工程热力学课件
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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. 实际气体. 水蒸气等. § 10–1 分析动力循环的一般方法. 一 . 分析动力循环的目的. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
工程热力学课件工程热力学课件
华北电力大学（北京）华北电力大学（北京）动力工程系动力工程系
工程热物理教研室制作工程热物理教研室制作20052005 年年 55 月月
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
按工质
气体动力循环：内燃机
蒸汽动力循环：外燃机
空气为主的燃气按理想气体处理
水蒸气等 实际气体
研究目的：合理安排循环，提高热效率
§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 1）实际循环（复杂不可逆）
抽象、简化可逆理论循环
分析可逆循环影响经济性的主要因素和可能改进途径
实际循环指导改善
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
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。
2）第二定律分析法 综合第一定律和第二定律 从能量的数量和质量分析。
熵分析法
火用分析法
熵产 作功能力损失
火用损 火用效率
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。net, net
1 1
act Ti T t c o T
w w
q q
其中
1
01T
Tc
c
to
与实际循环相当的卡诺循环热效率
net
1t
w
q 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
net,
net
actT
w
w 相对内部效率 (internal engine efficiency)
反映内部摩擦引起的损失
1
,
q
w
w
wnet
net
actnet
tT
net, net
1 1
act Ti T t c o T
w w
q q
1
,
q
w
w
wnet
net
actnet
1
,
q
w
w
w
w
wc
c
net
net
actnetcoT
cot
c
neto w
w
0T
气体动力循环分类气体动力循环分类按结构
活塞式叶轮式
小型汽车，摩托中、大型汽车，火车，轮船移动电站
汽油机
点燃式，压燃式
汽车，摩托，小型轮船
按燃料
航空，大型轮船，移动电站
柴油机
煤油机 航空按点燃方式：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。
h
net
V
WMEP
二、平均有效压力 -- mean effective pressure
四冲程柴油机工作原理四冲程柴油机工作原理
空气、油 废气
吸气 压缩，喷油燃烧 膨胀
作功排气
§10–3 活塞式内燃机循环的简化
四冲程高速柴油机工作过程四冲程高速柴油机工作过程
1
2
30—1 吸空气 p
V
一般 n=1.34~1.37
柴油自燃 t=335℃ p0
2’
0
1—2’ 多变压缩
p2’=3~5MPa t2’=600~800℃
2’ 喷柴油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四冲程高速柴油机工作过程
1
2
3 4
5
3—4 边喷油，边膨胀 p
V
p01’
2’
0
t4可达 1700~1800℃4 停止喷柴油
4—5 多变膨胀
V
近似 膨胀p
p5=0.3~0.5MPat5500℃
5—1’ 开阀排气， 降压1’—0 活塞推排气 ,完成循环
四冲程高速柴油机的理想化四冲程高速柴油机的理想化
1
2
3 4
5
1. 工质 p
V
p01’
2’
0
工质数量不变定比热理想气体
P-V图 p-v图2. 0-1和 1’ -0抵消开口闭口循环
3. 燃烧外界加热4. 排气向外界放热5. 多变绝热6. 不可逆可逆
理想混合加热循环（萨巴德循环）理想混合加热循环（萨巴德循环）
1
2
3 4
5
1
2
34
5
p
v
T
s
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量
§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
12 等熵压缩； 23 等容吸热； 34 定压吸热； 45 等熵膨胀； 51 定容放热特性参数：
1
2
v
v
3
2
p
p
4
3
v
v
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理想混合加热循环的计算
1
2
34
5
T
s
吸热量 1 v 3 2 p 4 3q c T T c T T
放热量 (取绝对值）
2 v 5 1q c T T
热效率
1 2t
1 1
w q q
q q
q w
5 12
1 3 2 4 3
1 1T Tq
q T T k T T
或： 循环热效率
net
1t
w
q
net 1 2 2 3 3 4 4 5 5 1
1 2 3 4 4 5
w w w w w w
w w w
1 1
g g 521 3 4 3 4
1 4
1 11 1
R R ppT p v v T
p p
3423
15
1
2 11TTTT
TT
q
qt
t 表示、、利用
11
1
2
11221
Tv
vTT有
133 2 1
2
2 3p
T T Tp
有
144 3 1
3
3 4v
T T Tv
有
1
51515p
pTT 有
44552211 vpvpvpvp 因
两式相除，考虑到325134 vvvvpp
5 34 4 4
1 2 3 2 3
p pp v v
p p v p v
1
11
1 1t
5 1T T
3423
151TTTT
TTt
把 T2、 T3、 T4和 T5代入
讨论：
)a
)c
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。
)b t
t
t
22
二 .定压加热理想循环— Diesel cycle
1
21q
qt 23
141TT
TTt
11
11
1
t 142 TTcq V
231 TTcq p 1
11 1
1t
2
3
2
1
v
v
v
v
23
讨论：
net) ta w
net) tb w
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
1
11 1
1t
24
三 .定容加热理想循环— Otto cycle
2
3
2
1
p
p
v
v
25
231 TTcq V
11
1 11 1 1
1 1t
142 TTcq V 23
14
1
2 11TT
TT
q
qt
2
3
2
1
p
p
v
v
26
讨论：
ta )
net) ; tb w 不变，但
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
§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
pV TTT ,1m1m,1m
pV TTT ,2m2m,2m
1m
2m
1
2 11T
T
q
qt
pV ,tt,t
②最高压力相同、最高温度相同
Vp TTT ,1m1m,1m
pV TTT ,2m2m,2m
1m
2m
1
2 11T
T
q
qt
pp ,tt,t
③ ③ 和 相同和 相同
T
s
2t
1
1q
q
tv tm tp
2v 2m 2pq q q
平均温度法
1q
3m
4m
1
2
3v
4v
3p
4p
30
§10-5 燃气轮机装置循环
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。
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）。
一、定压加热燃气轮机循环
布雷登循环 Brayton cycle
燃气轮机装置
闭式燃气轮机装置
勃雷登循环图示勃雷登循环图示
p
v
T
s
1
2 3
4 1
2
3
4
勃雷登循环的计算勃雷登循环的计算T
s
1
2
3
4
吸热量： 1 p 3 2q c T T
放热量： 2 p 4 1q c T T
热效率：
1 2 2 4 1t
1 1 1 3 2
1 1w q q q T T
q q q T T
勃雷登循环热效率的计算勃雷登循环热效率的计算T
s
1
2
3
4
热效率：4 1
t3 2
1T T
T T
41
1
32
2
1
1
1
TTT
TTT
11
222
11
1 11 1 1 k
k
TTT
pT
p
1 1
3 3 2 2
4 4 1 1
k k
k kT p p T
T p p T
1t,C
3
1T
T
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勃雷登循环热效率的计算T
s
1
2
3
4
热效率：
t 1
2
1
11 k
kpp
定义：压比 2
1
p
p
1
11 k
k
t k t
勃雷登循环净功的计算勃雷登循环净功的计算T
s
1
2
3
4
定义： 循环增温比 3
1
T
T
3 2 4 1
3 4 21
1 1 1
1
p p
p
w c T T c T T
T T Tc T
T T T
净
1 1
1 1k k
k kpc T
对净功的影响对净功的影响T
s
1
2
3
4
3
1
T
T
1 1
1 1k k
k kpw c T
净
3’
4’当 不变
不变
w净
但 T3 受材料耐热限制
1
11t k
k
对净功的影响对净功的影响T
s3
1
T
T
1 1
1 1k k
k kpw c T
净
当 不变
太大w净
3T
太小 tt w净
存在最佳 ，使 最大 w净 1
11t k
k
1T
最佳增压比 （最佳增压比 （ ww 净净）的求）的求解解
T
s
1 1
1 1k k
k kpw c T
净
令
opt
3T
2( 1)opt ( )
k
kw 净
1T
0w
净
最大循环净功 21 1opt pw c T
42
§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。
43
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
CS 2 1CS '
C 2 1
s
a
w h h
w h h
'C 2 1
CS
1sw h h
2 1 2 1CS
1a sh h h h
', 3 4
, 3 4
t T aT
t T s
w h h
w h h
', 3 4t T T sw h h
4 3 3 4T sah h h h
三 . 燃气轮机装置的内部热效率 (internal thermal efficiency)ηi
'net'1
i
w
q
' ' 'net , 3 4 2 1
1t T c T s s
cs
w w w h h h h
)(1
121323'1 hhhhhhq s
csa
13 4 2 1
CSCS
3 1 2 1 1CS CS
11
1 1 1
1
Toi s s
i
s
h h h h
h h h h
T
)(1
)(
)(1
)(
1213
1243
TTTT
TTTT
scs
scs
sT
13 4 2 1
CSCS
3 1 2 1 1CS CS
11
1 1 1
1
Toi s s
i
s
h h h h
h h h h
T
)(1
)(
)(1
)(
1213
1243
TTTT
TTTT
scs
scs
sT
13 4 2 1
CSCS
3 1 2 1 1CS CS
11
1 1 1
1
Toi s s
i
s
h h h h
h h h h
k
k
T
T
T
T 1
4
3
1
2
1
3
T
T
46
讨论：
C
CS
CS
)
0.85 ~ 0.92 0.85 ~ 0.90
i T
T i
T
a
S除 、 外 还与 、 有关，
，
目前 ，
ib ,) 一定时，
但有极值 ic ,)
增大 τ是提高燃气轮机装置性能（ wnet， ηi）的方向。
13 4 2 1
CSCS
3 1 2 1 1CS CS
11
1 1 1
1
Toi s s
i
s
h h h h
h h h h
T
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 ） MPapp 6.58.0712
KTT
TTcs
95.52190.0
29076.49829012
1'2
1
1
1
1
212
T
p
pTT
K76.4987290 3868.1
13868.1
KTT 1160429013
KTp
pTT 48.674
7
11160
1 3868.1
13868.11
3
1
3
434
KTTTT T 32.71348.674116092.01160433'4
kgkJ
TTcq p
02.436
29032.71303.11'42
kJqw inet 14.22119.6573365.01
2）压气机内空气 gf ssss 1'2 sf=0
2
'2'2212'12
1
'2
1
'2
ln
04685.07ln287.0290
95.521ln03.1lnln
T
Tcssssor
KkgkJ
p
pR
T
Tcs
pg
pg
kgkJ
TTcq p
19.657
95.521116003.1'231
%65.3319.657
02.43611
1
2 q
qi
燃气轮机内
gf ssss 3'4
Sf=0
KkgkJ
T
Tcsss pg
05767.048.674
32.713ln03.1
ln4
'4'4443
kgkJsTI
kgkJsTI
g
g
72.1605767.0290
58.1304685.0290
0
0
燃燃气机
压压气机
kgkJq
T
Tq
kgkJq
T
Tq
a
a
18.16702.43633.470
29011
65.41819.65796.798
29011
2
2
0,2
1
1
0,1
3.3072.1658.13
33.3018.16714.22165.418201
燃压 IIIor
qWqI aa
K
T
Tc
q
s
qT
K
p
pR
T
Tc
s
qT
p
p
33.470ln
96.798
lnln
19.657
1
'4
2
1'4
22
'2
3
'2
33'2
11
3)
52
§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 182
731)1
TTcq
TTcq
p
p
回
回
ttT
T
q
q
回
回
回
回回
1
2
1
2, 11
2）极限回热
162531 TTcqTTcq pp 回回
54
3）回热度— regenerator effectiveness
64
84
25
27
hh
hh
hh
hh
量理论上极限可利用的热
实际回热利用的热量
注意： π达一定值，回热不能进行4）实际循环的回热
55
分级压缩，中间冷却—multistage compression and intervening cooling
二 . 分级压缩，中间冷却采用分级压缩，中间冷却后 ηt？ 循环 12341：
1
11 t
循环 1567341：循环 12341
循环 67256
循环 67256： tt
1
1
11'
123411567341 tt
回热基础上分级压缩中间冷却
net,1567341 net,12341w w
回热基础上
12341,11567341,1 qq
12341,1567341, tt
58
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 127101,12341, tt
若回热 循环 12389101与循环 12341 比较 T1m上升， T2m下降
12389101 ,12341t t
127101,2389101, tt
,2389101 ,12341t t
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。
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
K
p
pTT
2.492
100
60022273
4.1
14.1
1
1
212
解： 1）
1'2
12
'21
21
TTc
TTc
w
w
p
pcs
K
TTTT
cs
0.527
85.0
2952.49229512
1'2
Kp
pT
p
pTT 3.641
600
100800273
4.1
14.11
2
13
1
3
434
KkgkJs
T
Tcssss
g
p
./098.0
ln04
'4'44'4443'43
KeeTT 29.7071.643 03.1
098.0
03.1
098.0
4'4
%5.245271073
2950.52729.7071073'23
1'2'43
'23
1'2'43
1
TT
TTTT
TTc
TTcTTc
q
w
p
ppnett
所以，循环效率
极限回热后
%6.36
29.7071073
2950.527111
'43
1'2
1
2
TTc
TTc
q
q
p
pt
气体动力循环热效率分析归纳： 基础：
net 2 2
1 1 1
1 1 1 Lt
h
w q T T
q q TT
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。
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？
思 考 题思 考 题