工程热力学第9章 气体动力循环PPT课件
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工程热力学-09 气体动力循环
第九章
气体动力循环
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
吉恒松
混和加热循环 活塞式内燃机 定容加热循环
定压加热循环
燃气轮机装置
定压加热燃气轮机循环 回热循环 采用多级压缩中间冷却的回热循环
目的
按照循环过程性质，确定参数间的关系 写出循环热效率关系式 分析参数变化对循环热效率的影响
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
T2
T1
(
v1 v2
) k 1
T1 k1
T3
T2
p3 p2
T2
T1 k1
T4
T3
v4 v3
T3
T1 k1
T5
T4
(
v4 v5
)k 1
T4
(
v3 v1
)k 1
T4
(
)k
1
T1 k
t
1
1
k 1
(
k 1 1) k(
3 Ws
汽轮机 4
燃气轮机装置示意图
闭式燃气轮机装置示意图
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
13
一、定压加热燃气轮机循环
2
1、循环的四个过程
①可逆绝热压缩过程1-2 （压气机） 压气机 ②可逆定压加热过程2-3 （燃烧室） ③可逆绝热膨胀过程3-4 （燃气轮机）1 ④可逆定压放热过程4-1 （大气中） 空气
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
20
1)
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
5
t
1
1
k 1
(
气体动力循环
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
吉恒松
混和加热循环 活塞式内燃机 定容加热循环
定压加热循环
燃气轮机装置
定压加热燃气轮机循环 回热循环 采用多级压缩中间冷却的回热循环
目的
按照循环过程性质，确定参数间的关系 写出循环热效率关系式 分析参数变化对循环热效率的影响
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
T2
T1
(
v1 v2
) k 1
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T3
T2
p3 p2
T2
T1 k1
T4
T3
v4 v3
T3
T1 k1
T5
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v4 v5
)k 1
T4
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v3 v1
)k 1
T4
(
)k
1
T1 k
t
1
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k 1
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k 1 1) k(
3 Ws
汽轮机 4
燃气轮机装置示意图
闭式燃气轮机装置示意图
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
13
一、定压加热燃气轮机循环
2
1、循环的四个过程
①可逆绝热压缩过程1-2 （压气机） 压气机 ②可逆定压加热过程2-3 （燃烧室） ③可逆绝热膨胀过程3-4 （燃气轮机）1 ④可逆定压放热过程4-1 （大气中） 空气
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5
t
1
1
k 1
(
工程热力学(高教社第四版)课件 第9章2
9-6 燃气轮机装置循环用途：航空发动机尖峰电站移动电站大型轮船燃气轮机装置燃气轮机的利用燃气轮机装置简介燃气轮机示意图和理想化(布雷顿循环)23燃烧室工质：数量不变，定比热理想气体2）闭口⇒3）布雷顿循环（Brayton Cycle )图示s12341234布雷顿循环的计算Ts1234吸热量：()1p 32q c T T =−放热量：()2p 41q c T T =−热效率：12241t 1113211w q q q T T q q q T T η−−===−=−−布雷顿循环热效率的计算s1234热效率：t 12111k kp p η−=−⎛⎞⎜⎟⎝⎠循环增压比21p p π=111k kπ−=−πtηktη布雷顿循环净功的计算s1234循环增温比31T T τ=()()324134211111p p p w c T T c T T T T T c T T T T =−−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净1111k k k kp c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠对净功的影响s123431T T τ=1111k k kkp w c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净3’4’当不变π不变τw 净但T 3 受材料耐热限制111t k kηπ−=−τ对净功的影响s31T T τ=1111k k kkp w c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净当不变τ太大πw 净π3T 太小πt ηt ηw 净存在最佳，使最大πw 净111t k kηπ−=−1T最佳增压比（w 净）的求解s1111k k kkp w c T ττππ−−⎛⎞=−−+⎜⎟⎝⎠净令opt π3T 2(1)opt ()k k w πτ−=净1T 0w π∂=∂净最大循环净功()211opt p w c T τ=−9-7 燃气轮机装置的定压加热实际循环s1234压气机：绝热压缩燃气轮机：绝热膨胀2’4’'21c 12h h h h η−=−定义：'34oi 34h h h h η−=−燃气轮机的实际循环的净功Ts12342’4’()()'''314221oi 34cw h h h h h h h h ηη=−−−−=−−净净功吸热量''2113312ch h q h h h h η−=−=−−'21c 12h h h h η−=−'34oi 34h h h h η−=−'21c 12h h h h η−=−燃气轮机的实际循环的热效率s12342’4’1'''111111oik ckk c kw q τηηπητηπ−−−==−−−净t 热效率影响燃气机实际循环热效率的因素1'''111111oik ckk c kw q τηηπητηπ−−−==−−−净t·oi ηc η'tη·π一定，τ't η·τ一定，有最佳()'opt t πη·τ()'opt t πη右移和的关系()'opt tπη()'optw π净()'optw π净()'opt tπη()'opt wπ净tητπ受材料耐热限制取最佳()'opttπη有无其它途径2T 4T 4 500o C 1344p T 4>T 2回热一、回热9-8 提高燃气轮机装置循环热效率的措施布雷顿循环回热示意图234压气机燃气轮机燃烧室回热器4R2A回热在Ts 图上的表示21344R2R2A回热度2222A R h h h h σ−=−0.6~0.9t t 1w q ηη=>净回简2R 4R 2A压气机间冷的图示23燃气轮机燃烧室间冷器5压气机62’压气机间冷在Ts 图上的表示21342’65AB t 1w q η=净间1234162’256联合工作？压气机间冷热效率的推导A B tA 1A tB 1B t 1A 1B 1A 1B 1A 1B tA tB 1A 1B 1A 1Bw w q q q q q q q q q q q q ηηηηη++==++=+++净净间tA tBηη>tA tBt ηηη>>间tA tB ηη<tA tB t ηηη<<间tA tBηη=tA tBt ηηη==间间冷＋回热示意图3燃气轮机燃烧室间冷器5压气机62’回热器4R 2R间冷＋回热在Ts 图上的表示21342’65t t 1w q ηη=>净间+回简4R2R再热示意图23压气机燃气轮机燃烧室1燃烧室23’5再热在Ts 图上的表示2133’4’4t t ηη<再简w w >再简5结论：再热＋回热示意图123压气机燃气轮机燃烧室2回热器燃烧室14R2R53’再热＋回热在Ts图上的表示2 133’4’454R2R2t+t11qqηη=−>再回回w w>再+回回再热+间冷+回热示意图1234压气机燃气轮机燃烧室2回热器间冷器燃烧室12R4R结论：再热+间冷+回热在Ts 图上的表示3T s 214t t +1w q ηη=>净再+间+回再回t t t t ηηηη>>>再+间＋回再+回回简w w w w >>=再+间＋回再+回回简+w w >再+间+回再回2R4R无穷多级的极限情况2 13 4两个等温过程两个等压过程+回热概括性卡诺循环2~3第9章小结活塞式内燃机循环：燃气轮机循环：提高热效率的手段：t ηη=简124w 净1’2’0 w=净动力循环的一般规律:热能代价以作功为目的升压是前提加热是手段作功是目的放热是必须顺序不可变步骤不可缺。
工程热力学-10气体动力循环
柴油机的实际示功图
实际循环：
0-1 进气过程 1-2 压缩过程 2-3-4 燃烧过程 4-5 膨源自(作功)过程 5-1 自由排气过程
＋强制排气过程
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
2
实际循环的理想化： 1. 把热力过程理想化→理论示功图 ①进气过程→0-1定压吸气 ②压缩过程→1-2定熵压缩 ③燃烧过程→2-3定容加热＋3-4定压加热 ④膨胀过程→4-5定熵膨胀 ⑤排气过程→5-1定容排气＋1-0定压排气
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
6
w0 q23 34 q51
p1v1 { 1[( 1) ( 1)] ( 1)} 1
可见 , , w0
混合加热循环热效率 thermal efficiency
t
1
q2 q1
1
cp0 (T5 T1)
cV 0 (T3 T2 ) cp0 (T4 T3)
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
3
2. 把工质看做理想气体 3. 把开口系统简化为闭口系统 （进排气功近似相等，相互抵消）
混合加热循环 （萨巴特循环）
混合加热循环的热效率：
t
1
q2 q1 q1
cV 0 (T3
cV 0 (T5 T1) T2 ) cp0 (T4
T3 )
2020年8月4日
ρ
T4 T3 T1k1
T5
T4
(
)k 1
T1
k1(
)k 1
T1 k
能量分析：
吸热量 q23 u23 cV 0(T3 T2) q34 h34 cp0(T4 T3)
q1 q23 q34
放热量 q2 q51 u51 cV 0(T1 T5)
工程热力学与传热学9)_气体动力循环PPT课件
1压缩 2-3：定容吸热 3-4：定压吸热
4-5：绝热膨胀
5-1：定容放热
三、柴油机理想循环及其热效率
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量
p
3
4
T
4 3
2
2
5
5
1 1
v
s
定义几个柴油机特性参数
p
3
2
压缩比 v1
反映 气缸
4
v2 容积
5
定容升压比
p3 p2
1 定压预胀比 v4
工程热力学研究方法，先对实际动力循 环进行抽象和理想化，形成各种理想循 环进行分析，最后进行修正。
§9-1 柴油机实际循环和理想循环
一、四冲程柴油机实际工作循环
进气
压缩 燃烧和膨胀
排气
温度370~400 K， 压力
0.07~0.09MPa
进气行程
排气门关闭
下止点 上止点
活塞
P
进气门开启
大气压力线 r a
下止点 上止点
活塞
Z P
c
大气压力线 r
作功终了：温度 1300~1600 K， 压 力0.3~0.5 MPa
示功图
b
a V
下止点 上止点
活塞
进气门关闭 排气行程
排气门打开
Z P
残余废气
c b
大气压力线 r
V 示功图
温度900~1200 K 压力 0.105~0.115 MPa
温度300-370K 压力0.0785～ 0.0932MPa
第九章 气体动力循环
动力循环研究目的和分类
动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的 热量的一部分转换成对外的净功
《气体动力循环》课件
3
卡诺循环定理
热机工作最高效率与温度之间的关系可以通过卡诺循环来表达。
涡轮机
单级涡轮机
利用单一的轮盘（旋转的部件）和静子（静止 的部件）转换压缩气流为动能或反之。这种设 计可用于航空发动机、小型电站和低效率发动 机。
多级涡轮机
使用多个轮盘和静子提高效率，但需要更多的 空间和重量，和更昂贵的制造成本。
气体动力循环
本课程将介绍气体动力循环及其设计过程。我们会深入探讨现代热力学与涡 轮机技术之间的相互作用，同时讨论若干案例研究。
热力学定律
1
热力学第一定律
能量守恒定律。它表明，在任何一个系统中，能量不能被创造或消失，只是在转化的过程中 产生能量交换。
2
热力学第二定律
热量只能从高温区流向低温区，这种现象被称为热量的不可逆性。
热交换器
热交换器帮助将空气和热能传输到另一个容器中， 在各种情况下提高了效率和性能。
气体动力循环的性能与措施
1 热力系统的性能分析
对气体动力循环的性能进行综合评估，考虑 功率、效率、节能和环境等因素。
2 节能措施
节能措施通常包括降低系统内能量损失、增 加能量利用效率和改进热交换性能等措施。
3 性能指标计算方法
不同类型的热力循环
卡诺循环
卡诺循环是工程中最重要的热力学概念之一，它是 一种完全可逆的热力学过程。
布雷顿循环
是一种常用的气体动力循环，广泛应用于燃气轮机、 航空发动机和工业应用。
斯特林循环
斯特林循环是另一种常用的气体动力循环，主要用 于制冷、加热和转换工作。
燃气轮机
1
工作原理
燃气轮机是通过将压气机所吸入的空气
提供实现气体动力循环的一些计算方法和公 式。
工程热力学课件
稳态
描述最简单
系统内的状态参数不随时间而变化
均匀态 系统内的状态参数在空间的分布均匀一致
第四节 热力学状态参数
一、常见的状态参数
1、压力 2、温度 3、比容 4、内能 5、焓 6、熵
可直接观察和测量的状态参数：基本状态参数
热量和功量 ——非状态参数
p
第四节 热力学状态参数
一、常见的状态参数 二、状态参数的特性
一、状态 ：系统在某一瞬间所处的宏观状况
二、状态参数 ：描述系统宏观状态的物理量
三、平衡态（热力学平衡状态）
热平衡：热力系统的温度均匀一致，且不随时间而变 平衡态
力平衡：热力系统的压力均匀一致，且不随时间而变
平衡态：在无外界影响的条件下，热力学系统内部工质的温度和
压力到处是均匀一致的且不随时间变化。
第一篇 工程热力学
第01章 第02章 第03章 第04章 第05章
工程热力学的基本概念 热力学第一定律 热力学第二定律 理想气体 水蒸气
第06章 第07章
气体和蒸汽的流动 压缩机的热力过程
第08章 第09章 第10章
气体动力循环 蒸气压缩制冷循环 湿空气
第01章 工程热力学的基本概念
第一节 工质的概念及应用 第二节 热力学系统 第三节 热力学平衡态 第四节 热力学状态参数 第五节 准静态过程和可逆过程
边界
可以是真实的、也可以是虚拟的； 可以是固定的、也可以是活动的。 系统与外界通过边界相互作用； 有三种交换：①物质；② 功量；③ 热量
第二节 热力学系统
一、（热力学）系统、外界、边界 二、系统与外界的类型 划分依据：物质、功量、热量交换
1、系统的类型
开口系统：与外界有物质交换
西安交大工程热力学 第九章 气体动力循环
ηt = 1 −
ηt = 1 −
ρ −1 ε k ( ρ − 1)
k k −1
a ) ε ↑ ηt ↑ wnet ↑
b ) ρ ↑ ηt ↓ wnet ↑
λρ k − 1 − ε k −1 λ 1 + k λ ( ρ − 1)
λ =1
c) 重负荷（ 重负荷（ρ↑，q1 ↑ ）时 内部热效率下降， 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
p 3 2 2’ p0 5 1’ 1 V 4 p
3 2 5 1 4
0
0
v
理想混合加热循环（ 理想混合加热循环（萨巴德循环） 萨巴德循环）
分析循环吸热量 分析循环吸热量， 放热量，热效率和 热效率和功量 吸热量，放热量， p
3 2 5 1 4 2 1
汽油机动力循环 汽油机动力循环
T
3
4 5
v
s
4
柴油机与汽油机动力循环图示 柴油机与汽油机动力循环图示
9-3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热循环（ 混合加热循环（萨巴德循环） 萨巴德循环）-高速柴油机 分析循环吸热量 分析循环吸热量， 吸热量，放热量， 放热量，热效率和 热效率和功量 p
3 2 5 1 4 2 1
T
3
4 5
v
s
5
理想混合加热循环的计算
吸热量 T
3 2 1 5
定义几个指标性参数
4
气体动力循环分类
按点燃方式： 按点燃方式：点燃式 压燃式 按冲程数： 按冲程数： 二冲程 四冲程 汽油机 柴油机
吸入燃料和空气混合物， 吸入燃料和空气混合物，压缩后， 压缩后，由电 火花点燃。 火花点燃。 吸入空气， 吸入空气，压缩后， 压缩后，空气的温度上升到 燃料自燃的温度， 燃料自燃的温度，再喷入燃料燃烧。 再喷入燃料燃烧。 进气、 进气、压缩、 压缩、燃烧、 燃烧、膨胀和排 气，完成一个工作循环所需要 的冲程数量。 的冲程数量。
工程热力学蒸汽动力循环装置PPT课件
T
wt ,act wt
h1 h2act h1 h2
h2act h2 1T h1 h2 h2 1T h0
h0 h1 h2 称为理想绝热焓降
大功率汽轮机的ηT在0.85~0.92之间
▪ 实际循环内部功wnet,act：每千克蒸汽在实际工作循环中作出的循 环净功
wnet,act wt,act wP,act wt,act h1 h2act
1 1 h1 1 1 h1
h2 h2
h1 h1
h2 h2
▪ 回热循环工质平均吸热温度提高，平均放热温度不变，故循环热效率 提高，大于单纯朗肯循环热效率
第34页/共44页
▪ 回热循环工质吸热量减少，锅炉热负荷减低，节省金属材料 ▪ 由于汽耗率增大，汽轮机高压端蒸汽流量增加，低压端流量减小，
wt
wp q1
h1 h2 h4 h3 h1 h4
第5页/共44页
水泵功的近似值为
wp h4 h3 u4 p4v4 u3 p3v3
p4 p3 v3 p1 p2 v2
可t 得 hh热11 效hh率32 的 pp近11 似pp22式vv22
h1 h2 p1 h1 h2 p1
p2 v2 p2 v2
略
t
去w
h1 h2 p简h化1 为h2
循环初压力p1甚高时，水泵功约占汽轮机作 第6页/共44页
➢ 蒸汽参数对热效率的影响 ▪ 初温t1对热效率的影响 在相同的初压及背压下，提高新蒸汽的温度可使热效率增大 提高初温还可使终态2的干度x2增大，有利于提高汽轮机内效率和 延长汽轮机的使用寿命 提高初温受材料耐热性能的限制，最高蒸汽温度很少超过600℃
用轴功率表示为
Ps mT P0 mT Dh1 h2
《气体动力循环》ppt课件
任务过程： 喷气式发动机以一定飞行速度前进时，空气以一样速度进入。高 速气流在前端扩压管1中降速升压后进入压气机2，经绝热紧缩进一 步升压。紧缩空气在熄灭室3中和喷入的燃料一同进展定压熄灭。 产生的高温燃气先在燃气轮机4中绝热膨胀产生轴功用于带动压气 机，然后进入尾部喷管5中，在其中继续膨胀获得高速，最后从尾 部喷向大气。 喷气式发动机分量轻、体积小、功率大，其功率随本身运动速度 提高而增大，特别适宜用做航空发动机。
(4)定容回热过程 ：动力活塞1 位于其下死点，配气活塞2从其下 死点上移。使膨胀腔内工质经连 通管流入紧缩腔。此时工质容积 不变，并在流过回热器3时向回热 器放热，降低温度。当配气活塞2 移至其上死点时，工质全部进入 紧缩腔，定容回热过程终了。
活塞式热气发动机的热力循环及热效率
活塞式热气发动机理想循环：
v1 v2
RgTmaxln
v4 v3
在活塞式热气发动机中，v1＝v4，v2＝v3，故可得到
t
1
Tmin Tmax
即在一样温度范围内，活塞式热气发动机理想循环热效率与卡诺循 环热效率一样。因此，该循环以及类似的与卡诺循环有一样热效率 的一类理想循环称为概括性卡诺循环。
压气机耗功： (w s)ch2h1cp0(T2T 1)
所以 w0(ws)T(ws)c
cp0 T3 1(1 1)/ T1
(1)/1
(1)/
当
maxw, 0
T1 T3
循环净功有极大值。
二、燃气轮机的实践循环
压气机耗功： 燃气轮机轴功：
(ws )c
h2 h1
c,s
(w s)TT(h3h4)
理想化： 1. 热力过程的理想化
①进气过程→0-1定压线 ②紧缩过程→1-2定熵紧缩 ③熄灭过程→2-3定容加热＋3-4定压加热〔外热源加热〕 ④膨胀过程→4-5定熵膨胀 ⑤排气过程→5-1定容放热＋1-0定压线 2. 工质以理想气体对待
(4)定容回热过程 ：动力活塞1 位于其下死点，配气活塞2从其下 死点上移。使膨胀腔内工质经连 通管流入紧缩腔。此时工质容积 不变，并在流过回热器3时向回热 器放热，降低温度。当配气活塞2 移至其上死点时，工质全部进入 紧缩腔，定容回热过程终了。
活塞式热气发动机的热力循环及热效率
活塞式热气发动机理想循环：
v1 v2
RgTmaxln
v4 v3
在活塞式热气发动机中，v1＝v4，v2＝v3，故可得到
t
1
Tmin Tmax
即在一样温度范围内，活塞式热气发动机理想循环热效率与卡诺循 环热效率一样。因此，该循环以及类似的与卡诺循环有一样热效率 的一类理想循环称为概括性卡诺循环。
压气机耗功： (w s)ch2h1cp0(T2T 1)
所以 w0(ws)T(ws)c
cp0 T3 1(1 1)/ T1
(1)/1
(1)/
当
maxw, 0
T1 T3
循环净功有极大值。
二、燃气轮机的实践循环
压气机耗功： 燃气轮机轴功：
(ws )c
h2 h1
c,s
(w s)TT(h3h4)
理想化： 1. 热力过程的理想化
①进气过程→0-1定压线 ②紧缩过程→1-2定熵紧缩 ③熄灭过程→2-3定容加热＋3-4定压加热〔外热源加热〕 ④膨胀过程→4-5定熵膨胀 ⑤排气过程→5-1定容放热＋1-0定压线 2. 工质以理想气体对待
工程热力学主要循环图示
热泵技术
通过循环图示分析热泵的工作原理，实现低品位热能的回收利用。
热管技术
利用循环图示研究热管技术，实现高效传热和节能。
环保技术
废热处理
利用循环图示分析废热处理过程中的能量转换和利用，降低环境污 染。
温室气体减排
通过循环图示研究温室气体减排技术，减少温室气体排放。
工业废水处理
利用循环图示分析工业废水处理过程中的能量转换和利用，实现废水 零排放。
影响因素
热效率受到工质的选择、循环过程的设计、实际运行条件等因素 的影响。
机械效率
01
机械效率
表示循环过程中机械能转换为输 出功的效率，是评价机械发动机 性能的重要指标。
计算公式
02
03
影响因素
$eta_{mech} = frac{W_{net}}{W_{net} + Q_{in}}$。
机械效率受到工质的选择、循环 过程的设计、实际运行条件等因 素的影响。
THANKS
感谢观看
循环效率受到多种因素的 影响，如循环过程的设计、 工质的选择、实际运行条 件等。
热效率
热效率
表示循环过程中热能转换为机械能的效率，是评价热力发动机性 能的重要指标。
计算公式
$eta_{th} = frac{W_{net}}{Q_{in} - Q_{out}}$，其中 $Q_{out}$为循环中输出热量。
对于封闭系统，热量自发地从低温流向高温，而不是相反方向。
03
循环图示的解析
循环效率
循环效率
表示循环过程能量转换的 完善程度，是评价循环过 程性能的重要参数。
计算公式
$eta
=
frac{W_{net}}{Q_{in}}$，
通过循环图示分析热泵的工作原理，实现低品位热能的回收利用。
热管技术
利用循环图示研究热管技术，实现高效传热和节能。
环保技术
废热处理
利用循环图示分析废热处理过程中的能量转换和利用，降低环境污 染。
温室气体减排
通过循环图示研究温室气体减排技术，减少温室气体排放。
工业废水处理
利用循环图示分析工业废水处理过程中的能量转换和利用，实现废水 零排放。
影响因素
热效率受到工质的选择、循环过程的设计、实际运行条件等因素 的影响。
机械效率
01
机械效率
表示循环过程中机械能转换为输 出功的效率，是评价机械发动机 性能的重要指标。
计算公式
02
03
影响因素
$eta_{mech} = frac{W_{net}}{W_{net} + Q_{in}}$。
机械效率受到工质的选择、循环 过程的设计、实际运行条件等因 素的影响。
THANKS
感谢观看
循环效率受到多种因素的 影响，如循环过程的设计、 工质的选择、实际运行条 件等。
热效率
热效率
表示循环过程中热能转换为机械能的效率，是评价热力发动机性 能的重要指标。
计算公式
$eta_{th} = frac{W_{net}}{Q_{in} - Q_{out}}$，其中 $Q_{out}$为循环中输出热量。
对于封闭系统，热量自发地从低温流向高温，而不是相反方向。
03
循环图示的解析
循环效率
循环效率
表示循环过程能量转换的 完善程度，是评价循环过 程性能的重要参数。
计算公式
$eta
=
frac{W_{net}}{Q_{in}}$，
工程热力学第九章图文ppt课件
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
Tmax 和 pmax 保持不变
T
3
q2 相等
2p
t
1
q2 q1
1 T2 T1
2m 2v
4
1
q1p q1m q1v
tp tm tv
s
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
分析循环的步骤：
将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上
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。
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
研究目标：
分析以气体为工质的内燃机循环、 燃气轮机循环的热力性能，揭示能量利 用的完善程度与影响其性能的主要因素， 给出评价和改进这些装置热力性能的方 法与措施。
q2p q2m q2v
T
2p 2m 2v 1
3p 3m 3v 4v
4p4m
tp tm tv
s
q ？？Tmax和 1相同，图示 tp ,tm ,t大v 小
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
工程热力学(9.3)幻灯片
t , p
T4 T1 1 1q1 T3 T2 q2
湖南人文科技学院
2）分析
黎娇主讲
T1 v2 k 1 1 ( ) k -1 T2 v1
T3 v3 T2 v2
v3 k T4 ( ) k T1 v2
定压预胀比
t , p
1 1 k 1 k ( 1)
湖南人文科技学院
（2）能量计算与分析
1）计算
黎娇主讲
q1 cv (T3 T2 )
q2 cv (T4 T1 )
t ,V
}
T4 T1 1 q2 T cv T4 T1 1 1 1 1 q1 cv T3 T2 T3 T2 T 1 2
5
tV tm tp
湖南人文科技学院
黎娇主讲
湖南人文科技学院
例题 9.1
黎娇主讲
内燃机定压加热循环的p-v及T-s图如下图所示。 循环初始状态p1=0.98bar，t1=44℃，压缩比ε=15，绝热 膨胀比v4/v3=7.5，膨胀终压力p4=2.58bar，工质可视为 空气。试计算：①循环最高温度；②循环热效率。
t , p
Hale Waihona Puke 湖南人文科技学院黎娇主讲
4、活塞式内燃机理想循环的比较
（1）具有相同压缩比和吸热量时的比较
1-2-3-4-1为定容加热理想循环
1-2-2'-3'-4'-1为混合加热理想循环 1-2-3''-4''-1为定压加热理想循环 吸热量 q1 相同： 面积23562=面积22'3'5'62=面积23''5''62 放热量 q2 ： 面积14561<面积14'5'61<面积14''5''61
《工程热力学》第九章 气体动力循环
按定值比热计算
c , s
分析热效率 提高途径！
t
( k 1) / k ( k 1) / k
T
1
1
c , s c , s
1
1
31
四．燃气轮机回热循环 （定压加热回热循环）
1、回热的概念： 利用废气高温余热对进入燃烧室前的空气进行预 热，以减少燃料消耗，提高热效率的措施 回热度μ ：空气在回热器中实际得到的热量与理想 情况下得到热量之比为回热度，一般在0.5-0.8 之间 2、多级压缩、级间冷却回热循环
低 压 压 气 机
9
燃料
中间燃烧室
中间冷却器
37
P
2 8 7 6 3 9
T
6
3 9
3’
4
2
7 1
1
5
4
V
5 s
8
多级压缩级间冷却回热循环 P-V图、T-S图
38
ξ 8.3
增压机及其循环（略）
一、增压机概念及简单装置 二、增压机工作过程及简化
39
第九章
气体动力循环(3学时）
基本内容： 热效率法分析循环；活塞式内燃机工作原理及 热力学方法；内燃机理想循环；燃气轮机装置 循环及提高热效率的方法；增压器及其循环； 其他循环简介 基本要求： 掌握分析循环热效率的方法；理解实际工作循 环合理简化的方法；掌握内燃机理想循环及提 高热效率的方法掌握；燃气轮机装置循环及提 高热效率的方法；了解其他循环
t 1
1
k 1 k
以P-V图、T-S图 分析热效率提高途径！
26
4、轴功计算及其最大值与增温比关系
燃气轮机作功 压缩机耗功
( ws )T h3 h4 CP 0 (T3 T4 )
c , s
分析热效率 提高途径！
t
( k 1) / k ( k 1) / k
T
1
1
c , s c , s
1
1
31
四．燃气轮机回热循环 （定压加热回热循环）
1、回热的概念： 利用废气高温余热对进入燃烧室前的空气进行预 热，以减少燃料消耗，提高热效率的措施 回热度μ ：空气在回热器中实际得到的热量与理想 情况下得到热量之比为回热度，一般在0.5-0.8 之间 2、多级压缩、级间冷却回热循环
低 压 压 气 机
9
燃料
中间燃烧室
中间冷却器
37
P
2 8 7 6 3 9
T
6
3 9
3’
4
2
7 1
1
5
4
V
5 s
8
多级压缩级间冷却回热循环 P-V图、T-S图
38
ξ 8.3
增压机及其循环（略）
一、增压机概念及简单装置 二、增压机工作过程及简化
39
第九章
气体动力循环(3学时）
基本内容： 热效率法分析循环；活塞式内燃机工作原理及 热力学方法；内燃机理想循环；燃气轮机装置 循环及提高热效率的方法；增压器及其循环； 其他循环简介 基本要求： 掌握分析循环热效率的方法；理解实际工作循 环合理简化的方法；掌握内燃机理想循环及提 高热效率的方法掌握；燃气轮机装置循环及提 高热效率的方法；了解其他循环
t 1
1
k 1 k
以P-V图、T-S图 分析热效率提高途径！
26
4、轴功计算及其最大值与增温比关系
燃气轮机作功 压缩机耗功
( ws )T h3 h4 CP 0 (T3 T4 )
《工程热力学》第九章 气体动力循环
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 压缩比相同，1-2重合
吸热量相同，q1v q1m q1p
q2v q2m q2 p
tv tm tp
或
T 2v T 2m T 2 p
T 1v T 1m T 1p
tv
tm
tp
二、循环最高压力和最高温度相同时的比较
放热量相同：
又称萨巴德循环 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) v1
v2 定容增压比(pressure ratio) p3
p2
定压预胀比 (cutoff ratio) v4
v3
反映气缸容积 反映供油规律
热效率
t
wnet q1
t
1
1
1
1
1
(9 7)
讨论：
v1 p3
v2
p2
v4
v3
a)循环1-2’-3’-4’-5-1
压缩比
Tm1 t
b)循环1-2-3”-4”-5-1
定容增压比
Tm1 t
c)循环1-2-3’”-4’”-5-1
定压预胀比
Tm1 t
二、定压加热理想循环（狄塞尔循环） 柴油机定压加热过程
3-4 等熵膨胀(燃气轮机内) 4-1 定压放热（排气，假想换热器）
热效率ηt
q1 h3 h2
cpm
t3 t2
T3 T2
cp
T3 T2
q2
h4
h1
c pm
t4 t1
T4 T1
cp T4 T1
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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
●第二定律分析法： 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 效率”为其指标
●两种方法所揭示的不完善部位及损失的大小不同 ●两种方法各有侧重，不能偏废
4
9.1.2气体动力循环经济性分析
空气标准假设(the air-standard hypothesis)
汽油机：6~9 柴油机：16~22
T2 过高 爆燃
16
9.3.2定压加热理想循环
●理想化： 工质为空气 1-2 定熵压缩 3-4 定熵膨胀
2-3 定压吸热 4-1 定容放热
●定量分析，求热效率
q1 cp(T3T2) q2 cv(T4T1)
17
t,p
1q2 q1
1cv(T4 T1) cp(T3T2)
T2 )k 1 T4 v3
v3=v2 , v4=v1
T2 T3 T1 T4
t,V
1T1 T2
1 1
(v1)k1
1 1
k-1
v2
：压缩比
15
t,V11k-1的几点说明
●压缩比 ，表示工质压缩行程的压缩程度；
●压缩比愈高，内燃机热效率愈高；
●但 不能任意提高 ● 值
第九章 气体动力循环 Gas power cycles
1
整体概况
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
2
9-1 气体动力循环概述
9.1.1气体动力循环分析方法
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。
11T1(TT14 kT2(TT32
1) 1)
T1 T2
(v2 )k1 v1
1
k-1
T3 v3
T2 v2
T4 (v3 )k k
T1 v2
定压预胀比
t,p 1k(k 1)1k1
18
T4 (v3)k k的推导
T1 v2
T4 p4 T1 p1
p 4 ( v 3 ) k （定熵）
p3
v4
5
考虑了温差传热及摩阻对循环经济性的影响，实际 动力循环做功量和循环加热量之比为其内部热效率ηi表 示为： ηi=ηtηT=ηcηoηtηT
ηc=1-T0/T1是以燃气为高温热源、环境为低温热源 时卡诺循环的热效率； ηt是与实际循环相应的内部可逆循环的热效率； ηo=ηt/ηc，称相对热效率，反映该内部可逆理论循 环因与高、低温热源存在温差而造成的损失； ηT称为循环相对内部效率，是循环中实际功量和 理论功量之比，可反映内部摩擦引起的损失。
二、分析动力循环的一般步骤
1）实际循环（复杂不可逆） 抽象、简化 可逆理论循环
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
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。
3
三、分析动力循环的方法
●第一定律分析法： 以热一律为基础，以能量的数量为立足点。从
6
利用熵分析法对做功能力损失进行评价： ΔAL=T0ΣSgi
Sgi为工质流经整个热力循环第i个子系统的熵产。 采用做功能力损失与循环最大做功能力之比ηA 表示损失的大小：
ηA=ΔAL/Wmax Wmax =(1-T0/T1)Q1是热源Tl与环境T0间的动力循环能输出 的最大功。 效率ηex综合考虑循环最大做功能力中获得的有效做功能 力的实际情况，从能量的质和量两方面分析气体动力循环的不 可逆损失与评价热力系统热力学完善程度，即：
{点火
方式
点燃式 ( spark ignition engine ) 压燃式 compression ignition engine
{冲程 数
二冲程 ( two-stroke ) 四冲程 ( four-stroke )
8
二、 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
p 2 ( v 1 ) k（定熵）
p1
v2
p2 p3 （定压）
v 4 v1 （定容）
( v3 )k k
v2
19
t,p 1k(k1)1k1的分析
， t , p
20
• 柴油机 一般为１６～２２
• 柴油机压缩的是空气，不会发生爆燃， 比汽油机大；
• 柴油机燃烧采用压燃，只有达到一定大的 才能在压缩终
12
实际循环的理想化
理想化
实际工作循环图
定容加热循环图
13
9–3 活塞式内燃机的理想循环
9.3.1定容加热理想循环（Otto循环）
} q1cV(T3T2)
q2 cV(T4T1)
t ,V
1
q2 q1
1 cV (T4 T1) 1 T1(TT14 1)
cV (T3 T2)
T2
(T3 T2
1)
14
1-2、3-4 是定熵过程
ηex=有效 /提供的 当然，对有效 和提供的 的理解不同，可能会对同一 过程的描述产生差异。
7
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
{燃
料
煤气机 ( gas engine ) 汽油机 ( gasoline engine )
柴油机 ( diesel engine )
●假定工作流体是一种理想气体； ●假设它具有与空气相同的热力性质； ●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：
●工质主要是燃气，且在不同部位成分不同 ●燃气与空气的物理性质相似，理论分析是空气标准假设不会造成很 大的误差 ●假设仅仅试用于 气体动力循环，分析蒸汽动力循环不可用
了产生高温、高压点燃油雾；
• 也不能过大 受机器机械强度限制
•预胀比 表示工质在燃烧过程中比容增长程度，决定于喷
油量。
机器负荷 喷油量
t,p
21
9.3.3混合加热理想循环（dual combustion cycle）
99
三、平均有效压力mean effective pressure MEP Wnet Vh
1100
四、活塞式内燃机循环（汽油机）的简化
11
实际循环的理想化假设
●假设系统中不进行吸气与排气，没有燃烧过程，而用工质定容加热和
定容放热过程来代替燃烧及排气过程；
● 假设气体膨胀、压缩没摩擦；
● 假设与外界没热交换；
●第二定律分析法： 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 效率”为其指标
●两种方法所揭示的不完善部位及损失的大小不同 ●两种方法各有侧重，不能偏废
4
9.1.2气体动力循环经济性分析
空气标准假设(the air-standard hypothesis)
汽油机：6~9 柴油机：16~22
T2 过高 爆燃
16
9.3.2定压加热理想循环
●理想化： 工质为空气 1-2 定熵压缩 3-4 定熵膨胀
2-3 定压吸热 4-1 定容放热
●定量分析，求热效率
q1 cp(T3T2) q2 cv(T4T1)
17
t,p
1q2 q1
1cv(T4 T1) cp(T3T2)
T2 )k 1 T4 v3
v3=v2 , v4=v1
T2 T3 T1 T4
t,V
1T1 T2
1 1
(v1)k1
1 1
k-1
v2
：压缩比
15
t,V11k-1的几点说明
●压缩比 ，表示工质压缩行程的压缩程度；
●压缩比愈高，内燃机热效率愈高；
●但 不能任意提高 ● 值
第九章 气体动力循环 Gas power cycles
1
整体概况
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2
9-1 气体动力循环概述
9.1.1气体动力循环分析方法
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。
11T1(TT14 kT2(TT32
1) 1)
T1 T2
(v2 )k1 v1
1
k-1
T3 v3
T2 v2
T4 (v3 )k k
T1 v2
定压预胀比
t,p 1k(k 1)1k1
18
T4 (v3)k k的推导
T1 v2
T4 p4 T1 p1
p 4 ( v 3 ) k （定熵）
p3
v4
5
考虑了温差传热及摩阻对循环经济性的影响，实际 动力循环做功量和循环加热量之比为其内部热效率ηi表 示为： ηi=ηtηT=ηcηoηtηT
ηc=1-T0/T1是以燃气为高温热源、环境为低温热源 时卡诺循环的热效率； ηt是与实际循环相应的内部可逆循环的热效率； ηo=ηt/ηc，称相对热效率，反映该内部可逆理论循 环因与高、低温热源存在温差而造成的损失； ηT称为循环相对内部效率，是循环中实际功量和 理论功量之比，可反映内部摩擦引起的损失。
二、分析动力循环的一般步骤
1）实际循环（复杂不可逆） 抽象、简化 可逆理论循环
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
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。
3
三、分析动力循环的方法
●第一定律分析法： 以热一律为基础，以能量的数量为立足点。从
6
利用熵分析法对做功能力损失进行评价： ΔAL=T0ΣSgi
Sgi为工质流经整个热力循环第i个子系统的熵产。 采用做功能力损失与循环最大做功能力之比ηA 表示损失的大小：
ηA=ΔAL/Wmax Wmax =(1-T0/T1)Q1是热源Tl与环境T0间的动力循环能输出 的最大功。 效率ηex综合考虑循环最大做功能力中获得的有效做功能 力的实际情况，从能量的质和量两方面分析气体动力循环的不 可逆损失与评价热力系统热力学完善程度，即：
{点火
方式
点燃式 ( spark ignition engine ) 压燃式 compression ignition engine
{冲程 数
二冲程 ( two-stroke ) 四冲程 ( four-stroke )
8
二、 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
p 2 ( v 1 ) k（定熵）
p1
v2
p2 p3 （定压）
v 4 v1 （定容）
( v3 )k k
v2
19
t,p 1k(k1)1k1的分析
， t , p
20
• 柴油机 一般为１６～２２
• 柴油机压缩的是空气，不会发生爆燃， 比汽油机大；
• 柴油机燃烧采用压燃，只有达到一定大的 才能在压缩终
12
实际循环的理想化
理想化
实际工作循环图
定容加热循环图
13
9–3 活塞式内燃机的理想循环
9.3.1定容加热理想循环（Otto循环）
} q1cV(T3T2)
q2 cV(T4T1)
t ,V
1
q2 q1
1 cV (T4 T1) 1 T1(TT14 1)
cV (T3 T2)
T2
(T3 T2
1)
14
1-2、3-4 是定熵过程
ηex=有效 /提供的 当然，对有效 和提供的 的理解不同，可能会对同一 过程的描述产生差异。
7
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
{燃
料
煤气机 ( gas engine ) 汽油机 ( gasoline engine )
柴油机 ( diesel engine )
●假定工作流体是一种理想气体； ●假设它具有与空气相同的热力性质； ●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：
●工质主要是燃气，且在不同部位成分不同 ●燃气与空气的物理性质相似，理论分析是空气标准假设不会造成很 大的误差 ●假设仅仅试用于 气体动力循环，分析蒸汽动力循环不可用
了产生高温、高压点燃油雾；
• 也不能过大 受机器机械强度限制
•预胀比 表示工质在燃烧过程中比容增长程度，决定于喷
油量。
机器负荷 喷油量
t,p
21
9.3.3混合加热理想循环（dual combustion cycle）
99
三、平均有效压力mean effective pressure MEP Wnet Vh
1100
四、活塞式内燃机循环（汽油机）的简化
11
实际循环的理想化假设
●假设系统中不进行吸气与排气，没有燃烧过程，而用工质定容加热和
定容放热过程来代替燃烧及排气过程；
● 假设气体膨胀、压缩没摩擦；
● 假设与外界没热交换；