第十章 气体动力循环

1.0 3
max
热能工程教研室
k 2 k 1
=2
wnet ,max c pT1 1


2
0
10

§10-6 燃汽轮机装置的定压加热实际循环 不可逆来源：
T
压气机和燃气轮机 中的内部摩擦
压气机的绝热效率：
C ,s
h2 h1 ' ws h2' h1 wC ,s
1) 绝热指数k一定时：

t
t
k
t
0.7 0.6

T
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0.5
2) 绝热指数k的影响：
t
0.4
k＝1.35
10
12
14
16

18
三、定容加热理想循环
又称奥托循环（煤气机、汽油机）
可以看成是混合加热理想循环的特例， = 1
3
p 3 T
2
2
4
4 1 1
s
0
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0
三、定容加热理想循环
表示成循环特性参数的形式：
k 1 t 1 k 1 [( 1) k ( 1)]
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一、混和加热理想循环
k 1 t 1 k 1 [( 1) k ( 1)]
1）混合加热循环的热效率随压缩比和 定容增压比的增加而提高。
Power Cycles vs Refrigeration Gas vs Vapor Closed vs open Internal Combustion vs External Combustion
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Power Cycles
Subject of Chapters 10 and 11
Sabeander Cycle (萨巴德循环)
Diesel Cycle （狄赛尔循环） Otto Cycle (奥托循环)
Spark Ignition 内燃机
Brayton Cycle （布雷顿循环）
Gas Turbine 燃气轮机
Rankine Cycle（朗肯循环）
Vapor
蒸汽轮机
燃烧室
压气机
燃气轮机 4
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Closed cycle model for a gas turbine engine
1-2 Isentropic Compression 2-3 Constant Pressure heat addition 3-4 Isentropic Expansion 4-1 Constant Pressure heat rejection
＋
5 0 － 0 1’ 大气线 1 V
四冲程柴油机的工作过程的简化
1） 定容和定压燃烧 定容排气 定容和定压吸热 定容放热
2） 标准空气假定，且取定值比热容 3） 忽略内不可逆因素：摩擦，节流，。。。 开口系 闭口系 4） 忽略膨胀和压缩过程中气体与气缸壁面 的热交换 可逆绝热过程
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定压燃烧柴油机
第十章
气体动力循环
For the rest of the semester..
Look at different cycles that approximate real
processes
You can categorize these processes several
different ways
p 3 2 5 1 0 v 0 4 T 3 2 1 s 4
p
5
V
5
混合加热理想循环的 p- 图和 T－s 图
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一、混和加热理想循环
特征参数：
v1 绝热压缩比： v2
p 3 4
2 5 1
定容增压比： p3 p2 定压预胀比： v4
0
v
v3
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一、混和加热理想循环
柴油机，不受空气压缩的限制。采用 14~20级压缩：重型机械
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§10-4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较
比较的前提： 1）初态相同 2）吸热量、压缩比、最高温度及最 高压力相同 利用T－s图进行比较最为简便
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一、压缩比相同、吸热量相同时的比较
12341：定容吸热 122′3′4′1： 混合吸热 123″4″1： 定压吸热
热效率：
吸热： q1 q23 q34 cV T3 T2 c p T4 T3 放热： q2 q51 cV T5 T1 循环热效率：
T 2 1
4 3 5 s
T5 T1 q2 t 1 1 T3 T2 k T4 T3 q1
3 4′ 2 1 4
2′
压气机的绝热效率：
C ,s
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0
s
' ' h3 h4 实际膨胀做出的功 wT 理想膨胀做出的功 wT h3 h4
定容加热理想循环的 t － k 关系曲线
t
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
k＝1.4 1.35 k＝1.3 k＝1.2 k＝1.25
T
k
0.1
0
1
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2
3 4
5
6
7
8 9 10
三、定容加热理想循环
◆热负荷增大时
q1增大， 压缩比不变， 循环效率不变。 循环净功增大， 输出功率增大。
2
4
p min
T1m,m
T1 p,m
放热量相同， 吸热量不同
1
Tmin
T2 m
T1V ,m
6
tp tm tV
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0
5
s
§10-5 燃汽轮机装置循环
工质： 部件：
特点：
燃气+空气 压气机、燃烧室、燃气轮机
小尺寸、大功率、连续作功
3
燃气轮机工作流程：
循环是开式的、 不可逆的
1
2
T
3
t 1
1Βιβλιοθήκη 3’k 14’ 2
wnet 4’
T1m
T1'm
实际上，T升高， k减小，t减小。
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1
T2 m
T2'm
s
活塞式内燃机的应用
1）增大压缩比能提高循环效率 混合加热（一般柴油机）、定压加热 （Diesel）、定容加热（煤气机/汽油机） 2）压缩比的限制 汽油机，受预混燃料空气混合物爆燃条 件的限制。采用5~12级压缩：轻型机械
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燃气轮机装置定压加热理想循环-布雷顿循环
应用空气标准假设，燃气轮机循环或 称布雷顿循环可以简化为如下循环
p 2 3 T
3 4
2
1 0
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4
1 0 s

燃气轮机装置定压加热理想循环-布雷顿循环
热效率： 定义：
q2 h4 h1 t 1 1 q1 h3 h2
2 4 4’
T
3 3’ 2’ 3’’ 4’’
吸热量相同， 放热量不同
T1m,m
1
T2V ,m
T2 m, m
T1 p,m
T1V ,m
tV tm tp
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T2 p,m
0
5 5’ 5’’
s
The efficiency of the Otto cycle is always higher than the Diesel cycle
比循环功：
wnet wturbine wcompressor c pT1
1 k k
h3 h4 h2 h1
k 1 k
材料热强度许可范 围内尽可能提高T3
1
wnet c pT1
5
4
增温比 一定的条件下的 最大比循环功
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§10-1分析动力循环的一般方法
目的：
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，寻求提高经常性的方向和途径。
步骤：√ 1）将实际循环抽象成可逆的理论循环
2）分析实际循环与可逆理论循环的偏离 偏离部件、大小、原因及改进办法
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Real vs. Ideal
p
Actual cycle
活塞式柴油机的性能评估
平均有效压力MEP（Mean effective pressure）
循环静功 循环静功 MEP 活塞排量 活塞面积 冲程
两个相同尺寸的发动机进行比较时， MEP较大的机器的静输出功较大
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§10-3 活塞式内燃机的理想循环
一、混和加热理想循环 大多数柴油机的理想循环-萨巴德循环
循环平均吸热温度提高但循环平均放热温度不变
2）混合加热循环的热效率随定压预胀 比的增加而降低。
循环平均吸热温度提高但循环平均放热温度升高 得更多：定容线比定压线陡
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二、定压加热理想循环
又称狄塞尔（Diesel）循环 例如高增压柴油机及船用发动机 可以看成是混合加热理想循环的特例， = 1
冲程
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四冲程 (进气,压缩,燃烧膨胀,排气) 二冲程 (进气-压缩-燃烧膨胀,排气)
四冲程柴油机的工作过程
四冲程柴油机:
p 3
2 2’ 4
0-1: 吸气过程 1-2: 非绝热压缩 2‘: 喷油 2-3: 定容燃烧 3-4: 定压燃烧 4-5: 非绝热膨胀 5-1: 定容排气
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Ideal cycle
v