12气体动力循环
工程热力学知到章节答案智慧树2023年四川大学
工程热力学知到章节测试答案智慧树2023年最新四川大学绪论单元测试1.热力发电属于热能的（）。
参考答案:动力利用第一章测试1.与外界只发生质量交换而无热量交换的热力系统称为（）。
参考答案:开口系统2.如果环境压力为100kPa，相对压力为70kPa，则绝对压力为（）。
参考答案:170 kPa3.热力学中一般规定，系统对外界做功为（），系统从外界吸热为（）。
参考答案:正/正4.T-s图上，可逆过程线与s轴围成的面积表示（）。
参考答案:热量5.工质经历一个循环后回到初始状态，其熵（）。
参考答案:不变6.稳定状态（）是平衡状态，而平衡状态（）是稳定状态。
参考答案:不一定/一定7.在p-v图上，任意一个正向循环其（）。
参考答案:压缩功小于膨胀功8.在T-s图上，任意一个逆向循环其（）。
参考答案:吸热小于放热9.容积变化功定义式的适用条件是____过程。
参考答案:null10.经历一个不可逆循环，工质不能恢复到原来的状态（）。
参考答案:错第二章测试1.公式的适用条件是（）。
参考答案:任意工质，可逆过程2.热力学第一定律阐述了能量转换的（）。
参考答案:数量关系3.下列哪些项属于开口系统的技术功范围（）。
参考答案:内部功;进出口的势能差;进出口的动能差4.外部储存能是（）。
参考答案:有序能5.热力学能是（）参考答案:无序能;状态量6.理想气体等温压缩过程，其焓变化量（）。
参考答案:为零7.稳定流动能量方程适用于下列哪些稳定运行的机械设备（）。
参考答案:压气机;锅炉;燃气轮机;蒸汽轮机8.充满空气的绝热刚性密闭容器中装有电热丝，通电后取空气为系统，则有（）。
参考答案:Q＞0，∆U＞0，W=09.工质流经开口系统时存在流动功，流动功（）状态参数。
参考答案:是10.一定量在水，在自然界中从海水中蒸发为云，一定气候条件下形成雨雪降落，凝结成冰，冰雪融化后又流入江河，最后汇入大海，回到初始状态。
经历了整个循环后，水的热力学能和焓的变化为（）参考答案:热力学能和焓均不变11.气体吸热后，热力学能一定增加。
动力循环_热效率计算及提高热效率的方法和途径
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忽略泵功
t
h1 h2 h1 h3
4 3
1 2
s
朗肯循环与卡诺循环比较
T 4'
9 5
4 3 8 12
1 10
6
11 7 2
对比同温限1234’ • q2相同； • q1卡诺> q1朗肯
• 卡诺> 朗肯； •等温
吸热4’1难实现
对比5678
• 卡诺< 朗肯；
• wnet卡诺< wnet 朗肯
对比9-10-11-12
吸热量： q1,RG h1 h5 h1 ha' 放热量：
q2,RG 1 h2 h2'
3
2
净功：
wRG h1 ha
热效率：
s
1 ha h2
t,RG
h1
ha
1
h1 ha'
ha
h2
为什么抽汽回热热效率提高？
T
1
教材P.256推导
6
1kg kg
t,RGa 1
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人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。02:21:0502:21: 0502:211/2/2021 2:21:05 AM
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做一枚螺丝钉，那里需要那里上。21.1.202:21:0502:21Jan- 212-Jan-21
工程热力学-09 气体动力循环
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
(
工程热力学思考题答案
第九章气体动力循环1、从热力学理论看为什么混合加热理想循环的热效率随压缩比ε和定容增压比λ的增大而提高,随定压预胀比ρ的增大而降低答：因为随着压缩比ε和定容增压比λ的增大循环平均吸热温度提高,而循环平均放热温度不变,故混合加热循环的热效率随压缩比ε和定容增压比λ的增大而提高.混合加热循环的热效率随定压预胀比ρ的增大而减低,这时因为定容线比定压线陡,故加大定压加热份额造成循环平均吸热温度增大不如循环平均放热温度增大快,故热效率反而降低.2、从内燃机循环的分析、比较发现各种理想循环在加热前都有绝热压缩过程,这是否是必然的答：不是必然的,例如斯特林循环就没有绝热压缩过程.对于一般的内燃机来说,工质在气缸内压缩,由于内燃机的转速非常高,压缩过程在极短时间内完成,缸内又没有很好的冷却设备,所以一般都认为缸内进行的是绝热压缩.3、卡诺定理指出两个热源之间工作的热机以卡诺机的热效率最高,为什么斯特林循环的热效率可以和卡诺循环的热效率一样答：卡诺定理的内容是：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环,其热效率都相同,与可逆循环的种类无关,与采用哪一种工质无关.定理二：在温度同为T1的热源和同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环,其热效率必小于可逆循环.由这两条定理知,在两个恒温热源间,卡诺循环比一切不可逆循环的效率都高,但是斯特林循环也可以做到可逆循环,因此斯特林循环的热效率可以和卡诺循环一样高.4、根据卡诺定理和卡诺循环,热源温度越高,循环热效率越大,燃气轮机装置工作为什么要用二次冷却空气与高温燃气混合,使混合气体降低温度,再进入燃气轮机答：这是因为高温燃气的温度过高,燃气轮机的叶片无法承受这么高的温度,所以为了保护燃气轮机要将燃气降低温度后再引入装置工作.同时加入大量二次空气,大大增加了燃气的流量,这可以增加燃气轮机的做功量.5、卡诺定理指出热源温度越高循环热效率越高.定压加热理想循环的循环增温比τ高,循环的最高温度就越高,但为什么定压加热理想循环的热效率与循环增温比τ无关而取决于增压比π答：提高循环增温比,可以有效的提高循环的平均吸热温度,但同时也提高了循环的平均放热温度,吸热和放热均为定压过程,这两方面的作用相互抵消,因此热效率与循环增温比无关.但是提高增压比,p不变,即平均放1提高,即循环平均吸热温度提高,因此循环的热效率提高.热温度不变,p26、以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例,总结分析动力循环的一般方法.答：分析动力循环的一般方法：首先,应用“空气标准假设”把实际问题抽象概括成内可逆理论循环,分析该理论循环,找出影响循环热效率的主要因素以及提高该循环效率的可能措施,以指导实际循环的改善；然后,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、原因及提出改进办法.7、内燃机定容加热理想循环和燃气轮机装置定压加热理想循环的热效率分别为111--=κεηt 和κκπη111--=t .若两者初态相同,压缩比相同,他们的热效率是否相同为什么若卡诺循环的压缩比与他们相同,则热效率如何为什么答：若两者初态相同,压缩比相同,它们的热效率相等.因为21v v =ε,12p p =π. 对于定压加热理想循环来说κ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2112v v p p ,将其带入定压加热理想循环热效率的公式可知,二者的效率相等.对于卡诺循环来说,112121--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=κκεv v T T ,又因为卡诺循环的热效率为1211211111--=-=-=κεηT T T T ,所以卡诺循环和它们的效率相等.8、活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率实际中是否采用为什么答：理论上可以利用回热来提高活塞式内燃机的热效率,原因是减少了吸热量,而循环净功没变.在实际中也得到适当的应用.如果采用极限回热,可以提高热效率但所需的回热器换热面积趋于无穷大,无法实现9、燃气轮机装置循环中,压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功,因而增加了循环净功如图8-1,但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低,试分析之.答：采用定温压缩后,显然循环的平均吸热温度T 1降低,而循环的平均放热温度T 2却没有变化,121T T -=η,因此整个循环的热效率反而降低. 10、燃气轮机装置循环中,膨胀过程在理想极限情况下采用定温膨胀,可增大膨胀过程作出的功,因而增加了循环净功如图8-2,但在没有回热的情况下循环热效率反而降低,为什么图 8-2答：在膨胀过程中采用定温膨胀,虽然增加了循环净功,但是却提高了循环的平均放热温度T 2,而整个循环的平均吸热温度T 1没有变化,热效率121T T -=η因此循环的热效率反而降低. 11、燃气轮机装置循环中,压气机耗功占燃气轮机输出功的很大部分约60%,为什么广泛应用于飞机、舰船等场合答：因为燃气轮机是一种旋转式热力发动机,没有往复运动部件以及由此引起的不平衡惯性力,故可以设计成很高的转速,并且工作是连续的,因此,它可以在重量和尺寸都很小的情况下发出很大的功率.而这正是飞机、舰船对发动机的要求.12、加力燃烧涡轮喷气式发动机是在喷气式发动机尾喷管入口前装有加力燃烧用的喷油嘴的喷气发动机,需要突然提高飞行速度是此喷油嘴喷出燃油,进行加力燃烧,增大推力.其理论循环1-2-3-6-7-8-1如图8-3的热效率比定压燃烧喷气式发动机循环1-2-3-4-1的热效率提高还是降低为什么答：理论循环1-2-3-6-7-8-1的热效率小于定压燃烧喷气式发动机循环1-2-3-4-1的热效率.因为由图中可以看出循环6-7-8-4-6的压缩比小于循环1-2-3-4-1,因此循环6-7-8-4-6的热效率小于循环1-2-3-4-1,因此理论循环1-2-3-6-7-8-1虽然增大了循环的做功量,但是效率却降低了.13、有一燃气轮机装置,其流程示意图如图8-4 所示,它由一台压气机产生压缩空气,而后分两路进入两个燃烧室燃烧.燃气分别进入两台燃气轮机,其中燃气轮机Ⅰ发出的动力全部供给压气机,另一台燃气轮机Ⅱ发出的动力则为输出的净功率.设气体工质进入让汽轮机Ⅰ和Ⅱ时状态相同,两台燃气轮机的效率也相同,试问这样的方案和图9-16、图9-17所示的方案相比较压气机的s C ,η和燃气轮机的T η都相同在热力学效果上有何差别装置的热效率有何区别答：原方案：循环吸热量：t cm Q ∆=1循环功量：()()][1243h h h h m w w w c T net ---=-=题中方案：循环吸热量：t cm t cm t cm Q B A ∆=∆+∆='1 1 循环净功：()43'h h m w B net -= 2对于此方案,m A h 3-h 4=mh 2-h 1 3由123可以得到()()[]1243'h h h h m w net ---=所以这两种方案的循环吸热量和循环净功均相等,因此它们的热力学效果和热效率均相等.。
气体动力循环
1
T3
1
T4 T3
T2
(1
)
代入参数间的关系式 T2 T3 ，( 可1)/得
T1 T4
t
(
1)
/
1 ( 1)/
1
1
( 1) /
(1
)
( 1) /
2024年5月31日
第九章 气体动力循环
9
热效率影响因素分析
由 可见:
t
(
1)
/
1( ( 1)/
1)
1
( 1) /
(1
平均放热温度。因此，由等效卡诺循环的热效率公 式可知，采用回热措施能提高燃气轮机装置循环的 热效率。
2024年5月31日
燃气轮机回热循环热效率可表示为
t
1
w0 q1
(ws )T
(ws )c q1
(h3 h4 ) (h2 h1) h3 h6
比热容为定值时，有 t
T4
T3 T4
1
T1
T2 T1
3 b b' 2' 2 3代表燃气轮机所输出的轴功，根据喷气发动机
的工作原理，两轴功的数值相等，故两面积相等。 显然，喷气式发动机的热力循环和定压加热燃气轮机循环相同，
故可引用有关的结论来对其进行分析。
2024年5月31日
第九章 气体动力循环
15
9-3 活塞式热气发动机及其循环
活塞式热气发动机又称斯特林发动机，是一种外部加热的 闭式循环的发动机，只是在近几十年来才取得较大的进展。 突出优点： 采用外部加热，故废气的污染少，可以采用多种 燃料特别是劣质燃料，还可以利用核能。
过程的不可逆损失较大。
压气燃气轮机轴功：(ws )T T (h3 h4 )
工程热力学气体动力循环的概念与分类
工程热力学气体动力循环的概念与分类工程热力学是研究热能和功的转换与利用的学科。
在工程领域中，气体动力循环是广泛应用于发电、制冷、空调、石油化工等领域的一种热力学循环过程。
本文将介绍工程热力学气体动力循环的概念，并对其进行分类。
一、概念气体动力循环是通过工作物质在循环过程中吸热、膨胀、排热、压缩等热力学过程，将热能转化为功的循环过程。
这种循环过程通常由燃料燃烧产生热能，再通过与工作物质的热交换和机械工作转换来实现功的输出。
气体动力循环常用于热能转换设备，如内燃机、蒸汽轮机等。
二、分类根据气体动力循环的特点和工程应用需求，可以将其分为以下几类：1. 单级循环与多级循环单级循环是指在气体动力循环中，工作物质只经过一次膨胀和压缩过程，例如单级蒸汽轮机循环。
而多级循环则是指工作物质在循环过程中经过多次膨胀和压缩过程，例如多级蒸汽轮机循环。
多级循环相比于单级循环具有更高的效率和更好的经济性。
2. 热力循环与制冷循环热力循环主要用于能源利用，将热能转化为功。
典型的热力循环包括布雷顿循环和卡诺循环等。
而制冷循环则是将热能从低温区吸收，通过工作物质的循环过程将热能传递到高温区，从而实现制冷效果。
常见的制冷循环包括单级压缩制冷循环和多级压缩制冷循环等。
3. 气体组成循环气体动力循环中的工作物质可以是单一组分的气体，也可以是多组分混合气体。
气体组成对循环过程的热力学性质和性能有重要影响。
常见的气体组成循环包括理想气体循环、湿气循环和混合气体循环等。
4. 循环过程特点根据循环过程的特点，气体动力循环可分为恒定流量循环和恒定压力循环。
在恒定流量循环中，气体流量保持不变，例如湿蒸汽循环。
而在恒定压力循环中，工作物质的排热过程保持恒定压力，例如常压汽轮机循环。
总结：工程热力学气体动力循环是将热能转化为功的一种循环过程。
根据其特点和应用需求，可以将其分类为单级循环与多级循环、热力循环与制冷循环、气体组成循环以及循环过程特点等。
06_第六章 气体动力循环
6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
预胀比 表示定压燃烧时气体比体积增大的倍率。
(6-3)
2)循环热效率
混合加热循环在温熵图中如图6-3所示。它的热效率为 (a)
6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
假定工质是定比热容理想气体,则 (b)
将式(b)代入式(a)得 (c)
6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
6-4 活塞式内燃机各种循环的比较
2、在迚气状态以及最高温度(Tmax)和最高压 力(pmax)相同的条件下迚行比较
图6-13示出了三种理论循：
123451为循环加热循环
12’451为定容加热循环
12”451为定压加热循环
三种循环放出的热量相同： q2p = q2 = q2v = 面积 71567
图 6-7
6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环
1、活塞式内燃机定容加热循环分析
有些活塞式内燃机 (如煤气机和汽油机) , 燃料是预先和空 气混合好再迚入气缸的 , 然后在压缩终了时用点火花点燃。 一经点燃, 燃烧过程迚行得非常迅速,几乎在一瞬间完成, 活塞基本上提留在上止点未动, 因此这一燃烧过程可以看 作定容加热过程。其它过程则和混合加热循环相同。 定容加热循环(又称奥托循环)在热力学分析上可以看作 混合加热循环当预胀比 时的特例。
6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环
图 6-8
图 6-9
6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环
2、活塞式内燃机定压加热循环分析
有些柴油机的燃烧过程主要在活塞离开上止点的一段行 程中迚行,一面燃烧, 一面膨胀,气缸内气体的压力基本保 持不变,相当于定压加热。这种定压加热循环(又称狄塞 尔循环)也可以看作混合加热循环的特例。 状态3和状态2重合,混合加热循环便成 了定压加热循环(图6-10、图6 -11)。令式(6-4)中 , 即可得定压加 热循环的理论热效率计算式：
工程热力学第12章答案
第12章 气体动力装置循环12-1 某燃气轮机装置理想循环，已知工质的质量流量为15kg/s ，增压比π=10，燃气轮机入口温度T 3=1200K ，压气机入口状态为0.1MPa 、20℃，假设工质是空气，且比热容为定值，c p =1.004kJ/（kg ·K ），k =1.4。
试求循环的热效率、输出的净功率及燃气轮机排气温度。
解：−−4.114.11kk（1）极限回热时 =×===−−4.114.11126615.298kk T T T π497.47K=⎟⎠⎞⎜⎝⎛×=⎟⎠⎞⎜⎝⎛==−−4.114.113456115.12731kk T T T π763.05K循环吸热量 )(531T T c q p −= 循环放热量 ()162T T c q p −= 循环热效率=−−−=−−−=−=05.76315.127315.29847.497111162T T T T q q t η60.9%t=×===−−4.114.1126515.293kk L T T T π464.30K=⎟⎠⎞⎜⎝⎛×=⎟⎠⎞⎜⎝⎛==−−4.114.11455115.11731kk H T T T π740.71K循环吸热量 ()17.43471.74015.1173004.1)(531=−×=−=T T c q p kJ/kg 循环放热量 ()162T T c q p −=4.114.118−−kk t π12-5 某理想燃气-蒸汽联合循环，假设燃气在余热锅炉中可放热至压气机入口温度(即不再向环境放热)，且放出的热量全部被蒸汽循环吸收。
高温燃气循环的热效率为28%，低温蒸汽循环的热效率为36%。
试求联合循环的热效率。
解：假设高温燃气循环中热源提工１００ｋＪ热量。
在燃气轮机中作功为 28%281001=×=w ｋＪ燃气在余热锅炉中吸热为 72112=−=w q ｋＪ 在蒸汽轮机中作功为 92.25%36722=×=w ＫＪ 联合循环的热效率为 %92.5310092.2528=+=t η12-6 有人建议利用来自海洋的甲烷气体来发电，甲烷气作为燃气蒸汽联合循环的燃料。
《工程热力学》学习资料 (2)
连续的，转速高，输出功率大。
34
燃气轮机(gas turbine)装置简介
35
q2
排气
燃烧室
4
q1
3
2
泵
压气机
汽轮机
燃料
1 进气
燃 气 轮 机 装 置 示 意 图
36
循环示意图
2 燃烧室 3
压气机
燃气轮机
1
4
理想化： 1）工质：数量不变，定比热理想气体 2）闭口 循环 3）可逆过程
作业：结合思考题看书。9-1、9-15
66
本章结束
67
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？
p
3 2
4
5 1
v
p 2(3)
4 5 1 v
29
高速柴油机与低速柴油机循环图示
p 34
p
tp
1
k 1
k1k 1
2
2(3) 4 1
5
5
1
v
高速柴油机，压燃式、轻 柴油、高压油泵供油。
1
v
低速柴油机，压燃式、重柴 油、压缩空气喷油。
30
四冲程高速柴油机工作过程
3—4 边喷油，边膨胀
p3 4
近似 p 膨胀
t4可达1700~1800℃
2 2＇
4 停止喷柴油
4—5 多变膨胀
p0
p5=0.3~0.5MPa
0
t5500℃ 5—1‘ 开阀排气
，V
降压
1‘—0 排气,完成循环。
5 1＇
1 V
17
四冲程高速柴油机的理想化
气体动力循环13-斯特林循环等
T3
opt ( w净 )
k 2( k 1)
T1
最大循环净功 wopt c pT1
工程热力学
1
2
s
燃气轮机的实际循环
压气机：不可逆绝热压缩
T 2
2’
燃气轮机：不可逆绝热膨胀
定义： 压气机绝热效率
3
4’
4
h2 h1 c h2' h1
1
燃气轮机相对内效率
oi
工程热力学
s
对净功的影响
1 k k 1 T k k w净 c pT1 1
3
3’
2 4
当 不变
w净
t 1
1
k 1 k
4’
1
不变
但T3 受材料耐热限 制 工程热力学
T3 T1
s
对净功的影响
1 k k 1 T k k w净 c pT1 1
和 opt w
' t
' 净
的关系
' 净
opt
>
opt w opt w
opt
' t
地面上，尺寸次要，省燃料，取 空中，尺寸重要，取 提高
' 净
有无 其它 途径
t
受材料耐热限制
取最佳
工程热力学
提高勃雷登循环热效率的其他途径
一、回热
T4 在500oC以上
2
2
v
工程热力学
勃雷登循环（Brayton Cycle）
用途： 航空发动机 尖峰电站
工程热力学 第十二章 气体动力装置循环
22
第12章 气体动力装置循环
12-1 燃气轮机装置理想循环 12-2 燃气轮机装置实际循环 12-3 燃气-蒸汽联合循环 12-4 整体煤气化联合循环（IGCC） 12-5 活塞式内燃机循环
12-6 分布式能源系统
23
整体煤气化联合循环
❖ 工作冲程2-5：2-3 柴油迅速燃烧， 活塞在上死点移动甚微，近似定容 燃烧; 3-4 活塞下行，继续喷油、 燃烧、近似定压膨胀; 4-5 燃气膨 胀作功，压力、温度下降。
❖ 排气冲程5-0：排气阀打开，同时， 活塞自右向左移动，将废气排出气 缸外。
29
活塞式内燃机理想混合加热循环（萨巴德循环）
分类： ❖ 按燃料：煤气机、汽油机、柴油机 ❖ 按点火方式：点燃式、压燃式 ❖ 按冲程：二冲程、四冲程
28
活塞式柴油内燃机工作原理
❖ 吸气冲程0-1：进气阀开启，活塞 自左向右移动，将燃料和空气的混 合物经进气阀吸入气缸中，达到下 死点1后，进气阀关闭。
❖ 压缩冲程1-2：活塞到达下死点1 时，进气阀关闭；活塞上行，压缩 空气。
煤化工结合成多联产系统，能同时生产电、热、 燃料气和化工产品。
26
第12章 气体动力装置循环
12-1 燃气轮机装置理想循环 12-2 燃气轮机装置实际循环 12-3 燃气-蒸汽联合循环 12-4 整体煤气化联合循环（IGCC） 12-5 活塞式内燃机循环
12-6 分布式能源系统
27
活塞式内燃机简介
燃气轮机装置实际循环热效率：
t
w/ net
q1
wT/ wC/ h3 h2/
13
带回热的燃气轮机装置循环
第六章 气体压缩及动力过程
t,p t,m t,v
或
T 2 p T 2m T 2v
T 1p T 1m T 1v
第三节 增压内燃机及其循环
典型的理想循环要损失一部分蕴藏于排气中的能量。
假若使工质由pz一直膨胀到进气压力pa，——继续 膨胀循环。（P92 ）
脉冲涡轮增压
定压涡轮增压
分析：
（1）继续膨胀循环更完善，它在相同的加热量下能 多得一部分功，使ηt提高。
（2）实际上，利用排气涡轮，使工质在涡轮中继续 膨胀作功来实现继续膨胀循环；
（3）压缩过程并不全在气缸内进行，先在增压器中 进行预压缩，从而提高循环的平均压力pt；
所以，继续膨胀循环是对各种废气涡轮增压内燃 机进行热力学分析的基础。
p2
/
n1
p1 n
n n 1
RT1 1
n1
πn
增压比： π p2 / p1
可逆多变压缩：
Wn
n n 1
RT1 1
n1
πn
可逆定温压缩： 可逆绝热压缩：
WT -RT1lnπ
Wn
k k
1
RT1
1
k1
πk
二、活塞式压气机余隙容积的影响
p
活塞运动到上死
32
点位置时，活塞顶 面与气缸盖间留有
Vh
Vc Vh
V4
1 Vc (V4 1) Vh Vc
V
Ve Vh
1
Vc
[
1 n
Vh
1]
设1-2和3-4都
为多变过程，且
n相等，则
1
1
V4 V3
p3 p4
n
p2 p1
热能动力装置
1)] ( k
1)]
热效率伴随压缩比ε旳增大,预胀比ρ旳减小和采用高ｋ 值旳气体而增大。
第三节 内燃机三种理想循环旳比较及循环旳平均压力
前提条件： 1.循环初始状态点1相同 2.对每kg工质而言,加入旳热量相同
一、平均温度旳概念
加热过程 a-b-c ：
T b
q1 Tds 面积abcsc sa a abc
2. 艾利克松循环
它是一种开式旳循环，用定压回热替代了斯特林循环中旳定容 回热。
艾利克松定压回热理想循环abcda（如图所示），由下列四个过 程所构成：
ab为定压吸热过程（从回热器中吸热）； bc为定温膨胀过程，并从高温热源吸热； cd为定压放热过程（向回热器中放热）； da为定温压缩过程，并向低温热源放热。 一样能够证明：在相同旳温度范围内，理想旳定压回热循环（ 艾利克松循环）和卡诺循环，具有相同旳热效率。
12定熵压缩过程（在压气机中完毕）； 23定压加热过程（在燃烧室或加热器中完毕）； 34定熵膨胀过程（在气轮机中完毕）； 41定压冷却过程（在大气中或冷却器中完毕）。
二、理想回热循环 1.斯特林循环
斯特林按正循环工作时能够作为热机循环，对外作出功量；按 逆向循环工作时，能够作为热泵循环。
循环由四个过程构成： （1) 定温压缩过程。如图10-13（a）所示 。 （2）定容吸热过程。如图10-13（b）所示 。 （3）定温膨胀过程。如图10-13（c）所示。 （4）定容放热过程。如图10-13（d）所示。
q
热效率
t
1 q2 q1
定容过程2－3工质吸入热量： 定压过程3－4工质吸入热量： 工质在混合循环中总吸热量：
q1v cv (T3 T2 ) q1p c p (T4 T3 )
第6章动力循环
– 提高热效率 – 减小汽轮机低压缸尺寸，末级叶片变短 – 减小凝汽器尺寸，减小锅炉受热面 – 可兼作除氧器
使用
– 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。
三、热电联供循环
过热器
1 汽轮机
锅炉
4
给水泵
3
2' 热用户
背压式热电联产循环简图 背压>0.1MPa
尽管采用了高参数、再 热、回热等措施，循环 热效率仍低于50％，大 部分被排放于冷却水或 大气中，这部分热能数 量虽大，但因温度接近 于环境温度，故不能用 来转换为机械能。为了 充分利用热能，自然地 联想到用发电厂作了功 的蒸汽的余热来满足热 用户的需要，这种作法 称为热电联供。
汽轮机作功：
ws,12 h1 h2
水泵绝热压缩耗功：
ws,34 h4 h3
循环净功：
wnet (h1 h2 ) (h4 h3)
锅炉中的定压吸热量：
朗肯循环
q1 h1 h4
凝汽器中的定压放热量：
热效率：
q2 h2 h3
t
wnet q1
ws,12 ws,34 q1
1 q2 q1
我国已成批生产功率分别为200MW、300MW、 600MW的锅炉、汽轮机和发电机组；
热力发电厂这样以水蒸气为工质的蒸汽动力装 置工作循环称为蒸汽动力循环。
Gas Cooled Reactors (GCR)
Uses carbon dioxide used as coolant. Graphite moderators allow use of natural
热电联供循环的评价
只采用热效率不够全面，能量利用系数
已被利用的能量 K 工质从热源得到的能量
动力循环
（2）采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环 采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环
采用多级压缩中间冷却，可使压缩终了温度降低。 采用多级压缩中间冷却，可使压缩终了温度降低。而采 用多级膨胀中间再热，可使膨胀终了温度提高。 用多级膨胀中间再热，可使膨胀终了温度提高。这两方面都 可使回热的温度范围大为扩展， 可使回热的温度范围大为扩展，从而提高平均吸热温度及降 低平均放热温度，使循环热效率得到较大的提高。 低平均放热温度，使循环热效率得到较大的提高。 结构复杂，体积较大， 结构复杂，体积较大，因而常单独采用多级压缩中间冷 或采用多级膨胀中间再热。 却，或采用多级膨胀中间再热。
时循环净功有极大值。 时循环净功有极大值。
二、燃气轮机的实际循环 压气机耗功： 压气机耗功：
ηc, s 燃气轮机轴功： 燃气轮机轴功： ( ws ) T = ηT (h3 − h4 )
( ws ) c =
h2 − h1
w0 ( ws ) T − ( ws ) c 循环热效率： 循环热效率： η t = 1 − = q1 q1
ε ↑ ε → ηt ↑ p1v1 w0 = (λ − 1)(ε κ −1 − 1) κ −1
可见： 可见：
↑ λ , ↑ ε → w0 ↑
②定压加热循环（笛塞尔循环） 定压加热循环（笛塞尔循环）
特点： 1,为混合 特点：λ＝1,为混合 加热循环的一个特例， 加热循环的一个特例，将 其代入混合加热循环的热 效率及循环净功的表达式， 效率及循环净功的表达式， 即分别有： 即分别有： 1 ρκ −1 η t = 1 − κ −1 ε κλ ( ρ − 1) 可见： 可见：
混合加热循环的循环净功为： 混合加热循环的循环净功为：
′ ′ w0 = (q1 + q1′) − q2 = cV 0 (T3 − T2 ) + c p 0 (T4 − T3 ) − cV 0 (T5 − T1 )
《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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第12章气体动力循环讲课时间：第十一周周四
12－1循环过程概述
一、循环过程的分类（按目的分）动力循环：将热量通过能量的传递和转换，转变成人们所需要的功。
制冷循环：将热量不断地从系统排向环境以使系统温度降到所要求的某一低于环境温度的水平。
热泵循环：将热量不断地传给系统使系统温度提高到所要求的某一高于环境温度的水平。
一、循环过程的分类（按循环工质分）
将动力循环进一步分为气体动力循环和蒸汽动力循环。
z气体动力循环是指流体工质在整个循环过程中均保持为气相状态
z蒸汽动力循环则是指流体工质在进行热力循环时会发生气、液相之间的转变，即在循环过程的一些设备中，工质为气态，一些设备中为液态，另一些设备中为气、液共存状态。
制冷和热泵循环也有气体和蒸气循环之分
一、循环过程的分类（按燃料燃烧方式分）根据燃料的燃烧方式，也可将动力循环分为内燃
式和外燃式。
z在内燃式动力循环中，燃气即为工质，工质吸收
的热量来自于工质自身的燃烧放热。
常见的内燃
式动力循环为内燃机循环和燃气轮机循环（本章
详细介绍）。
z在外燃式动力循环中，工质自身不会燃烧，而是
需要通过外部热源（如锅炉，地热井，核反应器
或太阳能集热器等）将热量通过换热器传给工
质。
常见的外燃式动力循环为蒸汽动力循环（下
一章详细介绍）
二、分析循环过程时的常用简化
实际循环过程是十分复杂的，如实际过程中的各种摩擦、设备在启动或停机时的各种不稳定和非平衡状态等。
为了便于对实际过程进行理论分析，一般将实际循环抽象概括为内可逆的理想循环。
尽管此种简化方法忽略了实际情况的诸多细节，但它对于人们找出影响循环效率的主要因素和提高效率的可能措施是十分有效的，其合理性也已被实践所证明。
常用简化
•假设1：循环中无任何摩擦效应，因此不必考虑流体在管道或各种设备中流动时的压降；
•假设2：所有的热力学过程均为准静态过程，且认为流动过程是稳定的；
•假设3：连接各设备的管道是绝热的，即通过管道的散热量忽略不计
•假设4：流体流过循环中的各个设备时，一般不考虑其动能和重力势能的变化，这是因为，大多数情况下，能量守恒方程中此两项的变化数值与其它项相比很小，可忽略不计。
对于喷管或扩压管，还能用这样的假设么？
对于喷管或扩压管，则不能忽略动能的变化，因为使用它们的目的正是为了使速度（动能）发生显著改变。
两类方法所揭示的不完善部位
及损失的大小是不同的
•例如，在蒸汽动力循环中，能量损失最大的部位是凝汽器，火用损失最大的部位是锅炉。
•这是因为，凝汽器中冷、热流体的温差并不大，所以不可逆性和由此造成的火用损失并不大，而锅炉中燃料的燃烧温度和工质水的温差则很大。
由此可见，在工程应用中，为了全面反映循环的经济性，需综合应用两种方法以便同时考虑能量的数量和品质。
12－2气体动力循环的空气标准
假设
为什么需要引入空气标准假设？•常见的气体动力循环有内燃机装置中常用的狄赛尔（Diesel）循环和奥托（Otto）循环，以及燃气轮机装置中常用的布雷顿（Brayton）循环等。
•均为内燃式循环，燃气即为工质，工质吸热来自于工质自身的燃烧放热。
•由于有燃料的喷入和燃烧，循环过程中工质的成分、质量会有所改变。
•此外，工质在做功后作为废气排入大气环境而并非回到其初始状态，这说明工质并没有完成闭合循环，而是一种开式循环。
为什么需要引入空气标准假设？•可见，实际气体动力循环十分复杂，为使分析简化，在分析气体动力循环时，除了应用12-1节中提到的循环过程的常用简化外（无摩擦、准静、稳定流动、管道散热忽略、势能和动能变化忽略），通常还要作空气标准假设
12-3活塞式内燃机的工作原理及实际循环的简化
活塞式内燃机分类：
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（汽车发动机）和二冲程（摩托车等轻型交通工具和割草机等园林机械）
点燃式内燃机：吸入燃料和空气的混合物，经压缩
后，由火花塞点燃；（煤气机、汽油机）
压燃式内燃机：吸入的仅仅是空气，经压缩后使空气
的温度上升到燃料自燃的温度，再喷
入燃料燃烧。
（柴油机）
吸气压缩燃烧膨胀排气
割草机单个气缸
大多数汽车都有多个气缸（四、六或八个）
直列式——气缸按直线排成一排V型——气缸按一
定角度排成两排
水平对置型——气缸在发动机的相对两侧排成两排
2.0L ，L-4发动机 4.3L ，V-8发动机
四冲程柴油机的示功图
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。
以空气为工质、混
合加热理想循环
其它种类内燃机循环示功图（1）
实际循环简化为
以空气为工质、
定压加热理想循环，
又称狄塞尔循环
•
英文中，Diesel即为柴油机之意，该词取自于德国发明家、工程师狄赛尔·鲁道夫（Diesel Rudolf）的名字，他于1898年左右发明了柴油机技术并对之拥有专利。
Diesel Rudolf
（1858-1913）
其它种类内燃机循环示功图（2）
实际循环简化为
以空气为工质、
定容加热理想循环，又称
奥托循环
Otto循环技术由德国科学家奥托•尼古拉斯（Otto Nicolaus）于1876年发明
该循环主要用于汽油机
12-4往复活塞式内燃机的理想
循环
一、循环热效率及其影响因素
（1）混合加热理想循环
1. p-v 图及T-s 图
1 2 等熵压缩；2 3 等容吸热；3 4 定压吸热；4 5 等熵膨胀；5 1 定容放热特性参数：
1
2
v v ε=
32
p p λ=43
v v ρ=
压缩比(compression ratio)定容增压比(pressure ratio)定压预胀比(cutoff ratio)
1γ
λρ−
（2）定压加热理想循环
q T T −
（3）定容加热理想循环
讨论：t )a ε
η↑↑
net );t b w λη
↑↑不变，但1
1
1t γηε−=−
二、三种理想循环的热力学比较
•当压缩比和吸热量相同时，定容加热比定压加热对循环有利。
•但在实际应用中，三种循环的压缩比各不相同，所以将压缩比相同作为比较基础并不完全符合内燃机的实际情况
•压缩比的不同是由于不同燃料的着火燃烧方式不同
对于按定容加热循环工作的内燃机（汽油机），着火方式为点燃式，被压缩的是燃料和空气的混合物，压缩比不能太高（压缩比：5:1~9:1），否则压缩后混合物的温度超过其自燃温度（汽油约为415 ℃），以致在点火前产生不正常的燃烧（“爆燃”：气缸内发生金属撞击声，气缸过热，发动机功率及热效率显著下降，排气冒黑烟等）
为了解决汽油机的“爆燃”问题，人们尝试将燃料和空气分开，使吸气与压缩过程的工质仅仅为空气，这样压缩后就不会出现自燃问题，从而压缩比可取较大值，达到提高循环热效率的目的。
这样便诞生了柴油机。
柴油机压缩比的下限值要使压缩终止时的温度保证燃料能够自燃，压缩比的上限值受到机械强度等因素的限制
（压缩比:13:1~18:1）。