第九章 气体动力循环 Gas power cycles 9-1 分析动力循环的一般方法 9-2 活塞式内燃机实际循环的简化

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1 第九章 气体动力循环 Gas power cycles 9-1 分析动力循环的一般方法 9-2 活塞式内燃机实际循环的简化
9-3 活塞式内燃机的理想循环 9-4 活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较 9-5 燃气轮机装置循环 9-6 燃气轮机装置定压加热实际循环 9-7 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施 9-8 喷气发动机简介

2 9–1 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。
9–1 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

3 三、分析动力循环的方法 1. 第一定律分析法 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 分析法 火用损 火用效率

4 四、内部热效率i(internal thermal efficiency )
——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比 其中 与实际循环相当的内可逆循环的热效率 相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失 五、空气标准假设(the air-standard hypothesis) 气体动力循环中工作流体 理想气体 空气 定比热 燃烧和排气过程 吸热和放热过程 燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计

5 9–2 活塞式内燃机实际循环的简化 一、活塞式内燃机(internal combustion engine)简介 1．分类：
9–2 活塞式内燃机实际循环的简化 一、活塞式内燃机(internal combustion engine)简介 1．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 )

6 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。 ２．活塞式内燃机循环特点

7 二、活塞式内燃机循环的简化

8 三、平均有效压力(mean effective pressure)

9 9–3 活塞式内燃机的理想循环 一、混合加热理想循环 （dual combustion cycle） 01 吸气 12 压缩
9–3 活塞式内燃机的理想循环 一、混合加热理想循环 （dual combustion cycle） 0 吸气 1 压缩 2 喷油、燃烧 3 燃烧 4 膨胀作功 5 排气 简化：引用空气标准假设 燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热 排气5-1等容放热 压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程 吸、排气线重合、忽略 燃油质量忽略 燃气成分改变忽略

10 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)

11 2. 循环热效率 或

12 利用 表示

13 求 两式相除，考虑到 把T2、T3、T4和T5代入

14 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。

15 二、定压加热理想循环(Diesel cycle)

16 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

17 三、定容加热理想循环(Otto cycle)

18

19 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

20 9–4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 一、压缩比相同，吸热量相同时的比较 或

21 二、循环pmax、Tmax相同时的比较 或 例A470299 例A447277

22 9-5 燃气轮机装置循环 一、燃气轮机(gas turbine)装置简介 小型燃气轮机

23 轴流式燃气轮机

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27 燃烧室(combustion chamber) 燃气轮机(gas turbine)
构成 压气机(compressor) 燃烧室(combustion chamber) 燃气轮机(gas turbine) 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) 等。

28 （constant-pressure combustion cycle， Brayton cycle）
二、定压加热理想循环 （constant-pressure combustion cycle， Brayton cycle） 1-2 等熵压缩（压气机内） 循环增压比（pressure ratio） 2-3 定压吸热（燃烧室内） 循环增温比（temperature ratio） 3-4 等熵膨胀（燃气轮机内） 4-1 定压放热（排气，假想换热器）

29 三、定压加热理想循环分析 1.热效率ηt 注意：式中T1、T2并非指高温 热源，低温热源。

30 2.分析 ？

31

32 1）对于每一τ，均有π， 可见： 其w→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 能带动wnet,max 及ηt同时升高。

33 9–6 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；
9–6 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。

34 二、压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency)
和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)

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

36 讨论： 增大τ是提高燃气轮机装置性能（wnet，ηi）的方向。

37 9–7 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施 一、回热（regeneration） 讨论 2）极限回热

38 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

39 + 二、 分级压缩，中间冷却 回热基础上 分级压缩，中间冷却 压气机耗功很大 （multistage compression ，
二、 分级压缩，中间冷却 回热基础上 分级压缩，中间冷却 （multistage compression ， intervening cooling ） 压气机耗功很大 分级压缩可降低压气机耗功 采用分级压缩，中间冷却后ηt？ 循环12341： 循环12341 循环 ： + 循环67256 循环67256：

40 回热基础上分级压缩中间冷却

41 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 与循环12341 比较T1m上升，T2m下降

42 五、回热基础上 分级压缩，中间冷却；分级膨胀，中间加热

43 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。

44 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。 例A474299 例A470389

45 9–8 喷气发动机简介 定压燃烧喷气式发动机(jet engine)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。 下一章