工程热力学 第9章

损失的部位、大小、原因及改进办法
1
三、分析动力循环的方法
1. 第一定律分析法
以第一定律为基础，以能 量的数量守恒为立足点。
2. 第二定律分析法 熵分析法 分析法
综合第一定律和第二定律 从能量的数量和质量分析。
熵产
作功能力损失
2
四、内部热效率i(internal thermal efficiency )
18
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
q1v q1m q1p
q2v q2m q2 p
tv tm tp
或
T 2v T 2m T 2 p T 1v T 1m T 1p
19
二、循环pmax、Tmax相同时的比较
q2 p q2m q2v q1p q2m q2v
c) 重负荷（，q1 ）时 内部热效率下降，除
外还有因温度上升而使 ，造成热效率下降
15
三、定容加热理想循环(Otto cycle)
v1
v2
p3
p2
16
v1
v2
p3
p2
q1 cV T3 T2
q2 cV T4 T1
1 t 1
简化：引用空气标准假设
燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热
排气5-1等容放热
压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程 吸、排气线重合、忽略
燃油质量忽略
燃气成分改变忽略
8
1. p-v图及T-s图
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)
t
1

T4 T1
T3 T2
t
1
1

1
1
1
q1 cp T3 T2

1 t

1



1
1
1
14
讨论： a) t wnet b) t wnet
定容增压比(pressure ratio)
v1
v2 p3
p2
定压预胀比 (cutoff ratio)
v4
v3
9
2. 循环热效率
t

wnet q1
wnet w12 w23 w34 w45 w51 w12 w34 w45

Rg
1
归纳： a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热效率的重
要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。 b.利用T-s图分析循环较方便。 c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。
13
二、定压加热理想循环(Diesel cycle)
v1
v2
v3
v2
t
1
q2 q1
q2 cV T4 T1
cp T3 T2 T4 T1

c
pT1




1
1


1



1
1


δwnet 0
d

2 1
wnet wnet,max
30
d ) wnet与 及的关系
q2 q51 cV T5 T1
10
t
1
q2 q1
1
T3
T5 T1
T2 T4
T3
利用 、、 表示 t
12 23
34
T2
T1

v1 v2
1
T1 1
T3
T2
p3 p2
T1 1
气体动力循环中工作流体 理想气体 空气 定比热
燃烧和排气过程
吸热和放热过程
燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不计
3
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
1．分类：
按燃料：煤气机(gas engine) 汽油机(gasoline engine; petrol engine) 柴油机(diesel engine)
T3
T2
循环增温比（temperature ratio）
3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）
4-1 定压放热（排气，假想换热器）
27
三ຫໍສະໝຸດ Baidu定压加热理想循环分析
1.热效率ηt
q1 h3 h2
cpm
t3 t2
T3 T2
cp
T3 T2
q2

h4
h1
9–1 分析动力循环的一般方法
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。
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

c pm
t4 t1
T4 T1
cp T4 T1
t
1
q2 q1
1 T4 T1 T3 T2
1
T4

T3

p4 p3


1
T1

T2
p1 p2


p4 p1 p3 p2
T4 T3
T1 T2
T4 T1 T1 T3 T2 T2
t,p t,m t,v
或
T 2 p T 2m T 2v
T 1p T 1m T 1v
例A470299 例A447277
20
9-5 燃气轮机装置循环
一、燃气轮机(gas turbine)装置简介
小型燃气轮机 21
轴流式燃气轮机
22
23
24
25
构成
压气机(compressor)

h2s h1 h2 h1
wC

1
C,s
h2s h1
1
h2

h1

C,s
h2s h1
T

wt,T wt ,T

h3 h4 h3 h4s
wt,T T h3 h4s
h4 h3 T h3 h4s 33
三、燃气轮机装置的内部热效率
t
1 T1 T2
1
1

1
注意：式中T1、T2并非指高温
热源，低温热源。 28
2.分析
t
1 T1 T2
1
1

1
a) t t与T3无关 ？
b)
一定
q1
wnet

不变
t
29
c) 一定， 取某值wnet wmax
wnet q1 q2
1

1
Cs
1
Cs
讨论：
a)除、 外i还与Cs、T有关
T Cs i
目前T 0.85 ~ 0.92，Cs 0.85 ~ 0.90
b) 一定时， ,i
c) ,i 但有极值
增大τ是提高燃气轮机装置性能（wnet，ηi）的方向。
燃烧室(combustion chamber)
燃气轮机(gas turbine)
特点
1.开式循环(open cycle)，工质流动； 2.运转平稳，连续输出功； 3.启动快，达满负荷快； 4.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。
其中
——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比
t

wnet q1
i

wnet ,act q1
T wnet
q1
Tt
与实际循环相当的内可逆循环的热效率
T

wnet ,act wnet
相对内部效率(internal engine efficiency) 反映内部摩擦引起的损失
五、空气标准假设(the air-standard hypothesis)
5
二、活塞式内燃机循环的简化
6
三、平均有效压力(mean effective pressure)
pMEP

Wnet Vh
7
9–3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热理想循环
01 吸气
（dual combustion cycle） 12 压缩
23 喷油、燃烧
34 燃烧
45 膨胀作功
50 排气
T4
T3
v4 v3
T1 1
5 1
T5
T1
p5 p1
11
求
p5
p1
p1v1 p2v2 ； p5 v5 p4v4
p4 p3 v1 v5 v2 v3
两式相除，考虑到
p5 p1

p4 p2

v4 v3


p3 p2

v4 v3



t
1 q2 q1
1 T4 T1 T3 T2
1

1
1

1

1


1
1
17
讨论： a) t
b) ; t不变，但wnet
c ) 重负荷（q1 ）时内部热效 率下降，因温度上升使 ，造 成热效率下降
35
9–7 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施
一、回热（regeneration）
讨论
1) q1回 c p T3 T7
q2回 c p T8 T1
t,回
1
q2回 q1回
1 T2回 T1回
t
2）极限回热 q1回 c p T3 T5 q 2回 c p T6 T1
一、定压加热的实际循环
1-2 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀； 4-1 定压放热。
32
二、压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency) 和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency)
C,s

wC,s wC
36
3）回热度(regenerator effectiveness)
T1

1


p2 p1
1




p3
v4
v3
Rg

1T4

1

p5 p4
1



或 wnet qnet q1 q2
q1 q23 q34 cV T3 T2 cp T4 T3
用途
飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set) 等。26
二、定压加热理想循环 （constant-pressure combustion
cycle， Brayton cycle）
1-2 等熵压缩（压气机内）
p2
p1
循环增压比（pressure ratio）
2-3 定压吸热（燃烧室内）


T5
T1
p5 p1
T5 T1
把T2、T3、T4和T5代入
t
1
T3
T5 T1
T2 T4
T3
t
1
1

1
1

1
12
讨论：
a) t
b) t c) t
(internal thermal efficiency)ηi
i

wnet q1
wnet wt,T wC T
h3 h4s
1
Cs
h2s h1
q1

h3
h2

h3
h1
1
Cs
h2s h1
整理
i

T
h3 h4s
1
Cs
h3

h1

1
Cs
h2s
h2s h1 h1

T

1

1
1
1

1
Cs
1
Cs
34
i

T
h3 h4s
1
Cs
h3

h1

1
Cs
h2s
h2s h1 h1

T

1
1
1
由c)wnet


cpT1

1

1





1
1

可见：
1）对于每一τ，均有π，
其w→wnet,max
2）τ上升，即T3上升，使取得 wnet,max 的π 上升，ηt上升，所以 提高T3 能带动wnet,max 及ηt同时升 高。
31
9–6 燃气轮机装置定压加热实际循环
按点火方式：点燃式(spark ignition engine) 压燃式(compression ignition engine)
按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程(four-stroke )
4
２．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。