高氣體溫升高分級壓縮可降低壓氣機耗功分級壓縮可降低壓氣機耗功循環(huán)循環(huán)12341：1t1111t循環(huán)循環(huán)67256: 壓比為壓比為1布雷頓循環(huán)布雷頓循環(huán)1t11 t1567341t12341tt 12.567循環(huán)循環(huán)1567341：1. 循環(huán)循環(huán)12341循環(huán)循環(huán)67256tt 采用分級壓縮，中間冷卻后采用分級壓縮，中間冷卻后t +.tt45循環(huán)循環(huán)86723418與循環(huán)與

24、循環(huán)12341同為循環(huán)增壓比同為循環(huán)增壓比的布雷頓循環(huán)的布雷頓循環(huán)循環(huán)循環(huán)15672341 = 循環(huán)循環(huán)86723418循環(huán)循環(huán)86518-,86723418net,15672341ww1t,86723418t,123411 .5.67.1,867234181,15672341qqt,86723418t,15672341比較循環(huán)比較循環(huán)86723418與循環(huán)與循環(huán)15672341熱效率熱效率bbaa. 分級壓縮，中間冷卻分級壓縮，中間冷卻回熱基礎上回熱基礎上回熱回熱 回熱后循環(huán)回熱后循環(huán)1567341與循環(huán)與循環(huán)1234147 回熱后循環(huán)回熱后循環(huán)1567341與循環(huán)與循環(huán)12341比較比較net,1567341net,12341ww12341, 11567341, 1qqt,1567341t,12341回熱基礎上分級壓縮回熱基礎上分級壓縮中間冷卻流程示意圖中間冷卻流程示意圖net2t111wqqq 三、三、 分級膨脹，中間加熱分級膨脹，中間加熱48.Tm1Tm2Tm1Tm212347890. .循環(huán)循環(huán)1238901= 循環(huán)循環(huán)12701- -循環(huán)循環(huán)37983