10热力学第十章-Rv.1

√
Real vs. Ideal
分析动力循环的一般方法
方法： 方法： 1）第一定律分析法 量的角度 2）第二定律分析法 品质的角度
分析动力循环的一般方法 1）循环效率法 ）
η i = η tη T = η cη oη T
内部热效率。 内部热效率。实际做功量和循环加热 ηi： 量之比
ηc: ηt:
－ 0 p 2 3
＋
5 4 1 大气线 V
0
又称狄塞尔（ 又称狄塞尔（Diesel）循环 ）
p
2
3
T
3 2
4
4 1 0 v 0 1 s
定压加热理想循环的p- Τ图和T－s图
定容燃烧汽油机， 定容燃烧汽油机，煤气机 燃烧过程在定容下完成
p
3 2＋ 0 － 4 1” 大气线 1’ V
0
又称奥托循环（煤气机、汽油机） 又称奥托循环（煤气机、汽油机）
T5 − T1 q2 ηt = 1 − = 1 − (T3 − T2 ) + k (T4 − T3 ) q1
2 1 0 s
q1 = q2−3 + q3− 4
T 3
4
5
关键： 关键：T2，T3，T4，T5？？
T 3 2 1 0
4
5
s
T
4 3 2 1 5
表示成循环特性参数的形式： 表示成循环特性参数的形式：
Pv Diagram
1-2 Isothermal Heat Addition 2-3 Isentropic Expansion 3-4 Isothermal Heat Rejection 4-1 Isentropic Compression
4 P 1 2 W=P ∫dV 3 v
And…
Since it is a cycle Q-W=0 Q=W In addition, we know that the efficiency for a Carnot Cycle is:
3 p 3 T
2 2 4 1 0 v 0 1
4
s
三、定容加热理想循环 定容加热理想循环的热效率: 定容加热理想循环的热效率: 表示成循环特性参数的形式： 表示成循环特性参数的形式：
q2 T4 − T1 ηt = 1 − = 1 − q1 T3 − T2
ηt = 1−
1
ε
k −1
ε
ηt
T
3’
3 T3
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 ）混合加热循环的热效率随定压预胀 的增加而降低。 比ρ的增加而降低。
循环平均吸热温度提高但循环平均放热温 度降低更多： 度பைடு நூலகம்低更多：定容线比定压线陡
不同压缩比的混合加热循环的比较
升压比和预胀比不同的混合加热循环
活塞式柴油机的性能评估
Spark Ignition 内燃机
Diesel Cycle （狄赛尔） Brayton Cycle （布雷顿）
Gas Turbine 燃气轮机
Rankine Cycle（朗肯）
Vapor 蒸汽轮机
§10-1分析动力循环的一般方法 10目的：动力循环的能量转换的经济性， 目的：动力循环的能量转换的经济性，以提 高循环效率的途径 步骤：1）抽象成可逆的理论循环 步骤： ） 分析该理论循环 影响循环效率的主要因素？？ 影响循环效率的主要因素？？ 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， 偏离部件，大小，原因，改进办法
Carnot Cycle
Ts diagram
1-2 Isothermal Heat Addition 2-3 Isentropic Expansion 3-4 Isothermal Heat Rejection 4-1 Isentropic Compression
4 T 1 Q=T ∫ dS 2
3 S
j =1 n
做功能力损失与循环最大做功能力之比表示损失大小
η I = π /Wmax
W max
T = 1 − 0 T1
Q1
B. Ex分析法 分析法 设备或系统的Ex效率 设备或系统的 效率
η Ex
有效Ex = 提供的Ex
Ideal Cycles
We’ll be using ideal cycles to analyze real systems, so lets start with the very important ideal cycle we’ve studied
=1 – T0/T1, 高低热源间卡诺循环热效率 (T1和T0间的 间的Carnot循环 循环) 循环 与实际循环相应的内部可逆循环热效率 (T1’和T2间的实际循环 和 间的实际循环) 论功量之比。反映内部摩擦引起的损失。 论功量之比。反映内部摩擦引起的损失。 (T1’和T2间的实际循环 和 间的实际循环)
3 p 3 T
2 2 4 1 0 v 0 1
4
s
定容加热理想循环的p- Τ图和T－s图
§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 大多数柴油机的理想循环 萨巴德循环 p 3 4 T 3 2 5 1 0 v 0 2 1 s 5 4
混合加热理想循环的p- Τ图和T－s图
平均有效压力MEP（Mean effective pressure） 平均有效压力 （ ）
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 两个相同尺寸的发动机进行比较时，MEP较 大的机器的净输出功较大
二、定压加热理想循环 又称狄塞尔（ 又称狄塞尔（Diesel）循环 ） 可以看成是混合加热理想循环的特例， 可以看成是混合加热理想循环的特例， λ = 1
p 2 3 T 3 2 4 1 0 v 0 1 s
4
二、定压加热理想循环 定压加热理想循环的热效率: 定压加热理想循环的热效率:
q2 T4 − T1 ηt = 1 − =1− q1 k (T3 − T2 )
−1 = 1 − k −1 ε k ( ρ − 1)
k
表示成循环特性参数的形式： 表示成循环特性参数的形式： η t 1) 绝热指数 一定时： 绝热指数k一定时 一定时：
For example
Internal combustion engine Gas turbine
We need to develop a new model, that is still ideal
分析动力循环的一般方法 方法： 方法： 1）第一定律分析法 量的角度 2）第二定律分析法 品质的角度 气体动力循环： 气体动力循环： 3）“空气标准”假设 ） 空气标准” 燃烧 高温热源吸热 排气 低温热源放热
定容线比定压线陡不同压缩比的混合加热循环的比较升压比和预胀比不同的混合加热循环平均有效压力mepmeaneffectivepressure冲程活塞面积循环静功活塞排量循环静功mep两个相同尺寸的发动机进行比较时mep较大的机器的净输出功较大二定压加热理想循环又称狄塞尔diesel循环可以看成是混合加热理想循环的特例二定压加热理想循环定压加热理想循环的热效率
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
Power Cycles vs Refrigeration Gas vs Vapor Closed vs open Internal Combustion vs External Combustion
Power Cycles
Subject of Chapters 10 and 11
Otto Cycle (奥图)
λρ − 1 η t = 1 − k −1 ε [(λ − 1) + kλ ( ρ − 1)]
k
0
s
一、混和加热理想循环
λρ k − 1 η t = 1 − k −1 ε [(λ − 1) + kλ ( ρ − 1)]
1）混合加热循环的热效率随压缩比ε ）混合加热循环的热效率随压缩比 的增加而提高。 和定容增压比λ的增加而提高。
Cold Air Standard Assumptions
Also assume a constant value for Cp, evaluated at room temperature
10§10-2 活塞式内燃机实际循环的简化
活塞式内燃机的分类： 活塞式内燃机的分类： 使用燃料 煤气机 汽油机 煤油机 煤气机、汽油机） 点燃式 （煤气机、汽油机） 煤油机） 压燃式 （煤油机） 四冲程 (进气 压缩 燃烧膨胀 排气 进气,压缩 燃烧膨胀,排气 进气 压缩,燃烧膨胀 排气) 进气-压缩 燃烧膨胀,排气 进气 压缩-燃烧膨胀 排气) 二冲程 (进气 压缩 燃烧膨胀 排气
一、混和加热理想循环 特征参数： 特征参数：
v1 绝热压缩比： 绝热压缩比： ε = v2
4 3 2 1 0 s 5
T
定容增压比： 定容增压比： λ = p 3
p2
定压预胀比： 定压预胀比： ρ = v4
v3
一、混和加热理想循环 热效率： 热效率： 吸热： 吸热： c (T − T ) + c (T − T ) = V 3 2 p 4 3 放热： 放热：q2 = q5−1 = cV (T5 − T1 ) 循环热效率： 循环热效率：
k＝1.3 ＝
k＝1.25 ＝
k＝1.2 ＝
7
8 ε 9 10
ηt = 1−
1
ε
k −1
◆热负荷增大时 q1增大， 增大， 不变， 压缩比ε不变， 循环效率不变。 循环效率不变。 循环净功增大， 循环净功增大， 输出功率增大。 输出功率增大。 实际上， 升高 升高， 实际上，T升高， k减小，ηt减小。 减小， 减小。 减小
ηt
0.7 0.6 0.5 0.4
ρ
ρ ε
ηt ηt
ρ = 1. 5 ρ = 2 .1 ρ = 2 .5
2) 绝热指数 变化时： 绝热指数k 变化时： ηt T k
k＝1.35 ＝
10
12
14
16
ε
18
三、定容加热理想循环 又称奥托循环（煤气机、汽油机） 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， 可以看成是混合加热理想循环的特例， ρ = 1
同温限下，平均吸 同温限下， 热温度提高， 热温度提高，平均 降热温度降低
2’
T
' 1m
T1m
2 1
4’
T2 m
4
' T2m
0
s
三、定容加热理想循环
定容加热理想循环的 ηt － k 关系曲线 0.7 ηt 0.6
T
k
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1 2 3 4 5 6
k＝1.4 ＝ 1.35
Air-Standard Assumptions
Air continuously circulates in a closed loop and behaves as an ideal gas All the processes are internally reversible Combustion is replaced by a heataddition process from the outside Heat rejection replaces the exhaust process
η th , Carnot
TL = 1− TH
提高循环效率的途径： 提高循环效率的途径： 提高循环中工质的平均吸热温度 降低循环中工质的平均放热温度 热 效 率 提 ？ 温 热 环 的 循 高 样 循环 热 ： 怎
Carnot Cycle is not a good model for most things
t c
循环相对内部效率。 ηT: 循环相对内部效率。循环中实际功量与理 相对内效率； η ηo: 相对内效率；= η /η ；外部温差换热引起 的不可逆损失
T1 q1 T1’ q1’ w’ q2 T2 q2’ T0
2）第二定律分析法 ） A. 熵分析法 做功能力损失与循环的熵产有关
π = T0 ∑ S g
大多数柴油机的理想循环-萨巴德循环 大多数柴油机的理想循环 萨巴德循环
p 3 4 T 3 2 5 1 0 v 0 2 1 s 5 4
混合加热理想循环的p- Τ图和T－s图
定压燃烧柴油机 例如：高增压柴油机， 例如：高增压柴油机，船用柴油机 只有等压燃烧， 只有等压燃烧， 没有定容燃烧 过程可作类似的 简化
点火方式
冲程
四冲程柴油机的工作过程
四冲程柴油机: 四冲程柴油机
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
p 3 2 2’
4
＋ － 0
5 1’ 大气线 1 V
0
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 2） 标准空气假定 ） 3） 忽略内不可逆因素：摩擦，节流，。。。 ） 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 定容和定压吸热 定容放热