《工程熱力學(xué)》 課件第8-10章壓氣機(jī)的熱力過程、氣體動(dòng)力循環(huán)、蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)

第八章壓氣機(jī)的熱力過程教學(xué)目的和要求：理解壓氣機(jī)熱力學(xué)分析的基本方法

掌握壓氣機(jī)熱力過程的分析方法、影響壓氣機(jī)性能的因素和提高壓氣機(jī)性能的途徑。掌握影響活塞式壓氣機(jī)容積效率、壓縮氣體溫度的因

素，以及改善壓氣機(jī)性能的措施理解多級(jí)壓縮，理解壓氣機(jī)效率的工程應(yīng)用的意義概述分類壓縮氣體的壓力壓氣機(jī)壓氣機(jī)鼓風(fēng)機(jī)通風(fēng)機(jī)構(gòu)造及工作原理壓氣機(jī)容積式壓氣機(jī)回轉(zhuǎn)式壓氣機(jī)引射式壓氣機(jī)概述熱力學(xué)原理

回轉(zhuǎn)式壓氣機(jī)引射式壓氣機(jī)理論耗功開口流動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程可逆壓縮

各類壓氣機(jī)在氣體狀態(tài)變化過程本質(zhì)上都是一樣的。都是消耗外功，使氣體壓縮壓力升高的過程?！?－1單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的工作原理和理論耗功一、工作原理1-2過程壓縮過程進(jìn)排氣閥關(guān)閉閉口系統(tǒng)壓縮2-3過程排氣過程排氣閥開啟排氣過程氣體狀態(tài)不變排氣量§8－1單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的工作原理和理論耗功一、工作原理3-4過程膨脹過程進(jìn)排氣閥關(guān)閉閉口系統(tǒng)膨脹4-1過程進(jìn)氣過程進(jìn)氣閥開啟進(jìn)氣過程氣體狀態(tài)不變進(jìn)氣量§8－1單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的工作原理和理論耗功二、理論耗功壓氣機(jī)一個(gè)工作循環(huán)1-2-3-4-1循環(huán)耗功（可逆循環(huán)）假設(shè)1-2和3-4具有相同的過程特征，即§8－1單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的工作原理和理論耗功二、理論耗功一個(gè)循環(huán)的產(chǎn)氣量單位產(chǎn)氣量所消耗的功（理論耗功）§8－1單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的工作原理和理論耗功二、理論耗功與回轉(zhuǎn)式、引射式壓氣機(jī)耗功計(jì)算式相同壓氣機(jī)單位質(zhì)量的理論耗功均可用此式計(jì)算§8－1單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的工作原理和理論耗功三、不同壓氣過程理論耗功比較壓氣機(jī)壓氣過程定溫壓縮多變壓縮定熵壓縮pvTs§8－1單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的工作原理和理論耗功三、不同壓氣過程理論耗功比較定溫壓縮定熵壓縮§8－1單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的工作原理和理論耗功三、不同壓氣過程理論耗功比較定溫壓縮定熵壓縮多變壓縮增壓比第九章氣體動(dòng)力循環(huán)

--Gaspowercycles§9–1分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法一.分析動(dòng)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。二.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、簡化可逆理論循環(huán)分析可逆循環(huán)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。三.分析動(dòng)力循環(huán)的方法1）第一定律分析法以第一定律為基礎(chǔ)，以能量的數(shù)量守恒為立足點(diǎn)。2）第二定律分析法綜合第一定律和第二定律從能量的數(shù)量和質(zhì)量分析。熵分析法

?分析法熵產(chǎn)作功能力損失?損?效率3)內(nèi)部熱效率(internalthermalefficiency)

i——不可逆過程中實(shí)際作功量和循環(huán)加熱量之比。其中與實(shí)際循環(huán)相當(dāng)?shù)目ㄖZ循環(huán)熱效率與實(shí)際循環(huán)相當(dāng)?shù)膬?nèi)可逆循環(huán)的熱效率相對(duì)熱效率(relativethermalefficiency)，反映該內(nèi)部可逆循環(huán)因與高、低溫?zé)嵩创嬖跍夭睿ㄍ獠坎豢赡妫┒斐傻膿p失相對(duì)內(nèi)部效率(internalengineefficiency)

反映內(nèi)部摩擦引起的損失四.空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)(theair-standardhypothesis)氣體動(dòng)力循環(huán)中工作流體理想氣體空氣定比熱燃燒和排氣過程吸熱和放熱過程燃料燃燒造成各部分氣體成分及質(zhì)量改變忽略不計(jì)§9–2活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡化一.活塞式內(nèi)燃機(jī)(internalcombustionengine)簡介分類：

按燃料：煤氣機(jī)(gasengine)、汽油機(jī)(gasolineengine;petrolengine)、柴油機(jī)(dieselengine)

按點(diǎn)火方式：點(diǎn)燃式(sparkignitionengine)、壓燃式

(compressionignitionengine)

按沖程：二沖程(two-stroke)、四沖程(four-stroke)單缸汽油機(jī)構(gòu)造示意圖

以四沖程汽油機(jī)為例分析其實(shí)際工作循環(huán)

活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)特點(diǎn)：

開式循環(huán)(opencycle)

燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為不可逆；

各環(huán)節(jié)中工質(zhì)質(zhì)量、成分稍有變化。四沖程內(nèi)燃機(jī)工作過程

(four-strokecycleengine)進(jìn)氣排氣pv0Atmosphere火花塞舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)2pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)2pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)2pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)32pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)324pv0Atmosphere火花塞續(xù)3舉例:汽油機(jī)的工作循環(huán)二、平均有效壓力--meaneffectivepressure三.活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡化0

1吸氣1

2壓縮2

3噴油、燃燒3

4燃燒4

5膨脹作功5

0排氣簡化：引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)燃燒

2-3等容吸熱+3-4定壓吸熱排氣

5-1等容放熱壓縮、膨脹

1-2及4-5等熵過程吸、排氣線

重合、忽略燃油質(zhì)量

忽略燃?xì)獬煞指淖?/p>

忽略§9–3活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)一.混合加熱理想循環(huán)（dualcombustioncycle）

1.p-v圖及T-s圖1

2等熵壓縮；2

3等容吸熱；3

4定壓吸熱；4

5等熵膨脹；5

1定容放熱特性參數(shù)：壓縮比—compressionratio定容增壓比—pressureratio定壓預(yù)脹比

—cutoffratio2.循環(huán)熱效率或兩式相除，考慮到求把T2、T3、T4和T5代入討論：歸納：a.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(duì)實(shí)際循環(huán)的指導(dǎo)。

b.利用T-s圖分析循環(huán)較方便。

c.同時(shí)考慮q1和q2或T1m和T2m平均。二.定壓加熱理想循環(huán)—Dieselcycle討論：C)重負(fù)荷（

，q1

）時(shí)

內(nèi)部熱效率下降，除

外還有因溫度上升而使

，造成熱效率下降三.定容加熱理想循環(huán)—Ottocycle討論：C)

重負(fù)荷（q1

）時(shí)內(nèi)部熱效率下降，因溫度上升使

，造成熱效率下降9–4活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較一.壓縮比相同，吸熱量相同時(shí)的比較或二.循環(huán)pmax，Tmax相同時(shí)的比較或里卡多分循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)概念主要內(nèi)容包括：壓縮過程中注入液氮LN2（LiquidNitrogen），從而抑制溫度上升，并增加總質(zhì)量；用發(fā)動(dòng)機(jī)能量制造液氮（制造效率是關(guān)鍵參數(shù)）；能量恢復(fù)機(jī)制從尾氣中將熱量轉(zhuǎn)移到壓縮空氣內(nèi)。

CoolR概念技術(shù)的目標(biāo)在于采用噴射液態(tài)制冷劑的方式達(dá)到相同的熱動(dòng)力增益效果?？紤]到制冷劑使用過程中的能耗，最終熱效能改進(jìn)幅度將達(dá)到40%左右。這一效果明顯勝過當(dāng)前同樣處于開發(fā)階段的其他前景較好的技術(shù)，例如基于溫差發(fā)電/熱電（Thermo-electricGeneration）技術(shù)的尾氣余熱能量恢復(fù)概念，以及有機(jī)郎肯循環(huán)（OrganicRankineCycle）低溫廢熱發(fā)電技術(shù)等。

里卡多開發(fā)CoolR重載車動(dòng)力燃燒技術(shù)里卡多汽車公司和布萊頓大學(xué)（UniversityofBrighton）協(xié)作設(shè)計(jì)并評(píng)估一套先進(jìn)分循環(huán)（Split-cycle）燃燒系統(tǒng)，以降低重載車輛碳排放總量。該項(xiàng)可行性研究名為CoolR，最主要的技術(shù)特點(diǎn)是采用了低溫噴射（CryogenicInjection）等溫壓縮（IsothermalCompression）?！?–6燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)構(gòu)成：

壓氣機(jī)(compressor)

燃燒室(combustionchamber)

燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbine)特點(diǎn)：

1.開式循環(huán)(opencycle)，工質(zhì)流動(dòng)

2.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，連續(xù)輸出功

3.啟動(dòng)快，達(dá)滿負(fù)荷快

4.壓氣機(jī)消耗了燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生功率

的絕大部分，但重量功率比

(specificweightofengine)仍較大

用途：飛機(jī)、艦船的動(dòng)力載荷機(jī)組，電站峰荷機(jī)組

(peak-loadset)，等。二.定壓加熱理想循環(huán)—constant-pressurecombustioncycle;Braytoncycle1-2等熵壓縮（壓氣機(jī)內(nèi)）2-3定壓吸熱（燃燒室內(nèi)）3-4等熵膨脹（燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)）4-1定壓放熱（排氣，假想換熱器）循環(huán)增壓比—pressureratio

循環(huán)增溫比—temperatureratio三.定壓加熱理想循環(huán)分析1.熱效率ηt注意：式中T1，T2并非指高溫

熱源，低溫?zé)嵩础?.分析？可見：

1）對(duì)于每一τ，均有其wnet,max

2）τ上升，即T3上升，使取

得wnet,max

的π

上升，ηt上

升，所以提高T3

能帶動(dòng)

wnet,max

及ηt同時(shí)升高?！?–7燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實(shí)際循環(huán)一.定壓加熱的實(shí)際循環(huán)

1-2不可逆絕熱壓縮；

2-3定壓吸熱；

3-4不可逆絕熱膨脹；

4-1定壓放熱。二.壓氣機(jī)絕熱效率(adiabaticcompressorefficiency)

ηCS

和燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率(adiabaticturbineefficiency)ηT三.燃?xì)廨啓C(jī)裝置的內(nèi)部熱效率

(internalthermalefficiency)ηi

整理后可得：討論：增大τ是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能（wnet，ηi）的方向?！?–7提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率的熱力學(xué)措施一.回?zé)帷猺egeneration討論2）極限回?zé)?）回?zé)岫取猺egeneratoreffectiveness注意：π達(dá)一定值，回?zé)岵荒苓M(jìn)行4）實(shí)際循環(huán)的回?zé)岱旨?jí)壓縮，中間冷卻—multistagecompressionandinterveningcooling二.回?zé)峄A(chǔ)上分級(jí)壓縮、中間冷卻采用分級(jí)壓縮，中間冷卻后ηt

？循環(huán)12341：循環(huán)1567341：循環(huán)12341循環(huán)67256循環(huán)67256：回?zé)峄A(chǔ)上分級(jí)壓縮中間冷卻三.回?zé)峄A(chǔ)上分級(jí)膨脹，中間加熱循環(huán)12389101=循環(huán)127101-循環(huán)37983若無回?zé)崛艋責(zé)?/p>

循環(huán)12389101與循環(huán)12341

比較T1m上升，T2m下降注意：

當(dāng)分級(jí)壓縮中間冷卻；分級(jí)膨脹中間再熱，級(jí)數(shù)趨向無窮多時(shí)，定壓加熱理想循環(huán)趨于概括性卡諾循環(huán)。氣體動(dòng)力循環(huán)熱效率分析歸納：

基礎(chǔ)：方法：

在T-s圖上疊加、拆分等；

在T-s圖上與同溫限卡諾循環(huán)比較；

利用ηt=f(x,y,z···)的數(shù)學(xué)特性?！?–8噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)(jetengine)簡介

定壓燃燒噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的理論循環(huán)及實(shí)際循環(huán)與燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)相同。第十章

蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)蒸汽及蒸汽動(dòng)力裝置(steampowerplant)

：

1）蒸汽是歷史上最早廣泛使用的工質(zhì)，19世紀(jì)后期

蒸汽動(dòng)力裝置的大量使用，促使生產(chǎn)力飛速發(fā)展，促使資本主義誕生。

2）目前世界75%電力，國內(nèi)78%電力來自火電廠，絕大部分來自蒸汽動(dòng)力。

3）蒸汽動(dòng)力裝置可利用各種燃料。

4）蒸汽是無污染、價(jià)廉、易得的工質(zhì)。蒸汽電廠示意圖§10-1簡單蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)

—郎肯循環(huán)(Rankinecycle)一.簡介二.朗肯循環(huán)

1.水蒸氣的卡諾循環(huán)水蒸氣卡諾循環(huán)有可能實(shí)現(xiàn)，但：

1）臨界溫度受限，溫限小；

2）膨脹末端x太??；

3）壓縮兩相物質(zhì)的困難；

所以，實(shí)際并不實(shí)行卡諾循環(huán)。2.朗肯循環(huán)

a）流程圖b）p-v，T-s及h-s圖

c）朗肯循環(huán)的熱效率???若忽略水泵功，同時(shí)近似取h4

h3，則

d）耗汽率(steamrate)及耗汽量

理想耗汽率(idealsteamrate)

d0

—裝置每輸出單位功量所消耗的蒸汽量耗汽量三.初參數(shù)對(duì)朗肯循環(huán)熱效率的影響

1.初溫t1

or循環(huán)1t2t3561t=循環(huán)123561+循環(huán)11t2t212.初壓力p1但x2下降且p