工程热力学课件 华北电力大学（北京） 动力工程系 工程热物理教研室制作 2005年5月

第十章 气体的动力循环  -- Gas power cycles

动力循环研究目的和分类 动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的热量的一部分转换成对外的净功 研究目的：合理安排循环，提高热效率 气体动力循环：内燃机 空气为主的燃气 按工质 按理想气体处理 蒸汽动力循环：外燃机 水蒸气等 实际气体

§10–1 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。 §10–1 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 抽象、简化 1）实际循环（复杂不可逆） 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 指导改善 实际循环 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。

三.分析动力循环的方法 以第一定律为基础，以能 1）第一定律分析法 量的数量守恒为立足点。 综合第一定律和第二定律 2）第二定律分析法 以第一定律为基础，以能  量的数量守恒为立足点。 综合第一定律和第二定律  从能量的数量和质量分析。 2）第二定律分析法 作功能力损失 熵分析法 熵产 火用效率 火用分析法 火用损

3) 内部热效率(internal thermal efficiency )i ——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。 其中 相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失 与实际循环相当的内可逆循环的热效率 相对热效率(relative thermal efficiency)， 反映该内部可逆循环因与高、低温热源 存在温差（外部不可逆）而造成的损失 与实际循环相当的卡诺循环热效率

气体动力循环分类 活塞式 汽车，摩托，小型轮船 按结构 叶轮式 航空，大型轮船，移动电站 汽油机 小型汽车，摩托 柴油机 中、大型汽车，火车，轮船 移动电站 按燃料 煤油机 航空 按点燃方式： 点燃式，压燃式 按冲程数： 二冲程，四冲程

一.活塞式内燃机(internal combustion engine)简介 分类：  按燃料：煤气机(gas engine)、汽油机(gasoline engine; petrol engine)、柴油机(diesel engine) 按点火方式：点燃式(spark ignition engine)、压燃式  (compression ignition engine)  按冲程：二冲程(two-stroke )、四冲程(four-stroke )

活塞式内燃机循环特点：开式循环(open cycle)； 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。  

二、平均有效压力-- mean effective pressure

§10–3 活塞式内燃机循环的简化 四冲程柴油机工作原理 废气 空气、油 压缩， 喷油燃烧 吸气 排气 膨胀作功

四冲程高速柴油机工作过程 p V 3 0—1 吸空气 1—2’ 多变压缩 2 一般n=1.34~1.37 2’ p2’=3~5MPa t2’=600~800℃ 柴油自燃t=335℃ p0 2’ 喷柴油 1 2 开始燃烧 2—3 迅速燃烧，近似 V p↑5~9MPa

四冲程高速柴油机工作过程 3 4 3—4 边喷油，边膨胀 p 近似 膨胀 p 2 t4可达1700~1800℃ 2’ 4 停止喷柴油 5 近似 膨胀 p 2 t4可达1700~1800℃ 2’ 4 停止喷柴油 5 4—5 多变膨胀 1’ p0 p5=0.3~0.5MPa 1 t5500℃ V 5—1’ 开阀排气， 降压 V 1’—0 活塞推排气,完成循环

四冲程高速柴油机的理想化 4 3 1. 工质 p 定比热理想气体 2 工质数量不变 2’ P-V图p-v图 5 1. 工质 p 定比热理想气体 2 工质数量不变 2’ P-V图p-v图 5 2. 0-1和1’ -0抵消 1’ p0 开口闭口循环 1 3. 燃烧外界加热 4. 排气向外界放热 V 5. 多变绝热 6. 不可逆可逆

理想混合加热循环（萨巴德循环） 分析循环吸热量，放热量，热效率和功量 p T s 4 3 4 3 2 5 2 5 1 1 v

§10–3 活塞式内燃机的理想循环 一.混合加热理想循环（dual combustion cycle） 1.p-v图及T-s图 §10–3 活塞式内燃机的理想循环 一.混合加热理想循环（dual combustion cycle）  1.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： 压缩比—compression ratio 定容增压比—pressure ratio 定压预胀比 — cutoff ratio

理想混合加热循环的计算 吸热量 T s 4 3 5 放热量(取绝对值） 2 1 热效率

或： 循环热效率

求 两式相除，考虑到 把T2、T3、T4和T5代入

归纳：a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热 效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。 讨论： 归纳：a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热 效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。  b.利用T-s图分析循环较方便。  c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。

二.定压加热理想循环—Diesel cycle 22

讨论： C) 重负荷（，q1  ）时 内部热效率下降，除 外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降 23

三.定容加热理想循环—Otto cycle 24

25

讨论： C) 重负荷（q1  ）时内部热效率下降，因温度上升使 ，造成热效率下降 26

§10–4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 ①压缩比相同、放热量相同

②最高压力相同、最高温度相同

③ 和 相同 1 2 3v 4v 3m 3p T s 4p 4m 平均温度法

§10-5 燃气轮机装置循环 30

31

特点：  1.开式循环(open cycle)，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  (specific weight of engine)仍较大 用途：飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set)，和蒸汽机组组成联合循环等。

一、定压加热燃气轮机循环 布雷登循环 Brayton cycle 燃气轮机装置循环的四个过程： ①绝热压缩过程（压气机）； 闭式燃气轮机装置 燃气轮机装置循环的四个过程： ①绝热压缩过程（压气机）； ②定压加热过程（燃烧室、加热器）； ③绝热膨胀过程（燃气轮机、气轮机）； ④定压放热过程（大气、冷却器）。

勃雷登循环图示 p v T s 3 3 2 4 2 4 1 1

勃雷登循环的计算 吸热量： T s 3 4 放热量： 2 1 热效率：

勃雷登循环热效率的计算 热效率： T s 3 4 2 1 热效率表达式似乎与卡诺循环一样

勃雷登循环热效率的计算 热效率： T s 3 4 2 1 定义： 压比

勃雷登循环净功的计算 T s 3 4 2 1 定义： 循环增温比

对净功的影响 T s 3 3’ 4 2 当 不变 4’ 1 不变 但T3 受材料耐热限制

对净功的影响 T s 当 不变 太小 太大 存在最佳 ，使 最大

最佳增压比 （w净）的求解 T s 令 最大循环净功

§10–6 燃气轮机装置定压加热实际循环 一.定压加热的实际循环 1-2 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀； §10–6 燃气轮机装置定压加热实际循环 一.定压加热的实际循环  1-2 不可逆绝热压缩；  2-3 定压吸热；  3-4 不可逆绝热膨胀；  4-1 定压放热。 42

二.压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency) ηCS 和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)ηT 43

三. 燃气轮机装置的内部热效率  (internal thermal efficiency)ηi 

增大τ是提高燃气轮机装置性能（wnet，ηi）的方向。 讨论： 增大τ是提高燃气轮机装置性能（wnet，ηi）的方向。 46

例：某燃气轮机装置定压加热循环，循环增压比π=7，增温比τ=4，压气机吸入空气压力p1=0 例：某燃气轮机装置定压加热循环，循环增压比π=7，增温比τ=4，压气机吸入空气压力p1=0.8MPa，t1=17°c。压气机绝热效率ηcs=0.90，燃机轮机相对内效率ηT=0.92，若空气取定比热，其cp=1.03kJ/kg·K，Rg=0.287 kJ/kg·K，κ=1.3863。试求： 1）装置内部热效率 ηi，循环吸热量q1和放热量q2； 2）压气机及燃气轮机中的不可逆损失； 3）装置每一循环的可用能损失。

1）

sf=0 2）压气机内空气

燃气轮机内 Sf=0

3)

§10–7 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施 一.回热—regeneration  讨论 52

2）极限回热

3）回热度—regenerator effectiveness 注意：π达一定值，回热不能进行 4）实际循环的回热 54

分级压缩，中间冷却—multistage compression and intervening cooling 55

二. 分级压缩，中间冷却 回热基础上 采用分级压缩，中间冷却后ηt？  循环12341： 循环12341 循环1567341： 循环67256 循环67256： 回热基础上分级压缩中间冷却

三.回热基础上分级膨胀，中间加热 循环12389101 =循环127101-循环37983 若无回热 若回热 循环12389101  =循环127101-循环37983 若无回热 若回热  循环12389101与循环12341  比较T1m上升，T2m下降   58

注意：  当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数趋向无穷多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。  

求1）循环热效率，2）若采用极限回热，求循环热效率 例：一燃气轮机装置实际循环，压气机入口空气参数为100 kPa，22°c，出口参数为600kPa，燃气轮机入口温度为800°c。压气机绝热效率ηcs=0.85。气体绝热流经燃气轮机过程中熵产为0.098kJ/kg·k。工质可视为理想气体，且燃气性质近似空气，κ=1.4，cp=1.03kJ/kg·k，Rg=0.287 kJ/kg·k 求1）循环热效率，2）若采用极限回热，求循环热效率

解：1）

所以，循环效率 极限回热后

气体动力循环热效率分析归纳：  基础： 方法：  在T-s图上叠加、拆分等；  在T-s图上与同温限卡诺循环比较；  利用ηt=f(x,y,z···)的数学特性。

§10–8 喷气发动机(jet engine)简介 定压燃烧喷气式发动机的理论循环及实际循环与  燃气轮机装置定压加热循环相同。

思 考 题 1 总结由热机工作循环抽象为理想的热力循环的基本方法。 2 提高热机循环热效率的基本途径是什么？为此可采取什么基本措施？ 思 考 题 1 总结由热机工作循环抽象为理想的热力循环的基本方法。 2 提高热机循环热效率的基本途径是什么？为此可采取什么基本措施？ 3 燃气轮机装置实际循环的τ 、ηt及ηc一定时，随着增压比的提高，循环热效率有一个极大值，试利用T-s图分析出现极大值的原因。 4 回热循环的燃气轮机装置的τ及μ一定时，随着增压比的提高，回热循环的热效率有一个极大值，试利用T-s图分析出现极大值的原因。 5 当燃气轮机装置循环采用多级压缩中间冷却及多级膨胀中间再热时，如不同时采用回热措施会出现什么情况？对热效率有什么影响？