(精品)工程热力学课件：动力循环
工程热力学—动力循环
7 动力循环（Power Cycles）热能向机械能转换需要通过工质地循环,理想地循环是卡诺循环,但卡诺循环并不实用,其中地等温过程就难以实现.利用相变过程固然可以实现等温过程,但在吸热温度、压力方面却不遂人愿,所以实际循环与卡诺循环地差异比较大.但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有,实际循环与卡诺循环一样,也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成,其中吸热常常伴随燃料燃烧放热.为了提高动力循环地能量转换地经济性,必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析,以寻求提高经济性地方向及途径.实际动力循环都是不可逆地,为提高循环地热经济性而采取地各种措施又使循环变得非常复杂.为使分析简化,突出热功转换地主要过程,一般采用下述手段：首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环,分析该理论循环,找出影响其循环热效率地主要因素和提高热效率地可逆措施；然后分析实际循环与理论循环地偏离之处和偏离程度,找出实际损失地部位、大小、原因及改进办法.本课程主要关心循环中地能量转换关系,减少实际损失是具体设备课程地任务,因此我们主要论及前者.7.1 内燃动力循环内燃机地燃料燃烧（吸热）、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行地,结构紧凑.由于燃烧是在作功设备内进行地,所以称为内燃机.汽车最常用地动力机是内燃机,但是随着技术地进步、环境保护标准地提高与石油天然气资源紧缺,使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池地电动汽车已经呼之欲出.目前提到汽车发动机仍然主要是指内燃机.内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、热效率高和操作方便等特点,广泛用于交通运输、工程机械、农业机械和小型发电设备等领域.它是仿照蒸汽机地结构发明地,最初使用煤气作为燃料.随着石油工业地发展,内燃机获得了更合适地燃料——汽油和柴油.德国人奥托（Nicolaus A. Otto）首先于1877年制成了实用地点燃式四1—气缸盖和气缸体；2—活塞；3—连杆；4—水泵；5—飞轮；6—曲轴；7—润滑油管；8—油底壳；9—润滑油泵；10—化油器；11—进气管；12—进气门；13—排气门；14—火花塞图7-1 单缸四冲程内燃机结构冲程内燃机,狄塞尔（Rudoff Diesel）随后于1897年制成了压燃式内燃机.20世纪30年代出现地增压技术,使内燃机性能得到大幅度提高.目前内燃机在经济性能（主要指燃料和润滑油消耗）、动力性能（主要指功率、转矩、转速）、运转性能（主要指冷起动性能、噪声和排气质量）和耐久可靠性能等方面均有了长足地进步.7.1.1 四冲程内燃机地工作原理四冲程（行程）内燃机是指由进气、压缩、作功和排气等四个冲程组成一个工作循环地往复式内燃发动机,其工作原理如图7-2所示.1）进气冲程这是内燃机工作循环地第一个冲程.开始时进气门打开,曲轴旋转180︒,活塞由上止点运动到下止点,新鲜空气被吸入气缸.2）压缩冲程进、排气门全部关闭,气缸形成封闭系统,曲轴旋转180︒,活塞由下止点运动到上止点,将气缸内地充量压缩.3）作功（膨胀）冲程气缸内高温、高压气体膨胀作功,推动活塞由上止点运动到下止点,曲轴旋转180︒,对外作功.4）排气冲程膨胀冲程结束后,排气门打开,曲轴旋转180︒,推动活塞由下止点运动到上止点,将燃烧后地废气经排气门排出气缸.四冲程内燃机经历上述工作循环,曲轴共旋转720︒.四个冲程中仅有作功冲程是活塞对外作功,其他三个冲程都需要外界驱动活塞运动.四冲程柴油机和汽油机地工作过程都包括上述四个冲程,两者在工作原理上地区别是：柴油机压缩地是单一气体（空气）,当活塞到达上止点附近时,缸内空气地压力温度很高,适时地喷入柴油,在缸内形成可燃混合气并自行着火燃烧,所以称为压燃式内燃机；汽油机图7-2 四冲程内燃机工作原理则是在气缸外形成可燃混合气,然后充入气缸,压缩终了时靠火花塞打火点燃（其压缩终了时压力温度比压燃式内燃机低得多）,所以称为点燃式内燃机1.显然活塞地往复运动必然产生很大地振动,所以单缸内燃机需要一个又重又大地飞轮来减轻振动对曲轴及轴端输出功产生地冲击1由于汽油机里被压缩的是燃料和空气的混合物，受混合气体自燃温度的限制，不能采用大压缩比，不然混合气体就会“爆燃”，使发动机不能正常工作。
工程热力学课件10蒸汽动力循环
`
作业
第4版：P345 习题10-2
二、回热循环
从汽轮机中某个部位抽取经过 适当膨胀后的蒸汽，其温度总高于 凝结水的温度，用来预热锅炉给水， 使得水的加热过程从较高温度开始， 使平均加热温度增高，而平均放热 温度不变，从而提高循环热效率。
0’-1—1kg水蒸气的定压吸热过程， 1-a—1kg水蒸气的绝热膨胀过程； a-b—从汽轮机中抽出的αkg蒸汽回热器中定压回热过程； a-2—抽汽后剩余的(1－α)kg水蒸气的绝热膨胀过程， 2-3—(1－α)kg乏汽的定压放热过程， 3-0—(1－α)kg水的绝热加压过程， 0-b—(1－α)kg水在回热器中的定压预热过程； b-0’—回热后重新汇合后的1kg水的绝热加压过程。
第一节
水蒸汽作为工质的卡诺循环
1.汽水混合物压缩过程c-5难以实现。
2.循环局限于饱和区，上限温度受限于临界温度（647.3K），
效率不高。
3.膨胀末期水分过多，不利于动力机。
第二节
基本蒸汽动力装置的理想循环——朗肯循环
一、朗肯循环及其工作过程
简单蒸汽动力装置 的主要热力设备：蒸汽 锅炉、汽轮机、冷凝器 和给水泵。
工作过程：当蒸汽在汽轮机的高 压汽缸中膨胀作功而压力降低到某个 中间压力时，把蒸汽从汽轮机引出， 送至再热器重新加热，使蒸汽的温度 再次达到较高的温度，然后送回汽轮 机的低压汽缸，进一步膨胀作功。 采用再热措施的理想循环称为再热 循环。
蒸汽再热循环的热效率
再热循环本身不一 定提高循环热效率 与再热压力有关 x2 ,给提高初压创 造了条件，选取再 热压力合适，一般 采用一次再热可使 热效率提高2％～ 3.5％。
四、 汽耗率
汽耗率也是衡量蒸汽动力装置工作好坏的重要 经济指标之一。汽耗率ｄ表示每产生1千瓦小时的功 (等于3600kJ）需要消耗多少kg的蒸汽。 １kg蒸汽在一个循环中所作的功为
工程热力学六动力装置循环课件
VS
此外，随着环保要求的提高和清洁能 源的推广，燃气-蒸汽联合循环在垃 圾焚烧发电、生物质能利用等领域也 具有广阔的应用前景。
核能动力装置循环
核裂变反应原理
01
02
核裂变反应
链式反应
03 临界质量
核裂变反应堆工作原理
反应堆
冷却剂 安全壳
核能动力装置的应用
核电站
核潜艇
核动力航空母舰
THANKS
详细描述
斯图加特循环由德国工程师鲁道夫·斯图加特在20世纪30年代发明，通过改进进气和排气过程，减少热量损失， 提高了内燃机的热效率。
燃气轮机动力装置循环
布雷顿循环
总结词
详细描述
回流燃烧室循环
总结词
提高燃气轮机效率的循环方式。
VS
详细描述
回流燃烧室循环通过在燃烧室内形成回流， 增加燃料与空气的混合时间和燃烧程度， 从而提高燃烧效率。同时，回流还使得燃 烧室内压力升高，提高了循环热效率。
燃气-蒸汽联合循环实现了能量的梯级利用，提高了能源利用效率。同时，由于燃气轮机和蒸汽轮机分别在不同的压力和温度 下工作，因此可以充分利用各种燃料，包括低热值燃料。
燃气-蒸汽联合循环效率分析
燃气-蒸汽联合循环的应用
燃气-蒸汽联合循环广泛应用于电力、 工业、交通等领域的能源转换和利用。 在电力领域，燃气-蒸汽联合循环发 电厂具有建设周期短、投资少、运行 灵活等优点，是中小型电站和分布式 能源系统的优选方案之一。在工业领 域，燃气-蒸汽联合循环可以用于各 种工艺流程中的余热回收和能量转换。 在交通领域，燃气-蒸汽联合循环可 以用于车辆发动机的余热回收和能量 利用。
回热循环
总结词
详细描述
回热循环通过将部分做功后的蒸汽抽 出，引入回热器加热锅炉中的给水， 提高给水温度，减少锅炉中燃料消耗， 从而提高整个循环的热效率。
工程热力学-第10章动 力 循 环
a kg (1- )kg 4
抽汽回热循环的抽汽量计算
T 1kg 6 kg 5 (1- )kg 4 3 2 a kg (1- )kg 4 s 1 a 以混合式回热器为例 热一律
ha 1 h4 1 h5
h5 h4 ha h4
忽略泵功
1kg 5
T 5 4 3
2
4
1 a
6 b
再 热
1
b a 3
2
s
蒸汽再热循环的热效率
T 5 4 3
2
1 a
6 b
再热循环本身不一 定提高循环热效率
与再热压力有关 x2降低,给提高初 压创造了条件，选 取再热压力合适， 一般采用一次再热 可使热效率提高2 s ％～3.5％。
蒸汽再热循环的实践
再热压力 pb=pa0.2~0.3p1 p1<10MPa，一般不采用再热
a α kg 6 5 4
2 3 (1-α )kg
去凝汽器 表面式回热器 抽汽 给水 冷凝水 混合式回热器
抽汽式回热
蒸汽抽汽回热循环
T 1kg 6 kg 5 (1- )kg 4 3 2 s 1kg 5 1 a
a α kg 6 5 4 3 (1-α )kg 2 1 1kg
由于 T-s 图上各点质 量不同，面积不再 直接代表热和功
•缺点
小型火力发电厂回热级数一般为1～3级， 中大型火力发电厂一般为 4～8级。
提高循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式 改变循环形式
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 IGCC 新型动力循环 PFBC-CC
…...
工程热力学第十章 动力循环ppt课件
1
T2 T1
p2 p1
,
1
T3 T4
p3 p4
p3 p2, p1 p4
T4 T3 , T1 T2
p2 p1
t
1
1
( 1)
由上式可见，燃气轮安装循环的热效率仅与增
压比 有关。 越大，热效率越高。普通 燃气轮机安装增压比为3~10。
t
w0 q1
(h1 h6)(1a1)(h6
h8)(1a1 a2)(h8 h1 h7
h2)
二、再热循环
再热循环热效率计算
q1 (h1 h3) (h1 h6 )
q2 h2 h3
t
q1 q2 q1
(h1
h3) (h1 h6 ) (h2 (h1 h3) (h1 h6 )
h3)
(h1 h6 ) (h1 h2 ) (h1 h3) (h1 h6 )
第三节 热电循环
一、背压式热电循环 排汽压力高于大气压力的汽轮机称为背压式汽轮机
二、调理抽气式热电循环
第四章 内燃机循环
气体动力循环按热机的任务原理分类，可分为内燃 机循环和燃气轮机循环两类。内燃机的熄灭过程在热机 的汽缸中进展，燃气轮机的熄灭过程在热机外的熄灭室 中进展。
二、定压加热循环
工质吸热、放热和循环热效率：
q1 cp(T3 T2), q2 cv(T4 T1)
t
1q2 q1
1cp(T4 T1) cv(T3 T2)
11 T1(T4T11)
T2(T3T2 1)
1
T1 T2
v2 v1
1
1
,
T4 T1
v3 v2
t,p
1
1 ( 1) 1
第十章 动力循环
工程热力学：第6章 动力循环
6-5 燃气轮机装置的循环
燃气轮机装置示意图
6-5 燃气轮机装置的循环
燃气轮机的定压加热循环
6-5 燃气轮机装置的循环
理论热效率
t, p
1
q2 q1
1 cp0 (T4 T1) cp0 (T3 T2 )
1 T4 T1 T3 T2
式中：
T2
T1(
p2 p1
1
)
T1
1
增压比
工程热力学
航空工程学院发动机系
第六章 气体动力循环
要点 内燃机三种典型动力循环的特点、计算
及比较 掌握混合加热循环 燃气轮机循环热力过程组成及特点、循
环热力计算
6-1 概述
➢ 实际的热循环多样、不可逆，而且很复 杂，我们可以用一些简单的、典型的、 可逆的过程来代替，形成一个封闭的理 论循环，这样就可以较方便地进行热力 学计算。
cV 0 (T5 T1)
cV 0 (T3 T2 ) cp0 (T4 T3 )
(T5 T1)
(T3 T2 ) 0 (T4 T3 )
6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
12 23 34 45
T2
T1
(
v1 v2
) 0 1
T1 0 1
T3
T2
p3 p2
T1 0 1
T4
T3
v4 v3
6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
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 膨胀过程 5-1 排气过程
6-2 活塞式内燃机的混合加 热循环
热力过程的理想化：
①进气过程→0-1定压线； 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定容冷却＋1-0定压线；
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
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
工程热力学__第五章气体动力循环
k 1 k
p2 p1
k 1 k
T2 T1
T1 1 1 1 1 1 k 1 T2 T2 p2 k T1 p1
T
2 1
3
4
t,C
T1 1 T3
热效率表达式似乎与卡诺循环一样
s
勃雷登循环热效率的计算
热效率：
t 1
p
2 3 2 4 T 3
4
1 1
v s
定压加热循环的计算
吸热量
q1 cp T3 T2
放热量(取绝对值）
T 2
1
3
4
q2 cv T4 T1 热效率
w q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
s
定压加热循环的计算
k 1 热效率 t 1 k 1 k ( 1) t
T1
s
燃气轮机的实际循环
压气机： 不可逆绝热压缩 燃气轮机：不可逆绝热膨胀 T
定义：
3 2 1
2’
4’
压气机绝热效率
h2 h1 c h2' h1
4
燃气轮机相对内效率
oi
h3 h4' h3 h4
s
燃气轮机的实际循环的净功
净功
' w净 h3 h4' h2' h1
oi h3 h4
h2 h1
T
2 1
2’
3
4’
c
' opt w净 oic
k 2 k 1
4
吸热量
q h3 h2' h3 h1
' 1
工程热力学讲义第9章气体动力循环
• 优点： • 理论上工质可以完全膨胀； • 体积小，功率大； • 速度高，运转平稳，连续输出功 ； • 启动快，达满负荷快 ；
• 缺点： • 燃气轮的叶片长时间工作于高温 下要求用耐高温、高强度材料； • 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
1-2-3-4-1为定容加热理想循环； 1-2‘-3’-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。
•三种循环排出的热量都相同， •循环的热效率的比较
在相同的热强度和机械强度下，定压加热理想循环的 热效率最高，混合加热理想循环次之，而定容加热理 想循环最低。
9-4 燃气轮机装置循环 Gas turbine cycle
•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
9.3.3混合加热理想循环（dual combustion cycle）
现代高速柴油机并非单纯的按定压加热循环工作，而是按照一 种既有定压加热又有定容加热的所谓混合加热循环工作。
定量分析 （空气为工质）
q 1cv(T 2 T 2) cp(T 3 T 2 )
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。
•各循环放热量的比较
•三种理想循环热效率比较
能否得出定容加热循环最好，定压加热循环 最差的结论？
活塞式内燃机理想循环的比较2
具有相同的最高压力和最高温度时的比较 •实际上是热强度和机械强度相同情况下的比较。
T1 T4
工程热力学-第十章动力循环之其他循环
循环热量利用系数
已利用的热量
工质从热源所吸收的热量
> 循环热效率
循环热量利用系数没有区分热能与电能的本质差别； 循环热效率没考虑低温热能的可利用性
热电厂热量利用系数
利用的热量 燃料的总释热量
THANK YOU
3）回热器中过程不可逆，为什么 循环ηt 上升？
03. 热电联产
03
热电联产（power-and-heating plant cycle）
一、背压式设备流程及T-s图
特点—发电量受热负荷制约。
03
二、抽汽凝汽式设备流程及T-s图
特点—热负荷变动对电能生产影响较小，热效率较背压机组高。
三、热量利用系数
第十章 动力循环 之
其他循环
CONTENTS
01. 再热循环 02. 回热循环 03. 热电联产
01. 再热循环
01
再热循环（reheat cycle）
一、设备流程及T-s图
二、再热对循环效率的影响
01
忽略泵功：
wnet h1 h5 h6 h7
q1 h1 h3 h6 h5
回热器两种方式
混合式
间壁式
02
二、回热循环计算
02
1. 抽汽量
能量方程：
1 h4 h01 h01' 0
忽略泵功 h4 h2' h01' h2'
h01 h2'
2. 回热器(regenerator)R 熵方程：
1 s2' s01 s01' Sf Sg
t
wnet q1
《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
工程热力学—7 动力循环
7 动力循环（Power Cycles）热能向机械能转换需要通过工质的循环，理想的循环是卡诺循环，但卡诺循环并不实用，其中的等温过程就难以实现。
利用相变过程固然可以实现等温过程，但在吸热温度、压力方面却不遂人愿，所以实际循环与卡诺循环的差异比较大。
但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有，实际循环与卡诺循环一样，也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成，其中吸热常常伴随燃料燃烧放热。
为了提高动力循环的能量转换的经济性，必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析，以寻求提高经济性的方向及途径。
实际动力循环都是不可逆的，为提高循环的热经济性而采取的各种措施又使循环变得非常复杂。
为使分析简化，突出热功转换的主要过程，一般采用下述手段：首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环，分析该理论循环，找出影响其循环热效率的主要因素和提高热效率的可逆措施；然后分析实际循环与理论循环的偏离之处和偏离程度，找出实际损失的部位、大小、原因及改进办法。
本课程主要关心循环中的能量转换关系，减少实际损失是具体设备课程的任务，因此我们主要论及前者。
7.1 内燃动力循环内燃机的燃料燃烧（吸热）、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行的，结构紧凑。
由于燃烧是在作功设备内进行的，所以称为内燃机。
汽车最常用的动力机是内燃机，但是随着技术的进步、环境保护标准的提高与石油天然气资源紧缺，使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池的电动汽车已经呼之欲出。
目前提到汽车发动机仍然主要是指内燃机。
内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、热效率高和操作方便等特点，广泛用于交通运输、工程机械、农业机械和小型发电设备等领域。
它是仿照蒸汽机的结构发明的，最初使用煤气作为燃料。
随着石油工业的发展，内燃机获得了更合适的燃料——汽油和柴油。
德国人奥托（Nicolaus A. Otto）首先于1877年制成了实用的点燃1—气缸盖和气缸体；2—活塞；3—连杆；4—水泵；5—飞轮；6—曲轴；7—润滑油管；8—油底壳；9—润滑油泵；10—化油器；11—进气管；12—进气门；13—排气门；14—火花塞图7-1 单缸四冲程内燃机结构式四冲程内燃机，狄塞尔（Rudoff Diesel）随后于1897年制成了压燃式内燃机。
工程热力学13 动 力 循 环
动 力 循 环一、动力循环的分析方法1．热力学第一定律分析方法（以热效率t η为指标）：热力学第一定律效率=投入系统的能量有效利用的能量动力循环 QW t =η121212111T T S T S T Q Q Q W t -=∆∆-=-==η （STdS T ∆≡⎰⋂） 理想 121T T C -=η 循环完善性充满系数=ABCDAabcda面积面积对应卡诺循环功量实际循环功量=2．热力学第二定律分析方法（以火用效率ex η为指标）： 热力学第二定律效率=投入系统的可用能有效利用的可用能动力循环 sup ,x tex E W =η 或 sup,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=ηTsup ,x E 核算起点不同，可有两种结果： ① 以投入的燃料的化学能为起点 Q E E F x x ==,sup , ② 以释放热量的可用能为起点⎪⎭⎫⎝⎛-==T T Q E E Q x x 0,sup ,1两种分析法，一个考虑能量的“数量”，一个考虑能量的“质量”。
各有侧重，相辅相成，不可偏废。
两者的结合才能全面反映能量的经济性。
如书上本章*10-6 对蒸气动力循环的火用分析，用热一律分析： 乏汽排热能量损耗最大，冷凝器散热损失约占总热量的54.26%，但因放热温度低，火用损失并不大，约占总火用的2.22%；用热二律分析：锅炉的燃烧与传热火用损失最大，约占总火用的58.91% /35.84%；但其热损失仅为10%。
13 蒸汽动力循环13.1 朗肯循环根据热力学第二定律，在一定温度范围内卡诺循环的效率最高。
如果采用气体作为工质，则很难实现卡诺循环中的等温吸热和等温放热这两个过程。
然而我们已经知道，在湿蒸汽区内，蒸汽的吸热和放热都是等温过程，同时也是等压过程。
因此如果以饱和蒸汽作为工质，可以在蒸汽的湿蒸汽区内实现卡诺循环。
图13-1给出了饱和蒸汽卡诺循环的T －s 图。
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a kg (1- )kg
4
抽汽量的计算
T
1
1kg
6
kg
a
5
4
(1- )kg
3
2
1kg 5
a kg (1- )kg
4
以混合式回热器为例 热一律
ha 1 h4 1 h5
h5 h4
ha h4
忽略泵功 s
h5 h3
ha h3
抽汽回热循环热效率
T
1
1kg 6 kg
a
4 5 (1- )kg
给水泵
水蒸气动力循环系统的简化
简化（理想化）：
汽轮机
12 汽轮机 s 膨胀
锅 炉
23 凝汽器 p 放热
发电机
34 给水泵 s 压缩
凝汽器 41 锅炉 p 吸热
给水泵
朗肯循环
朗肯循环图
p
4
1
3
2
v
12 汽轮机 s 膨胀 23 凝汽器 p 放热 34 给水泵 s 压缩 41 锅炉 p 吸热
朗肯循环图
研究目的：合理安排循环，提高热效率
按工质
燃气动力循环：内燃机，如汽油机、柴油机等
理想气体
空气为主的燃气
蒸汽动力循环：外燃机，如蒸汽机、汽轮机
实际气体
水蒸气、氨、氟利昂等
动力循环的分类
按结构
活塞式 piston engine 汽车，摩托，小型轮船
叶轮式
Gas turbine cycle
航空，大型轮船，移动电站 联合循环的顶循环
s
提高循环热效率的途径
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 Reheat
回热循环 Regenerative
热电联产 Cogenerat PFBC-CC
…...
极限回热循环
1 1kg
4
T
5
2
4
3
3
极限回热循环与同温度范围内的卡诺循环热效率相等 实际上无法实现： 1.蒸汽速度很高，零温差传热无法实现 2.膨胀做功后蒸汽干度过低，影响汽轮机正常工作。
小型火力发电厂回热级数一般为1～3级，中大型火力发 电厂一般为 4～8级。
蒸汽再热循环
T 5
4 3
1a
6 b
2
s
1
再 热
4
b 2
a
3
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3
1a
6 b
2
• 再热循环本身不一定 提高循环热效率
• 与再热压力有关 • x2降低,给提高初压创 造了条件，选取再热压 力合适，一般采用一次 再热可使热效率提高2 ％～4％。
•
只采用热效率
t
wnet显然不够全面 q1
• 能量利用系数 K ，但未考虑热和电的品位不同
K
已被利用的能量 工质从热源得到的能量
q供热＋wnet q1
• Ex经济学评价
内燃机循环
燃气动力循环
燃气轮机循环 内燃机循环
点燃式（汽油机） 压燃式（柴油机）
定定混 容压合 加加加 热热热 循循循 环环环
定容加热循环（Otto循环）
v2
混合加热循环
吸热量 q1 cv T2' T2 cp T3 T2'
放热量 q2 cv T4 T1
热效率
t
w q1
q1 q2 q1
1 q2 q1
t
1
1
k 1
(
k 1 1) k(
1)
其中定义 压缩比 v1
定压预胀比 v3
v2
v2
定容升压比
p2'
p2
燃气轮机循环
1
1
k 1
p2 p1
k
2
4
1
s
定义压比： p2
p1
t 1
1
k 1
k
提高Brayton循环热效率的途径
改变循环参数 改变循环形式
t 1
1
k 1
k
再热 回热 多级压缩，中间冷却
回热
2A
回热器 2
3
4R 燃烧室
压气机
燃气轮机
4 1
再热
燃烧室1
3
3’
2
燃烧室2
5
1 压气机
燃气轮机 4’
循环热效率比朗肯循环热效率有所降低 利用了乏汽的热量，热能利用率比高，经
济性好。 不需要凝汽器，简化了系统设备 供热与供电相互牵制，难以同时满足供热
与供电的需求 供热参数单一
调节抽汽式热电循环
抽汽式热电联 供循环, 可以自动 调节热、电供应比 例，以满足不同用 户的需要。
热电循环的经济性评价
间冷器 回热器 燃烧室1 3
2 4R 2R
燃烧室2
压气机 1
燃气轮机 4
工程热力学
Engineering Thermodynamics
动力循环
蒸汽动力基本循环 回热循环和再热循环 热电循环 内燃机循环 燃气轮机循环
动力循环研究目的和分类
热机（热力原动机）：将热能转化为机械能的设备 动力循环：热机的工作循环 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
研究内容和研究方法
研究内容：两类动力循环的构成、特点以及提高动力 循环热力性能的途径。
实际动力循环非常复杂
不可逆，多变指数变化，燃烧等
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。
朗肯循环
水蒸气动力循环系统
汽轮机 锅 炉
发电机
凝汽器
四个主要装置： 锅炉 汽轮机 凝汽器 给水泵
热电循环
背压式机组(背压>0.1MPa)
过热器
1 汽轮机
锅炉
4
给水泵
3
2' 热用户
用发电厂作了功 的蒸汽的余热来 满足热用户的需 要，这种作法称 为热电联(产)供。
热能利用率
• 热能利用率 K
已被利用的能量 K 工质从热源得到的能量 q供热＋wnet 1
q1
实际K值约为0.65～0.7
背压式热电循环的特点
吸热量：
q1,RG h1 h5 h1 ha'
放热量：
q2,RG 1 h2 h2'
3
2
净功：wRG h1 ha
s
1 ha h2
热效率：
t,RG
h1
ha
1 ha
h1 ha'
h2
为什么抽汽回热热效率提高
T
1kg
6
kg
5
4
(1- )kg
3
1
t,RG 1
1 6
2 s
抽汽式回热循环
1 1kg
a2
αkg
6
3
5
4
(1-α)kg
抽汽 冷凝水
去凝汽器 表面式回热器
给水
抽汽 冷凝水
抽汽式回热
混合式回热器
抽汽回热循环
T
1
1kg
6
kg
a
5
4
(1- )kg
3
2
1 1kg
a2
αkg
6
3
5
4
(1-α)kg
s
由于T-s图上各点质量不同，
面积不再直接代表热和功
1kg
5
简单燃气轮机定压加热循环——Brayton循环
Brayton循环热效率 T
3
t
1 T4 T1 T3 T2
1
T1
T4 T1
T2
T3 T2
1
1
因为：1－2，3－4为定熵过程
k 1
k 1
所以：T3 T4
p3 p4
k
p2 p1
k
T2 T1
t
1 T1 T2
1 1 T2 T1
蒸汽初压对朗肯循环热效率的影响
t1 , p2不变，p1
T
5'
5
4'
4 3
1' 1 6'
6
2' 2
s
优点：
• T1 t
v •
，汽轮机出口尺寸
小 2'
缺点： • 对强度要求高
x •全。一2' 般不要利求于出汽口轮干机度安大
于0.86~ 0.88
蒸汽初温对朗肯循环热效率的影响
p1 , p2不变，t1
优点：
Otto循环效率
吸热量 q1 cv T3 T2
放热量 q2 cv T4 T1
热效率
t
w q1
q1 q2 q1
1
q2 q1
1
T4
T1
1
T1
T4 T1
1
因1－2，3－T3 4为T2定熵过T2 程 TT32，有1
T2 T1
v1 v2
k 1
T3 T4
T
3
2
4
1
s
t
1 T1 T2
s
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3
1a
6 b
2
吸热量：
q1 h1 h4 ha hb
放热量：
q2 h2 h3 净功（忽略泵功）：
wnet h1 hb ha h2
s
热效率：
t,RH
wnet q1
(h1 hb ) (ha (h1 h4 ) (ha
h2 ) hb )
多级压缩，中间冷却
间冷器 5
2 3
6