工程热力学第9章-工程热力学(沈维道_童钧耕主编)第四版
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t
1
1 2
v1 T2 T1 v2
T1 1
23
p3 T3 T2 T1 1 p2
34
5 1
v4 T4 T3 T1 1 v3
p5 T5 T1 p1
12
求
p1v1 p2v2 ； p5 v5 p4v4
p5 p1
两式相除，考虑到
p4 p3 v1 v5 v2 v3
p5 p4 v4 p3 v4 p1 p2 v3 p2 v3 p5 T5 T1 T5 T1 p1
把T2、T3、T4和T5代入
T5 T1 t 1 T3 T2 T4 T3
2 1
wnet wnet,max
31
d ) wnet与 及的关系
由c) wnet 1 c pT1 1 1 1
可见： 1）对于每一τ，均有π，
其w→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。
q2 cV T4 T1
q1 c p T3 T2
15
讨论：
a) t wnet
b) t wnet
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
16
三、定容加热理想循环(Otto cycle)
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 )
5
２．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。
6
二、活塞式内燃机循环的简化
7
三、平均有效压力(mean effective pressure)
Wnet Vh
pMEP
8
9–3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热理想循环 （dual combustion cycle）
01 12 23 34 45 50 吸气 压缩 喷油、燃烧 燃烧 膨胀作功 排气
1
Cs
2s
h
2s
h1
h3 h2 h3 h1 q1
整理
1
Cs
s
h
1 t 1 1 1 1
13
讨论：
a) t
b) t
c) t
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。
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
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： 压缩比(compression ratio) 定容增压比(pressure ratio)
气体动力循环中工作流体 燃烧和排气过程
理想气体
空气
定比热
吸热和放热过程
4
燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计
9–2 活塞式内燃机实际循环的简化
一、活塞式内燃机(internal combustion engine)简介
1．分类：
按燃料：煤气机(gas engine) 汽油机(gasoline engine; petrol engine) 柴油机(diesel engine)
tv tm tp
或
T 2v T 2 m T 2 p
T 1v T 1m T 1 p
20
二、循环pmax、Tmax相同时的比较
q2 p q2m q2v q1 p q2m q2v
t,p t,m ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt,v
或
T 2 p T 2 m T 2v
T 1 p T 1m T 1v
14
二、定压加热理想循环(Diesel cycle)
v1 v2 v3 v2
q2 t 1 q1
T4 T1 t 1 T3 T2 1 t 1 1 1 1 1 1 t 1 1 1
T3 T2
循环增温比（temperature ratio） 3-4 等熵膨胀（燃气轮机内） 4-1 定压放热（排气，假想换热器）
28
三、定压加热理想循环分析
1.热效率ηt
q1 h3 h2 c pm
t3 t2
T3 T2 c p T3 T2
t4 t1
q2 h4 h1 c pm
例A470299 例A447277
21
9-5 燃气轮机装置循环
一、燃气轮机(gas turbine)装置简介
小型燃气轮机
22
轴流式燃气轮机
23
24
25
26
构成
压气机(compressor)
燃烧室(combustion chamber)
燃气轮机(gas turbine)
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
27 飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set) 等。
二、定压加热理想循环 （constant-pressure combustion cycle， Brayton cycle）
1-2 等熵压缩（压气机内）
p2 p1
循环增压比（pressure ratio） 2-3 定压吸热（燃烧室内）
v1 v2
p3 p2
定压预胀比 (cutoff ratio)
v4 v3
10
2. 循环热效率
wnet t q1
wnet w12 w23 w34 w45 w51 w12 w34 w45
1 1 Rg Rg p2 p5 T1 1 p3 v4 v3 T4 1 1 p1 1 p4
32
9–6 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 2-3 3-4 4-1 不可逆绝热压缩； 定压吸热； 不可逆绝热膨胀； 定压放热。
33
二、压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency) 和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency) wC,s h2s h1 C,s wC h2 h1 1 1 h2 h1 h2s h1 wC h2s h1 C,s C,s
1
9–1 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） 分析可逆循环 影响经济性的主要因素和可能改进途径 指导改善 实际循环 抽象、简化 可逆理论循环
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
——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比
其中
i
wnet t q1
wnet,act q1
T wnet
q1
Tt
与实际循环相当的内可逆循环的热效率 相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失
T
wnet,act wnet
五、空气标准假设(the air-standard hypothesis)
或
wnet qnet q1 q2
q1 q23 q34 cV T3 T2 c p T4 T3
q2 q51 cV T5 T1
11
T5 T1 q2 t 1 1 q1 T3 T2 T4 T3
T4 T1 c p T4 T1
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
p4 T4 T3 p 3 p1 T1 T2 p 2
1
1
p4 p1
T4 T1 T T T 4 1 1 p3 p 2 T3 T2 T3 T2 T2
2
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 熵分析法 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。 熵产 火用损 作功能力损失
火用效率
3
四、内部热效率i(internal thermal efficiency )
注意：式中T1、T2并非指高温 热源，低温热源。
T1 1 t 1 1 T2 1
29
2.分析
T1 1 t 1 1 T2 1
a) t t与T3无关
？
b) 一定 q1 wnet t不变
30
c) 一定， 取某值wnet wmax
第九章 气体动力循环
Gas power cycles
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
18
讨论： a)
t
b) ; t不变，但wnet
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
19
9–4 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
q1v q1m q1 p
q2v q2m q2 p
v1 v2
p3 p2
17
v1 v2 p3 p2
q1 cV T3 T2
q2 cV T4 T1
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
1 1 1 t 1 1 1 1 1 1
wnet q1 q2 c p T3 T2 T4 T1
1 1 1 c pT1 1 1
δwnet 0 d
T
wt,T wt,T
T h3 h4s wt,T
h3 h4 h3 h4s
h4 h3 T h3 h4s
34
三、燃气轮机装置的内部热效率 (internal thermal efficiency)ηi
wnet i q1
wt,T wC T h3 h4s wnet
t
1
1 2
v1 T2 T1 v2
T1 1
23
p3 T3 T2 T1 1 p2
34
5 1
v4 T4 T3 T1 1 v3
p5 T5 T1 p1
12
求
p1v1 p2v2 ； p5 v5 p4v4
p5 p1
两式相除，考虑到
p4 p3 v1 v5 v2 v3
p5 p4 v4 p3 v4 p1 p2 v3 p2 v3 p5 T5 T1 T5 T1 p1
把T2、T3、T4和T5代入
T5 T1 t 1 T3 T2 T4 T3
2 1
wnet wnet,max
31
d ) wnet与 及的关系
由c) wnet 1 c pT1 1 1 1
可见： 1）对于每一τ，均有π，
其w→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。
q2 cV T4 T1
q1 c p T3 T2
15
讨论：
a) t wnet
b) t wnet
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
16
三、定容加热理想循环(Otto cycle)
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 )
5
２．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。
6
二、活塞式内燃机循环的简化
7
三、平均有效压力(mean effective pressure)
Wnet Vh
pMEP
8
9–3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热理想循环 （dual combustion cycle）
01 12 23 34 45 50 吸气 压缩 喷油、燃烧 燃烧 膨胀作功 排气
1
Cs
2s
h
2s
h1
h3 h2 h3 h1 q1
整理
1
Cs
s
h
1 t 1 1 1 1
13
讨论：
a) t
b) t
c) t
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。
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
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： 压缩比(compression ratio) 定容增压比(pressure ratio)
气体动力循环中工作流体 燃烧和排气过程
理想气体
空气
定比热
吸热和放热过程
4
燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计
9–2 活塞式内燃机实际循环的简化
一、活塞式内燃机(internal combustion engine)简介
1．分类：
按燃料：煤气机(gas engine) 汽油机(gasoline engine; petrol engine) 柴油机(diesel engine)
tv tm tp
或
T 2v T 2 m T 2 p
T 1v T 1m T 1 p
20
二、循环pmax、Tmax相同时的比较
q2 p q2m q2v q1 p q2m q2v
t,p t,m ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt,v
或
T 2 p T 2 m T 2v
T 1 p T 1m T 1v
14
二、定压加热理想循环(Diesel cycle)
v1 v2 v3 v2
q2 t 1 q1
T4 T1 t 1 T3 T2 1 t 1 1 1 1 1 1 t 1 1 1
T3 T2
循环增温比（temperature ratio） 3-4 等熵膨胀（燃气轮机内） 4-1 定压放热（排气，假想换热器）
28
三、定压加热理想循环分析
1.热效率ηt
q1 h3 h2 c pm
t3 t2
T3 T2 c p T3 T2
t4 t1
q2 h4 h1 c pm
例A470299 例A447277
21
9-5 燃气轮机装置循环
一、燃气轮机(gas turbine)装置简介
小型燃气轮机
22
轴流式燃气轮机
23
24
25
26
构成
压气机(compressor)
燃烧室(combustion chamber)
燃气轮机(gas turbine)
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
27 飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set) 等。
二、定压加热理想循环 （constant-pressure combustion cycle， Brayton cycle）
1-2 等熵压缩（压气机内）
p2 p1
循环增压比（pressure ratio） 2-3 定压吸热（燃烧室内）
v1 v2
p3 p2
定压预胀比 (cutoff ratio)
v4 v3
10
2. 循环热效率
wnet t q1
wnet w12 w23 w34 w45 w51 w12 w34 w45
1 1 Rg Rg p2 p5 T1 1 p3 v4 v3 T4 1 1 p1 1 p4
32
9–6 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 2-3 3-4 4-1 不可逆绝热压缩； 定压吸热； 不可逆绝热膨胀； 定压放热。
33
二、压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency) 和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency) wC,s h2s h1 C,s wC h2 h1 1 1 h2 h1 h2s h1 wC h2s h1 C,s C,s
1
9–1 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） 分析可逆循环 影响经济性的主要因素和可能改进途径 指导改善 实际循环 抽象、简化 可逆理论循环
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
——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比
其中
i
wnet t q1
wnet,act q1
T wnet
q1
Tt
与实际循环相当的内可逆循环的热效率 相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失
T
wnet,act wnet
五、空气标准假设(the air-standard hypothesis)
或
wnet qnet q1 q2
q1 q23 q34 cV T3 T2 c p T4 T3
q2 q51 cV T5 T1
11
T5 T1 q2 t 1 1 q1 T3 T2 T4 T3
T4 T1 c p T4 T1
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
p4 T4 T3 p 3 p1 T1 T2 p 2
1
1
p4 p1
T4 T1 T T T 4 1 1 p3 p 2 T3 T2 T3 T2 T2
2
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 熵分析法 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。 熵产 火用损 作功能力损失
火用效率
3
四、内部热效率i(internal thermal efficiency )
注意：式中T1、T2并非指高温 热源，低温热源。
T1 1 t 1 1 T2 1
29
2.分析
T1 1 t 1 1 T2 1
a) t t与T3无关
？
b) 一定 q1 wnet t不变
30
c) 一定， 取某值wnet wmax
第九章 气体动力循环
Gas power cycles
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
18
讨论： a)
t
b) ; t不变，但wnet
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
19
9–4 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
q1v q1m q1 p
q2v q2m q2 p
v1 v2
p3 p2
17
v1 v2 p3 p2
q1 cV T3 T2
q2 cV T4 T1
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
1 1 1 t 1 1 1 1 1 1
wnet q1 q2 c p T3 T2 T4 T1
1 1 1 c pT1 1 1
δwnet 0 d
T
wt,T wt,T
T h3 h4s wt,T
h3 h4 h3 h4s
h4 h3 T h3 h4s
34
三、燃气轮机装置的内部热效率 (internal thermal efficiency)ηi
wnet i q1
wt,T wC T h3 h4s wnet