第九章-气体动力循环

目录第九章气体动力循环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活塞式内燃机各种理想循环的比较*9-5活塞式热气发动机及其循环9-6燃气轮机装置循环9-7燃气轮机装置的定压加热实际循环*9-8提高燃气轮机装置循环热效率的措施*9-9喷气发动机简介•教学目标：掌握分析动力循环的一般方法；了解活塞式内燃机实际循环的分析方法；了解燃气轮机循环的分析方法。•知识点：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机实际循环的简化；活塞式内燃机的理想循环；活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较；燃气轮机装置循环；燃气轮机装置的定压加热实际循环。•重点：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机循环分析;燃气轮机装置循环的分析方法，提高燃气轮机装置循环效率的方法和途径。•难点：实际循环简化成理想循环的方法；提高内燃机和燃气轮机装置循环效率的方法和途径。9-1分析动力循环的一般方法分析动力循环的目的是在热力学基本定律的基础上分析动力循环的能量转换的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。方法与步骤：1、将实际循环抽象和简化成理想循环任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的，且十分复杂。为了进行热力分析，需要建立实际循环相对应的热力学模型，即可用理想的可逆循环代替实际不可逆循环。如将实际不可逆的燃烧过程简化为可逆的吸热过程…动力循环的热效率：1211qqqwnett2、将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上3、对理想循环进行分析计算计算循环中有关状态点（如最高压力点、最高温度点）的参数，与外界交换的热量、功量以及循环热效率或工作系数。5、对理想循环的计算结果引入必要的修正考虑实际存在的不可逆性对理想循环的结果进行修正。4、定性分析各主要参数对理想循环的吸热量、放热量及净功量的影响，进而分析对循环热效率（或工作系数）的影响，提出提高循环热效率（或工作系数）的主要措施。平均温度分析法：121TTt•目前，分析热能动力装置循环主要采用热力学第一定律为基础的“第一定律分析”法。这种方法从能量转换的数量关系来评价循环的经济性，以热效率为其指标。另一种方法是综合热力学第一定律、第二定律作为依据，从能量的数量和质量来分析，以“作功能力损失和火用效率”为其指标的“第二定律分析”法。两类方法所揭示的不完善部位及损失的大小是不同的。为了全面地反映循环的真实经济性，在分析热能动力装置循环时，不仅要考虑能的数量，还应考虑能的质量。6、对实际循环进行热力学第二定律分析熵分析：作功能力损失空气标准假设•气体动力循环在简化时常应用所谓“空气标准”假设：①假定工作流体是一种理想气体；②假设它具有与空气相同的热力性质；③将排气过程和燃烧过程用向低温热源的放热过程和自高温热源的吸热过程取代。•实际气体循环中工质主要是燃气，且在循环的不同部位其成分不同。用空气替代燃气是否会造成很大的误差？•A:会有一定的误差，但过量的空气中占绝大部分的氮气没有参与燃烧反应，进行燃烧的燃料质量相对于空气质量也很小，所以可以认为在不同部位燃气的成分变化不大，且燃气和空气的热物性相近，在作理论分析时假定工质全部由空气构成通常不会造成很大的误差。但空气标准假设不能在水蒸气动力装置的循环中应用！itTcoT循环的经济性评价（内部热效率）：（9-1）ηc为卡诺循环热效率＝1-(T0/T1)ηo为相对热效率，反映内部可逆理论循环因与高、低温热源存在温差而造成的损失ηt为实际循环相应的内部可逆循环的热效率ηT为循环相对内部效率，反映内部摩擦引起的损失最高效率为卡诺循环效率（ηc），考虑存在温差的外部不可逆损失（ηo），再考虑内部摩擦等不可逆损失（ηT）。•活塞式内燃机的燃料燃烧、工质膨胀、压缩等过程都是在同一带有活塞的气缸内进行的，因此结构比较紧凑。9-2活塞式内燃机实际循环的简化一、几种活塞式内燃机简介汽油机柴油机煤气机按燃料分：压燃式点燃式按点火方式分：2冲程4冲程按完成一个循环所需要的冲程分：吸入燃料和空气的混合物，经压缩后，由电火花点燃吸入的仅仅是空气，经压缩后使空气的温度上升到燃料自燃的温度，再喷入燃料燃烧一般是点燃式内燃机则是压燃式内燃机内燃机装置四冲程内燃机工作过程(four-strokecycleengine)两冲程内燃机工作过程(two-strokecycleengine)二、实际循环的示功图（p-V图）下面以四冲程柴油机为例，讨论如何从实际循环抽象、概括得出理论循环。通过一种叫示功器的设备记录四冲程柴油机实际循环中压力和容积变化的关系如图9-1所示。下图是四冲程柴油机（混合加热）的示功图PVPb0121:下止点，进气阀关闭2’：柴油喷入高压高温的气缸内0-1：吸气过程。由于阀门阻力，吸入气缸内空气的压力略低于Pb。1-2：压缩过程，由于缸壁夹层中有水冷却，所以压缩过程是个多变过程，平均多变指数在1.34-1.37。2’3-5MPa，600-800℃2：经过一段滞燃期后开始燃烧；图9-1四冲程柴油机的示功图二、实际循环的示功图（p-V图）PVPb2342－3：燃烧过程十分迅猛，压力迅速上升，而活塞移动并不显著，接近定容加热。3-4：接近定压加热过程；5-9MPa3：上止点，开始右行，此时燃烧在继续进行，气缸内气体的压力变化很少；4：达到最高温度；0122’1700-1800℃3-5MPa，600-800℃图9-1四冲程柴油机的示功图二、实际循环的示功图（p-V图）PVPb0123451’5－1’：部分废气排入大气，气缸中压力突然下降，接近于定容降压过程；4－5：活塞继续右行，气缸内高温高压气体实现膨胀作功，同时向冷却水放热，所以也是一个多变过程；0.3-0.5MPa，≈500℃5-9MPa5：排气阀打开；1’－0：随着活塞左行，废气在压力稍高于大气压下被排出气缸；3-5MPa，600-800℃1700-1800℃图9-1四冲程柴油机的示功图活塞式内燃机循环的简化•为了便于从理论上分析，忽略一些次要因素，引用空气标准假设对实际循环加以合理的抽象和概括。主要有：•1）燃烧过程→可逆定容或（和）定压吸热过程；把排气过程→向低温热源可逆定容放热过程；•2）工质→定值比热的理想气体（空气）；•3）吸、排气过程→忽略摩擦及节流损失，认为进、排气推动功相抵消，即图9-1中0-1和1’-0重合，加之把燃烧改成加热后，不必考虑燃烧耗氧问题，因而开式循环就可抽象为闭式循环；•4）膨胀和压缩过程→可逆绝热（等熵）过程。•通过上述简化，整个循环理想化为以空气为工质的混合加热可逆循环。此抽象和概括的方法同样适用于其它以气体为工质的热机循环。简化结果•经过抽象和概括，现代柴油机的实际循环被理想化为混合加热理想可逆循环，又称萨巴德循环，如图9-4所示。图9-4混合加热循环的状态参数图绝热膨胀绝热压缩定压吸热定容吸热定容放热绝热膨胀绝热压缩定压吸热定容吸热定容放热pv1122334455pvTsssvVST9-3活塞式内燃机的理想循环一、混合加热理想循环Sabathecycle图9-4混合加热理想循环21vv23pp（1）压缩比：压缩前、后比体积之比，表征内燃机工作体积大小。（2）定容升压比:定容加热后与加热前压力之比，表示内燃机定容燃烧情况。（3）定压预胀比:定压加热后与加热前比体积之比，表示内燃机定压燃烧情况。34vvpv12345Tsv2345pvss1一、混合加热理想循环Sabathecycle123343243()()VpqqqcTTcTT吸热量：放热量：循环净功：25151()VqqcTT循环热效率：12netwqq512113243513243()11()()1()()netVtVpwcTTqqqcTTcTTTTTTkTT图9-4混合加热理想循环pv12345Tsv12345pvss•通常把气体动力循环的热效率表示为循环特性参数（压缩比ε、定容升压比λ、定压预胀比ρ）的函数。因为1-2与4-5是定熵过程，故有:11224455,kkkkpvpvpvpv注意到v1=v5、p4＝p3、v2=v3,并将上两式相除得:5344412223kkkpppvvppvpv12345pvss3-4是定压过程，有:2-3是定容过程，有:1-2是定熵过程，有:由于5-1是定容过程，所以:55111kpTTTp1112112kkvTTTv1332212kpTTTTp1443313kvTTTTv上式说明：1ηt随压缩比ε和定容增压比λ的增大而提高。2ηt随定压预胀比ρ的增大而降低。*在循环特性参数（ε、λ及ρ）一定的条件下，提高初态参数，对热效率虽然并无影响，但可以提高净功。因此可以采用“增压”等措施来提高柴油机的净功。混合加热循环的热效率为:（9-7）ε=v1/v2↑,T2↑λ=p3/p2↑,T3↑ρ=v4/v3↑,T4↑，但T5也↑111[(1)(1)]ktkk平均吸热温度升高因为定容线比定压线陡，平均放热温度的提高比平均吸热温度的提高要大pv12345Tsv二、定压加热理想循环Dieselcycle近年来，有些高增压柴油机及船用高速柴油机，它们的燃烧过程主要在活塞离开上止点后的一段行程中进行，这时燃料燃烧和燃气膨胀同时进行，气缸内压力基本保持不变→简化成定压加热理想循环，可以看成混合加热理想循环的特例——没有定容加热过程λ=1：图9-5定压加热理想循环的p-v图和T-s图3241pvss3241Tspv其定压加热理想循环热效率ηt随压缩比ε的增大而提高，随预胀比ρ的增大而降低。111(1)ktkk在重负荷（即油门开大，q1↑,预胀比ρ↑）时,实际内部热效率要降低，除ρ的影响外，还有绝热指数k的影响，当温度升高时，k相应地变小，热效率也会降低。图9-6定压加热理想循环ηt定压预胀比对循环热效率的影响32324411pvTssspv3'3'4'4'增大预胀比ρ，可使吸热平均温度升高，放热平均温度也升高，因定容线比定压线陡，所以放热平均温度增长的比吸热平均温度增长的快，使循环热效率减小。pv0Atmosphere火花塞举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环2pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环32pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere1'火花塞续3举例:汽油机的工作循环324pv0Atmosphere11'火花塞续