华北电力大学(北京)工程热力学课件(第十章)

活塞式内燃机循环特点：开式 活塞式内燃机循环特点 开式循环(open cycle)； 开式 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。
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二、平均有效压力-平均有效压力 mean effective pressure
Wnet MEP = Vh
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三.活塞式内燃机循环的简化
分析
T1 1 ηt = 1 − = 1 − κ T2 κ −1
π
a ) π ↑ ηt ↑
ηt 与T3无关 ？
b) π 一定 q1 ↑ wnet ↑ ηt 不变
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c) τ 一定，π 取某值wnet → wmax
wnet = q1 − q2
= c p [(T3 − T2 ) − (T4 − T1 )]
与实际循环相当的卡诺循环热效率 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 相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失
q1 = h3 − h2 = c p 0 (T3 − T2 )
q2 = h4 − h1 = c p 0 (T4 − T1 )
T4 T1 ( − 1) c p 0 (T4 − T1 ) q2 T1 =1− h2 = 1 − 循环热效率： 循环热效率 η t = 1 − T3 q1 c p 0 (T3 − T2 ) T2 ( − 1) T2
Tm 2 ηt = 1 − =1− q1 Tm1 q2
η t ,V > η t > η t , p
最高压力相同、 ②最高压力相同、最高温度相同
Tm1, p > Tm1 > Tm1,V
Tm 2,V = Tm 2 = Tm 2, p
Tm 2 ηt = 1 − =1− q1 Tm1 q2
ηt, p > ηt > ηt, p
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κ κ 因 p1v1 = p2 v2
κ κ p5 v5 = p4 v4
p4 = p3 v1 = v5 v2 = v3
两式相除，考虑到
p5 p4 v4 p3 v4 = = = λρ κ p1 p2 v3 p2 v3
T5 = T1λρ κ
把T2、T3、T4和T5代入
火用损
2）第二定律分析法 熵分析法
火用分析法
作功能力损失
火用效率
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3) 内部热效率 内部热效率(internal thermal efficiency )ηi ——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。
ηi =
其中
wnet, act q1
=
ηT wnet
q1
= ηTηt = ηcηoηT
T0 ηc = 1 − T1
v4 定压预胀比 — cutoff ratio ρ = v3
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2.循环热效率
wnet ηt = q1
wnet = w1− 2 + w2−3 + w3− 4 + w4−5 + w5−1 = w1− 2 + w3− 4 + w4−5
κ −1 κ −1 κ κ Rg 1 − p2 + p ( v − v ) + Rg T 1 − p5 = T1 3 4 3 4 p1 p4 κ −1 κ −1
用途：飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak用途 load set)，和蒸汽机组组成联合循环等。
一、定压加热燃气轮机循环 布雷登循环
Brayton cycle
燃气轮机装置
燃气轮机装置循环的四个过程： 燃气轮机装置循环的四个过程： 绝热压缩过程（压气机）； ①绝热压缩过程（压气机）； 定压加热过程（燃烧室、 ②定压加热过程（燃烧室、加 热器）； 热器）； 绝热膨胀过程（燃气轮机、 ③绝热膨胀过程（燃气轮机、 气轮机）； 气轮机）； ④定压放热过程（大气、冷却 定压放热过程（大气、 器）。
将参数关系代入， 将参数关系代入，有：
ηt = 1 −
1
π (κ −1) / κ
可见， 热效率提高。 可见，↑π，热效率提高。 热效率提高 功量—燃气轮机轴功： 功量 燃气轮机轴功：ws ) T = h3 − h4 = c p 0 (T3 − T4 ) 燃气轮机轴功 ( 压气机耗功： 压气机耗功： ( ws ) c = h2 − h1 = c p 0 (T2 − T1 )
三.定容加热理想循环—Otto cycle
v1 ε= v2
p3 λ= p2
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v1 ε= v2 p3 λ= p2
q1 = cV (T3 − T2 )
q2 = cV (T4 − T1 )
q2 T4 − T1 ηt = 1 − = 1 − q1 T3 − T2
κ
λρ − 1 1 = 1 − κ −1 ρ = 1 ⇒ ηt = 1 − κ −1 ε ε ( λ − 1) + κλ (19 − 1) ρ
由c) wnet κκ−1 τ = c pT1 π − 1 κ −1 − 1 π κ
可见： 1）对于每一τ，均有其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。
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wnet ηt = q1
ηt ηo = ηc
ηT =
wnet, act wnet
一.活塞式内燃机(internal combustion engine)简介
分类： 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 )
§10-5 燃气轮机装置循环
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特点： 特点 1.开式循环(open cycle)，工质流动 2.运转平稳，连续输出功 运转平稳， 3.启动快，达满负荷快 启动快， 4.压气机消耗了燃气轮机产生功率 绝大部分， 的绝大部分，但重量功率比 (specific weight of engine)仍较大
或
wnet = qnet = q1 − q2
q2 = q5−1 = cV (T5 − T1 )
q1 = q2−3 + q3− 4 = cV (T3 − T2 ) + c p (T4 − T3 )
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T5 − T1 q2 = 1− ηt = 1 − (T3 − T2 ) + κ (T4 − T3 ) q1
q1 = c p (T3 − T2 )
讨论：
ρ κ −1 λ = 1 ⇒ ηt = 1 − κ −1 κε ( ρ − 1)
a) ε ↑ ηt ↑ wnet ↑
C) 重负荷（ρ↑，q1 ↑ ）时
b) ρ ↑ ηt ↓ wnet ↑
内部热效率下降，除ρ↑ 外还有因温度上升而使 κ↓，造成热效率下降
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κ
κ
T5 − T1 ηt = 1 − (T3 − T2 ) + κ (T4 − T3 )
λρ κ − 1 ηt = 1 − κ −1 ε 14( λ − 1) + κλ ( ρ − 1)
讨论： 讨论
a) ε ↑ η t ↑
b) λ ↑ η ↑ t
c) ρ ↑ η ↓ t
归纳： 吸热前压缩气体， 归纳 a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高 效率的重要措施，是卡诺循环， 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。 环的指导 b.利用T-s图分析循环较方便。 图分析循环较方便。 c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。 平均。
利用ε、λ、ρ表示η t
v1 1 → 2 有 T2 = T1 = T1ε κ −1 v 2 p3 κ −1 2 → 3 有 T3 = T2 = T1λε p2 v4 3 → 4 有 T4 = T3 = T1 ρλε κ −1 v3
κ −1
p5 5 → 1 有 T5 = T1 p1
讨论：
a )
ε ↑
η
t
↑
C) 重负荷（q1 ↑ ）时内部
b) λ ↑; ηt 不变，但wnet ↑
热效率下降，因温度上升 使 κ↓，造成热效率下降
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§10–4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 压缩比相同、 ①压缩比相同、放热量相同
Tm1,V > Tm1 > Tm1, p Tm 2,V = Tm 2 = Tm 2, p
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
工程热物理教研室制作 2005年 2005年5月
第十章 气体的动力循环 -- Gas power cycles
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§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 抽象、简化 可逆理论循环 1）实际循环（复杂不可逆）
κ −1 κ τ π − 1 κ −1 = c pT1 κ −1 − π κ − 1 π κ
δ wnet 令 = 0, π = τ dπ
κ 2(κ −1)
时wnet → wnet,max
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d ) wnet 与τ 及π 的关系