第7章 动力装置循环

Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
p
2
2′
活塞运行到上止点2开始燃烧。
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
p
2
2′
膨胀过程2-3-4-5：燃烧过程十分迅猛。
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
3
p
2
2′
压力迅速上升到5.0~9.0MPa，而活塞 移动很小，2-3接近定容过程。
热力发动机，简称热机。 动力装置循环（简称动力循环或热机循环）： 蒸汽动力装置循环：以蒸汽为工质的热机的工
作循环（如蒸汽机、蒸汽轮机等）。
气体动力装置循环：以气体为工质的热机的工 作循环（如内燃机、燃气轮机等）。
研究热机循环的方法
研究目的：合理安排循环，提高热效率。
建立实际循环的简化热力学模型，用简单、 典型的可逆过程和循环来近似实际复杂的不可逆 过程和循环，通过热力学分析确定其基本规律。
一般在550℃左右
• v2' 汽机出口
尺寸大
蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
（2） t1 , p2不变p1
T
5' 5
4' 4
3
1' 1 6'
6
2' 2 s
优点：
• T1
ηt
• v2' ，汽轮机出口
尺寸小
缺点： • 对强度要求高
• x2' 不利于汽
轮机安全。一般 要求出口干度大 于0.85~ 0.88
5
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
p
2
2′
0
气体压力迅速下降，活塞运动极微， 5-0’接近定容降压过程。
5 0’ Atmosphere 1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
p
2
2′
0
活塞上行，残余废气排除，过程0-0’。
5 0’ Atmosphere 1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
3
4
p
2
2′
气缸工作容积增大，但喷油和燃烧继 续，气缸内压力变化不大，燃烧过程 3-4接近定压过程。4点喷油结束。
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
p
2
2′
高温高压气体膨胀做功，推动活塞移 动至5点，气体压力温度下降。
0
Atmosphere
空气、油
废气
吸气
压缩
膨胀
排气
7.2.1 活塞式内燃机的实际循环
以四冲程柴油机为例
p
进气过程0-1：进气阀开启，活塞从最左
端（上止点）下行，吸入空气。
0
Atmosphere
v
活塞式内燃机的实际循环
p
进气阀的节流作用，气体压力略低于大
气压力。
0
Atmosphere
v
活塞式内燃机的实际循环
p
0
Atmosphere
将朗肯循环折合成熵变相
等、换热量相等、效率相等
的等效卡诺循环。
T1
=
sa
q1 − sb
ηt
= 1− T2 T1
T1
T2
则 ηt
蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
（1） p1 , p2不变t1
T
5 4
3
1' 1 6
2 2'
s
优点：
• T1
ηt
• x2' ，有利于汽机
安全。
缺点：
• 对耐热及强度要 求高，目前初温
下止点上行。
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
p
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
p
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
p
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
p
在2’点，柴油被高压油泵喷入气缸，气缸
压力和温度急升，超过柴油的自燃温
2′
度。
0
蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
（3） p1 ,t1不变，p2
T
5 4 4' 3 3'
1 6
2 2'
s
优点：
• T2
ηt
缺点：
•受环境温度限制，现
在大型机组p2为
0.0035-0.005MPa，相
应的饱和温度约为27-
33℃ ，已接近事实上
可能达到的最低限
度。冬天热效率高
•2＇干度下降
提高循环热效率的途径
ηt
=1−
ε
k −1
⎡⎣λ
λρ k
−1+
−1
kλ (ρ
−1)⎤⎦
p 3(4)
ρ =1
ρ = v4
v3
T
ηtv
=1−
1
ε k −1
3(4)
2
2
5
5
1
1
v
汽油机理想循环
s
柴油机与汽油机动力循环图示
p 3
2
4 5
1
v 柴油机，压燃式
ρ =1
p 3(4)
2 5
1 v 汽油机，点燃式
定压加热循环（狄塞尔循环)
ηt
=
(h1 − h2 ) − (h4 h1 − h4
− h3 )
≈
h1 − h2 h1 − h4
≈
h1 − h2 h1 − h3
蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
ηt
≈
h1 − h2 h1 − h4
≈
h1 − h2 h1 − h3
影 响 热 效 率 因 素 ： 蒸 汽 t1( 初 温 ) 、 压 力 p1( 初 压)、乏汽的压力p2(终压)。
1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
p
2
2′
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
p
2
2′
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
p
2
2′
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
p
2
2′
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
p
2
2′
排气过程5-0：到点5，排气阀打开。
对实际循环简化—得到理想循环 求出理想循环热效率关系式 分析影响理想循环效率的因素 找出提高效率的途径 对理想循环进行修正
7.1蒸汽动力装置循环
汽轮机
四个主要装置：
锅炉
锅 炉
发电机
汽轮机 凝汽器
凝汽器
给水泵
给水泵
理想循环--卡诺循环
卡诺循环: 理想可逆热机循环
回顾
由两个等温过程和两个绝热过程组成
汽轮机作功： ws,1−2 = h1 − h2
凝汽器中的定压放热量：
q2 = h2 − h3
T
1
水泵绝热压缩耗功： ws,3−4 = h4 − h3
5
6
4
3
2
锅炉中的定压吸热量：
s
q1 = h1 − h4
朗肯循环热效率的计算
ηt
= wnet q1
= ws,1−2 − ws,3−4 q1
一般很小，占0.8-1%， 可以忽略泵功
锅 炉
4
1 汽轮机
发电机 2
凝汽器
3 给水泵
简化（理想化）：
1→2 汽轮机 s 膨胀 2→3 凝汽器 p 放热 3→4 给水泵 s 压缩 4→1 锅炉 p 吸热
朗肯循环
朗肯循环p-v图和T-s图
p-v图
p
4
1
3
2
v
1→2 汽轮机 s 膨胀 2→3 凝汽器 p 放热 3→4 给水泵 s 压缩 4→1 锅炉 p 吸热
v
活塞式内燃机的实际循环
p
0
Atmosphere
v
活塞式内燃机的实际循环
p
0
Atmosphere
v
活塞式内燃机的实际循环
p
0
Atmosphere
v
活塞式内燃机的实际循环
p
活塞右行到最右端（下止点），进气阀
关闭。
0
Atmosphere
1
v
活塞式内燃机的实际循环
p
压缩过程1-2：进、排气阀关闭，活塞从
)
几个表征循环特性参数
p
3 2
T
4
3 2 1
压缩比 ε = v1
反映气缸容积
v2
5
定容升压比
λ = p3
p2
1
预胀比 ρ = v4
v3
反映供 油规律
4 5
ηt
=1−
T3
T5 − T2 +
− T1
k (T4
− T3 )
v
ηt
=1−
ε k −1
⎡⎣λ
λρ k −1
−1+ kλ (ρ
−1)⎤⎦
定容加热循环（奥托循环)
炉
发电机
锅炉
汽轮机
凝汽器
凝汽器
给水泵
给水泵
以水蒸气为工质的卡诺循环
p
1→2 绝热 膨胀
汽轮机
4 1 2→3 定压（等温）放热 冷凝器
3
2
v
3→4 绝热压缩
水泵
4→1 定压（等温）加热 锅炉
T
能否实现?
41
3
存在什么问题? 2
s
问题
1-2:可实现,但2点干度低,汽机
T
叶片腐蚀
2-3:准确控制达到3点很难，到 4 1 2´最理想
朗肯循环T-s图
1→2 汽轮机 s 膨胀 3→4 给水泵 s 压缩
T
5 4
3
1 6
2Biblioteka Baidu
s
2→3 凝汽器 p 放热 4→1 锅炉 p 吸热
朗肯循环优点
提高了平均吸热温度 压缩功减小（3点在饱和线上）T 膨胀终点2干度增大
1
56
问题：
4
3
2
4-5过程为低温预热
s
对平均吸热温度有一定影响
朗肯循环热效率
ηtp
=1−
ε
ρk −1
k−1k(ρ −1)
p
λ =1
T
λ = p3
p2
升压比
4
2(3)
4
5
1
2(3)
5
1
v
s
柴油机理想循环
思考
同样是柴油机
为什么有混合加热循环和 定压加热循环之分？
高速柴油机与低速柴油机循环图示
p 3
2
4
ηtp
=1−
p
εk
ρk −
−1k (ρ
1 −
1)
λ
=1
2(3) 4
5
5
1
v 柴油机，压燃式
1
v 低速柴油机，压燃式
影响活塞式内燃机热效率主要因素
ηt
=1−
ε
k −1
⎡⎣λ
λρ k
−1+
−1
kλ (ρ
−1)⎤⎦
压缩比 预胀比 升压比
ε = v1
v2
λ = p3
p2
ρ = v4
v3
反映气缸容积 反映供油规律
*燃气轮机循环示意图
2
压气机
燃烧室
3
燃气轮机
1
4
理想化 1）工质：数量不变，定比热理想气体
改变循环参数 改变循环形式
联合循环
提高初温度 提高初压力 降低乏汽压力 再热循环 回热循环
热电联产
燃气-蒸汽联合循环 新型动力循环
…...
7.2 活塞式内燃机循环
内燃机分类
内燃机分类
按燃料：煤气机、汽油机和柴油机； 按点火方式：点燃式和压燃式； 按冲程：四冲程和二冲程
四冲程柴油机工作原理
理想混合加热循环的计算
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量
吸热量
T
4
3
q1 = cv (T3 − T2 ) + cp (T4 − T3 )
5
放热量
2
q2 = cv (T5 − T1 )
1
热效率
s
ηt
=w q1
= q1 − q2 q1
= 1− q2 q1
=
1−
T3
−
T5 T2 +
− T1
k (T4
− T3
本章结束
公司
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
p
2
2′
0
5 0’ Atmosphere 1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
p
2
2′
0
5 4 0’
Atmosphere 1
v
活塞式内燃机的实际循环
34
p
2
2′
0
完成一个完整的实际循环。
5 4 0’
1
Atmosphere
v
四冲程高速柴油机的理想化
1.燃烧→外界加热
p3 4
排气→向外界放热 2.工质
2 2＇
2）闭口 ⇒ 循环 3）可逆过程
理想循环的p-V图和T-s
p
2
布雷顿（定压加热）循环
T
3
3
2
4
1
4
1
v
s
燃气轮机理想循环
第七章小结
11. . 掌掌握握分分析析动动力力循循环环的的方方法法 22..掌掌握握朗朗肯肯循循环环的的特特点点及及pp--vv和和TT--ss图图 33. . 掌掌握握活活塞塞式式内内燃燃机机理理想想循循环环的的特特点点 44. . 掌掌握握影影响响动动力力循循环环热热效效率率的的因因素素
定比热理想气体
5
工质数量不变
p0
1＇
3.0-1和1'-0抵消
0
1
开口→闭口循环
V
4.多变→绝热
不可逆→可逆
理想混合加热循环（萨巴德循环）
p 循环中Tmax=T4
34
s
2
s
5
循环中Pmax=P3=P4
T p4
3
v
2
5
v
1
1
v
s
1-2为定熵压缩过程 2-3为定容加热过程 3-4为定压加热过程 4-5为定熵膨胀过程 5-1为定容放热过程
η t,C
=1−
T2 T1
卡诺循环P-V图
卡诺循环T-S图
气体的等温加热和等温放热过程很难实现
以水蒸气为工质的卡诺循环
由水蒸气形成过程可知:
饱和水的定压汽化和饱和蒸汽的定压凝结
过程中温度都是不变的,能不能用?
p
T
41 32 v
4
1
3
2
s
7.1.1朗肯循环
朗肯循环:最简单的蒸汽动力循环
汽轮机
锅
四个主要装置：
2´
3
小结
3-4:压缩机工作不稳定,效率低 2 4-1:可以实现,但T1的提高受限
s tcr=373.99 ℃
①蒸汽动力装置采用卡诺循环效率并不高
②分析此循环明确了蒸汽动力循环改进方向
改进方向
T
4 2´
3
2-2´代替2-3
采用过热蒸汽代替饱和蒸汽
1
p
2
4
1
s
3
2
v
水蒸气动力循环系统的简化
第七章 动力装置循环
公司
哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院
本章主要内容及重点
蒸汽动力装置循环 活塞式内燃机循环 燃气轮机装置循环
1、掌握动力循环分析方法 2、掌握蒸汽动力装置循环的理想循环 3、掌握活塞式内燃机循环的理想循环 4、掌握燃气轮机装置循环的理想循环
动力装置
热能动力装置 ： 将热能转换为机械能的设备，称为