工程热力学第9章

1第九章气体动力循环Gaspowercycles9-1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29–1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。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。熵分析法分析法熵产作功能力损失4四、内部热效率i(internalthermalefficiency)——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比net,actTnetiTt11wwqq其中nett1wq与实际循环相当的内可逆循环的热效率net,actTnetww相对内部效率(internalengineefficiency)反映内部摩擦引起的损失五、空气标准假设(theair-standardhypothesis)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59–2活塞式内燃机实际循环的简化一、活塞式内燃机(internalcombustionengine)简介1．分类：按燃料：煤气机(gasengine)汽油机(gasolineengine;petrolengine)柴油机(dieselengine)按冲程：二冲程(two-stroke)四冲程(four-stroke)按点火方式：点燃式(sparkignitionengine)压燃式(compressionignitionengine)6开式循环(opencycle)；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8netMEPhWpV三、平均有效压力(meaneffectivepressure)901吸气12压缩23喷油、燃烧34燃烧45膨胀作功50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9–3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环（dualcombustioncycle）101.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：12vv32pp43vv压缩比(compressionratio)定容增压比(pressureratio)定压预胀比(cutoffratio)112.循环热效率nett1wqnet1223344551123445或netnet12wqqq11gg5213434141111RRppTpvvTpp342343321TTcTTcqqqpV15152TTcqqV12512t1324311TTqqTTTT、、111211212vTTTv13321223pTTTp14431334vTTTv551151pTTp利用表示t1311225544pvpvpvpv；两式相除，考虑到325134vvvvpp5344412323pppvvppvpvt111115511pTTp51TT51t32431TTTTTT把T2、T3、T4和T5代入求15pp14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15二、定压加热理想循环(Dieselcycle)2t11qq41t321TTTTt11111142TTcqV231TTcqpt111112321vvvv16讨论：tnet)awnet)tbw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(Ottocycle)2321ppvv18231TTcqV111111111t142TTcqV23141211TTTTqqt2321ppvv19讨论：t)anet);tbw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209–4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111vmpqqq或pmvTTT222pmvqqq222tvtmtppmvTTT11121二、循环pmax、Tmax相同时的比较222pmvqqq或vmpTTT222vmpqqq221t,t,t,pmvvmpTTT111例A470299例A447277229-5燃气轮机装置循环一、燃气轮机(gasturbine)装置简介小型燃气轮机23轴流式燃气轮机24252627构成压气机(compressor)燃烧室(combustionchamber)燃气轮机(gasturbine)特点1.开式循环(opencycle)，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(specificweightofengine)仍较大。用途飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-loadset)等。28二、定压加热理想循环（constant-pressurecombustioncycle，Braytoncycle）1-2等熵压缩（压气机内）2-3定压吸热（燃烧室内）3-4等熵膨胀（燃气轮机内）4-1定压放热（排气，假想换热器）21pp循环增压比（pressureratio）32TT循环增温比（temperatureratio）29三、定压加热理想循环分析1.热效率ηt321323232tpmtpqhhcTTcTT1212113434ppTTppTT2314pppp2134TTTT212314TTTTTT1t21111TT注意：式中T1、T2并非指高温热源，低温热源。141414241TTcTTchhqpttpm241t13211qTTqTT302.分析t)a1net)bqw一定1t21111TT？t3T与无关t不变31netmax)cww一定，取某值net12wqqnetδ0dw1423TTTTcp111111Tcp21netnet,maxww32net)dw与及的关系1net11)11pcwcT由可见：1）对于每一τ，均有π，其w→wnet,max2）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。339–6燃气轮机装置定压加热实际循环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。一、定压加热的实际循环34二、压气机绝热效率(adiabaticcompressorefficiency)和燃气轮机相对内效率(adiabaticturbineefficiency)s21C,sC,sC21hhwwhhsC21C,s1whhs2121C,s1hhhhst,T34Tt,T34whhwhhst,TT34whhs43T34hhhh35三、燃气轮机装置的内部热效率(internalthermalefficiency)ηineti1wq整理ssnett,TCT3421Cs1s1323121Cs1qhhhhhhsssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhh36讨论：CsT)ia除、外还与、有关i),b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。sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhhTCsiTCs0.85~0.920.85~0.90目前，379–7提高燃气轮机装置热效率的热力学措施一、回热（regeneration）讨论182731)1TTcqTTcqpp回回22tt,1111qTqT回回回回回2）极限回热162531TTcqTTcqpp回回383）回热度(regeneratoreffectiveness)64842527hhhhhhhh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72725246hhhhhhhh39分级压缩，中间冷却（multistagecompression，interveningcooling）二、分级压缩，中间冷却回热基础上压气机耗功很大分级压缩可降低压气机耗功循环12341：t111循环1567341：循环12341循环67256循环67256：tt1111采用分级压缩，中间冷却后ηt？+t1567341t1234140回热基础上分级压缩中间冷却net,1567341net,12341ww12341,11567341,1qqt,1567341t,12341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t,12341t,127101若回热循环12389101与循环12341比较T1m上升，T2m下降t,12389101t,12341t,2389101t,127101t,2389101t,12341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：net22111111LthwqTTqqTT