气体动力循环
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工程热力学第8-9章
n-1 2 n
∂w c =0 ∂p2
p2 = p1 p3 p2 p3 = p1 p2
pm+1 pm
π1 = π2 =⋅⋅⋅ = πi =⋅⋅⋅ = πm = m
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
优 点：
（1）减小耗功; 减小耗功; 每级功耗相等，利于曲轴平衡； （2）每级功耗相等，利于曲轴平衡； 每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； （3）每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； 每级排热相同； （4）每级排热相同； 提高容积效率。 （5）提高容积效率。
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
wC,s h2s − h1 QηC,s = = ′ wC h2 − h1 1 h2 = h1 + h2s − h1
′ ∴wC =
1
QηT =
′ wt,T
ηC,s
(
)
ηC,s
(h
2s
− h1
)
wt,T
′ ∴ wt,T = ηT h3 − h4s
(
h3 − h4 = h3 − h4s
h4 = h3 − ηT h3 − h4s
(
)
)
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
′ wnet ηi = ′ q1
′ ′ ′ wnet = wt,T − wC = ηT h3 − h4s −
(
)
1
ηCs
(h
2s
− h1
)
′ q1 = h3 − h2 = h3 − h1 −
整理
ηi = ηT ( h3 − h4 ) −
燃烧室 废 气
燃 燃 气 空 气 气 轮 机
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
∂w c =0 ∂p2
p2 = p1 p3 p2 p3 = p1 p2
pm+1 pm
π1 = π2 =⋅⋅⋅ = πi =⋅⋅⋅ = πm = m
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
优 点：
（1）减小耗功; 减小耗功; 每级功耗相等，利于曲轴平衡； （2）每级功耗相等，利于曲轴平衡； 每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； （3）每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； 每级排热相同； （4）每级排热相同； 提高容积效率。 （5）提高容积效率。
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
wC,s h2s − h1 QηC,s = = ′ wC h2 − h1 1 h2 = h1 + h2s − h1
′ ∴wC =
1
QηT =
′ wt,T
ηC,s
(
)
ηC,s
(h
2s
− h1
)
wt,T
′ ∴ wt,T = ηT h3 − h4s
(
h3 − h4 = h3 − h4s
h4 = h3 − ηT h3 − h4s
(
)
)
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
′ wnet ηi = ′ q1
′ ′ ′ wnet = wt,T − wC = ηT h3 − h4s −
(
)
1
ηCs
(h
2s
− h1
)
′ q1 = h3 − h2 = h3 − h1 −
整理
ηi = ηT ( h3 − h4 ) −
燃烧室 废 气
燃 燃 气 空 气 气 轮 机
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
第五章气体动力循环
柴油机 14 21
一般柴油机效率高于汽油机的效率
但汽油机小巧
柴油机与低速柴油机循环图示
p 3
2
4 5
1
v 柴油机，压燃式
p
1
2
3
4
1
v 低速柴油机，压燃式
定压加热循环（狄塞尔循环)
p
T
3
2
3
4
1
2
4
1
v
s
定压加热循环的计算
吸热量
q1 cp T3 T2
T
3
放热量(取绝对值）
q2 cv T4 T1
3
2
2
5
5
1 1
v
s
理想混合加热循环的计算
吸热量
T
q1 cv T3 T2 cp T4 T3
4 3
放热量(取绝对值）
2
5
q2 cv T5 T1
1
热效率
蜒 q w
s
t
w q1
q1 q2 q1
1 q2 q1
1
T5 T1
T3 T2 k T4 T3
定义几个指标性参数
气体动力循环分类
按燃料
汽油机 小型汽车，摩托
柴油机 中、大型汽车，火车， 轮船，移动电站
煤油机 航空
气体动力循环分类
按点燃方式： 点燃式 压燃式
按冲程数： 二冲程 四冲程
动力循环研究方法
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。
T4
v4 v3
T3
T1
k 1
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
T1 k1
T3
T2
p3 p2
T2
T1 k1
T4
T3
v4 v3
T3
T1 k1
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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
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。
工程热力学14 气体动力循环
后，再进入压缩机内进行进一步的压缩；在燃烧室中燃烧后产生的高 温燃气首先进入燃气轮机膨胀做功，通过燃气轮机输出功的大小应该 恰好能够提供驱动压缩机所需的动力，经过燃气轮机的气体通过尾喷
管膨胀加速来获得足够动能，推动飞行器飞行。假设燃料的质量忽略 不计，有兴趣的同学可以试着用如下喷气式发动机的动力循环的p-v图 与T-s图，计算出它的净推力。
图14-3 喷气式发动机原理示意图 空气 压缩机 燃烧室
燃气轮机机 废气 喷管 燃料
5 v p 1 2
3 4
1 2 3 4
T
s 图14-4 喷气发动机循环 尾喷管 6 进气扩压管 压气机 燃气轮机气机 5 6
喷气发动机的特点是结构简单、重量轻、体积小、功率大。当高
速飞行时，发动机的功率随着速度的增加而增大，因此喷气发动机主 要应用于飞机和火箭等高速飞行的飞行器上。(空天飞机-冲压发动机简 介)
机和煤气机是点燃式内燃机，吸入的燃料和空气的混合物，经压缩后 被电火花点燃；柴油机是压燃式内燃机，空气经压缩至温度升高到燃 料的自燃温度后，喷入燃料使其自燃。
下面以四冲程柴油机为例，说明内燃机的工作原理。通过示功器记 录的四冲程柴油机实际循环的p－V关系示于图14-5中。0-1线为吸气冲 程，进气阀开启，活塞从左止点右行到右止点，由于阀门的节流作 用，进入气缸的空气压力略低于大气压。1-2为压缩冲程，进气阀关 闭，活塞自右止点返行到左止点附近，消耗外功，压缩气体，气体的 压力升高，压缩终了时，气体温度超过燃料的自燃温度。2-3-4为燃烧 过程，压缩终了前，一部分燃料预先通过高压油泵喷入气缸，并迅猛 燃烧，此时，活塞在左止点附近，位置变化很小，可近似为定容燃 烧，燃气压力骤增（2-3）；随后，喷入的燃料冲程，气缸内高温高压气 体膨胀做功，活塞自左向右移动。5-6-0为排气冲程，此时活塞移至右 止点附近，排气阀开启，排除部分废气，气缸内压力骤降至略高于大 气压（5-6）；活塞向左返行，将剩余废气排出（6-0）。这样活塞往 返两次（四个冲程）完成一个循环。
管膨胀加速来获得足够动能，推动飞行器飞行。假设燃料的质量忽略 不计，有兴趣的同学可以试着用如下喷气式发动机的动力循环的p-v图 与T-s图，计算出它的净推力。
图14-3 喷气式发动机原理示意图 空气 压缩机 燃烧室
燃气轮机机 废气 喷管 燃料
5 v p 1 2
3 4
1 2 3 4
T
s 图14-4 喷气发动机循环 尾喷管 6 进气扩压管 压气机 燃气轮机气机 5 6
喷气发动机的特点是结构简单、重量轻、体积小、功率大。当高
速飞行时，发动机的功率随着速度的增加而增大，因此喷气发动机主 要应用于飞机和火箭等高速飞行的飞行器上。(空天飞机-冲压发动机简 介)
机和煤气机是点燃式内燃机，吸入的燃料和空气的混合物，经压缩后 被电火花点燃；柴油机是压燃式内燃机，空气经压缩至温度升高到燃 料的自燃温度后，喷入燃料使其自燃。
下面以四冲程柴油机为例，说明内燃机的工作原理。通过示功器记 录的四冲程柴油机实际循环的p－V关系示于图14-5中。0-1线为吸气冲 程，进气阀开启，活塞从左止点右行到右止点，由于阀门的节流作 用，进入气缸的空气压力略低于大气压。1-2为压缩冲程，进气阀关 闭，活塞自右止点返行到左止点附近，消耗外功，压缩气体，气体的 压力升高，压缩终了时，气体温度超过燃料的自燃温度。2-3-4为燃烧 过程，压缩终了前，一部分燃料预先通过高压油泵喷入气缸，并迅猛 燃烧，此时，活塞在左止点附近，位置变化很小，可近似为定容燃 烧，燃气压力骤增（2-3）；随后，喷入的燃料冲程，气缸内高温高压气 体膨胀做功，活塞自左向右移动。5-6-0为排气冲程，此时活塞移至右 止点附近，排气阀开启，排除部分废气，气缸内压力骤降至略高于大 气压（5-6）；活塞向左返行，将剩余废气排出（6-0）。这样活塞往 返两次（四个冲程）完成一个循环。
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
工程热力学与传热学 第十章 气体动力循环
在斯特林循环中，在定容吸热过程2-3中工质从回热器中吸收的
热量正好等于定容放热过程4-1放给回热器的热量。经过一个循环
回热器恢复到初始状态。 可以证明：在相同的温度范围内，理想的定容回热循环（斯特 林循环）和卡诺循环，具有相同的热效率。
斯特林循环的突出优点是热效率高、污染少，对加热方式的适
应性强。随着科技的发展以及环境保护日益为人们所重视，斯特林
同样可以证明：在相同的温度范围内，理想的定压回热循环（ 艾利克松循环）和卡诺循环，具有相同的热效率。 理想回热循环（斯特林循环和艾利克松循环）通常称为概括性 卡诺循环。实践证明，采用回热措施可以提高循环热效率，也是余 热回收的一种重要节能途径。
本章小结
1。气体动力循环的基本概念 1）内燃机的特性参数：
P 3 2 4
0-1：吸气过程。由于阀门的阻力，吸入气缸内
空气的压力略低于大气压力。
1-2：压缩过程 2－3－4－5：燃烧和膨胀过程
5 6
燃烧可分为定容过程和定压过 程
1
Pb
0
5－6－0：排气过程
V
P 3 2 4
简化原则为:（1）不计吸气和
排气过程，将内燃机的工作过程 看作是气缸内工质进行状态变化 的封闭循环。
3 - 4为定压加热过程：
T4 v4 T3 v3 T4 T3 T1 k 1；p4 p3 p1 k
v1 v2
p3 p2
v4 v3
4-5为定熵过程，5-1及2-3为定容过程，因此有：
T5 v 4 k 1 v 4 k 1 v 4 v 2 k 1 k 1 ( ) ( ) ( ) ( ) T4 v5 v1 v3 v1
2-3：定容吸热； 4-5：绝热膨胀；
气体动力循环
Rg
1
T4
1
p5 p4
1
或 wnet qnet q1 q2
q1 q23 q34 cV T3 T2 cp T4 T3
q2 q51 cV T5 T1
11
t
1
q2 q1
1
T3
T5 T1
T2 T4
T3
利用 、、 表示 t
1 2 23
34
T2
p2
p1
循环增压比（pressure ratio）
2-3 定压吸热（燃烧室内）
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）
28
三、定压加热理想循环分析
1.热效率ηt
q1 h3 h2
cpm
t3 t2
T3 T2
6
二、活塞式内燃机循环的简化
7
三、平均有效压力(mean effective pressure)
pMEP
Wnet Vh
8
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
简化：引用空气标准假设
注意：式中T1、T2并非指高温
热源，低温热源。 29
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
30
c) 一定， 取某值wnet wmax
《工程热力学》学习资料 (2)
作功是间歇性的，转速不高。 ➢ 燃气轮机-----旋转式热力发动机，作功过程是
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
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
09章习题提示与答案
提示：循环热效率 ηt
=
w0 q1
，循环净功w0=q1-│q2│；1-2过程为等熵压缩过程， T1 T2
= ⎜⎜⎝⎛
p1 p2
⎟⎟⎠⎞(κ −1) / κ
，2-3
过程为定容加热过程， T3 = p3 = λ ；工质可看做理想气体。 T2 p2
9-11 某活塞式内燃机定容加热循环的参数为：p ＝0.1 MPa、t ＝27 ℃，压缩比 ε ＝7，加热量q ＝
过程组成：绝热压缩过程1-2、定容加热过程2-3、绝热膨
胀过程3-4及定压放热过程4-1。已知压缩过程的增压比为
π ＝p /p ，定容加热过程的压力升高比为 λ ＝p /p ，试证
21
32
第九章 气体动力循环
·45·
明其循环热效率为
ηt
=
κ (λ1 κ − 1) π (κ −1) κ (λ − 1)
=
1−
1 εκ-1
；平均温度 Tm
=
q Δs
。
答案：ΔTm1=58.8 K，ΔTm2=14.3 K， Δηt =3.8%。
9-3 根据习题9-1所述条件，若比热容按变比热容考虑，试利用气体热力性质表计算该循环的热效率 及循环净功。
提示：w0=q1-│q2│， ηt
=1−
q2 q1
，q=Δu，工质可看做理想气体；热力过程终态与初态的比体积之比
·47· 图9-21
9-15 在一定的最大容积(或比体积)和最小容积(或比体积)范围内，内燃机定容加热循环（即奥图循环） 具有最高的热效率，故可称为容限循环。试以卡诺循环与奥图循环相比，利用p-v图及T-s图分析证明：
ηt,otto≥ηt,carnot w0,otto≥w0,carnot
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
❖以整体煤气化燃气－蒸汽联合循环（IGCC） 为主要研究方向。
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
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
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 )
第9章 习题提示和答案
比热容取定值， =1.4，循环作功冲程的 4 %为定压加热过程，压缩冲程的初始状态为
p1 100 kPa ， t1 20 C 。求：(1)循环中每个过程的初始压力和温度；(2)循环热效率。
提示和答案： v1
RgT1 p1
0.841
m3 /kg 、 v2
v1
0.042
m3 /kg 、 T2
2设123参数与题91所点给出的相同求循环1吸收同样多的热量吸热线23相同而前者循环功较大故t123451t12341各点参数与题91相同913若使活塞式内燃机按卡诺循环进行并设其温度界限和例91中混合加热循环相同试求循环各特性点的状态参数和循环热效率
第九章 气体动力循环
第九章 气体动力循环
9-1 某活塞式内燃机定容加热理想循环（图 9-1），压缩 10 ，气体在压缩冲程的起
p3
RgT3 v3
5.450
MPa ； v4
v1 、
p4
p3
v3 v4
p3
v2 v1
p3
1
0.217
MPa 、
T4
p4v4 Rg
668.60
K ；t
1 q2 q1
1 T4 T1 T3 T2
0.602 、c
1 TL TH
0.817 ；
MEP Wnet Wnet q1t 491.6 kPa 。 Vh v1 v2 v1 v2
v1
RgT1 p1
1.042
m3 /kg
、
v2
RgT2 p2
0.210
m3 /kg
。内燃机混合加热循环
v3
v2
、
p4
p3 、v5
v1 ， p5
RgT5 v5
p1 100 kPa ， t1 20 C 。求：(1)循环中每个过程的初始压力和温度；(2)循环热效率。
提示和答案： v1
RgT1 p1
0.841
m3 /kg 、 v2
v1
0.042
m3 /kg 、 T2
2设123参数与题91所点给出的相同求循环1吸收同样多的热量吸热线23相同而前者循环功较大故t123451t12341各点参数与题91相同913若使活塞式内燃机按卡诺循环进行并设其温度界限和例91中混合加热循环相同试求循环各特性点的状态参数和循环热效率
第九章 气体动力循环
第九章 气体动力循环
9-1 某活塞式内燃机定容加热理想循环（图 9-1），压缩 10 ，气体在压缩冲程的起
p3
RgT3 v3
5.450
MPa ； v4
v1 、
p4
p3
v3 v4
p3
v2 v1
p3
1
0.217
MPa 、
T4
p4v4 Rg
668.60
K ；t
1 q2 q1
1 T4 T1 T3 T2
0.602 、c
1 TL TH
0.817 ；
MEP Wnet Wnet q1t 491.6 kPa 。 Vh v1 v2 v1 v2
v1
RgT1 p1
1.042
m3 /kg
、
v2
RgT2 p2
0.210
m3 /kg
。内燃机混合加热循环
v3
v2
、
p4
p3 、v5
v1 ， p5
RgT5 v5
《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
相关主题
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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 )
5
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。
气体动力循环中工作流
理想气
空
体 燃烧和排气过
体
气
吸热和放热过
程
程
燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不
定比 热
4
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)
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 损失的部位、大小、原因及改进办法
c) 重负荷（ 时
，q1 ）
内部热效率下降，除
外还有因温度上升而
使
16
三、定容加热理想循环(Otto cycle)
v1
v2
p3
定容增压比(pressure ratio)
v1
v2 p3
p2
定压预胀比 (cutoff ratio)
v4
v3
10
2. 循环热效率
t
wnet q1
wnet w12 w23 w34 w45 w51 w12 w34 w45
Rg
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
13
讨论：
a) t
b) t c) t
其 中
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)
1
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
2
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
3
四、内部热效率 i(internal thermal efficiency )
——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比
6
二、活塞式内燃机循环的简化
7
三、平均有效压力(mean effective pressure)
pMEP
Wnet Vh
8
3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热理想循环
0 1 吸气
（dual combustion cycle） 1 2 压缩
2 3 喷油、燃
烧
3 4 燃烧
4 5 膨胀作功
简化：引用5空0气标排准气假设
气体动力循环
Gas power cycles
1 分析动力循环的一般方法 2 活塞式内燃机实际循环的简化 3 活塞式内燃机的理想循环 4 活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较 5 燃气轮机装置循环
6 燃气轮机装置定压加热实际循环 7 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施 8 喷气发动机简介
1
1 分析动力循环的一般方法
t
1
T4 T1
T3 T2
t
1
1
1
1
1
q1 cp T3 T2
1 t
1
1
1 1
15
讨论： a) t wnet b) t wnet
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。
14
二、定压加热理想循环(Diesel cycle)
v1
v2
v3
v2
t
1
q2 q1
q2 cV T4 T1
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
9
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： 压缩比(compression ratio)
q2 q51 cV T5 T1 11
t
1
q2 q1
1
T3
T5 T1
T2 T4
T3
利用 、、 表示 t
1 2 23
34
T2
T1
v1 v2
Байду номын сангаас
1
T1 1
T3
T2
p3 p2
T1 1
T4
T3
v4 v3
T1 1
5 1
T5
T1
p5 p1
12
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
按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程(four-stroke )
5
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。
气体动力循环中工作流
理想气
空
体 燃烧和排气过
体
气
吸热和放热过
程
程
燃料燃烧造成各部分气体成分及质量改变忽略不
定比 热
4
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)
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 损失的部位、大小、原因及改进办法
c) 重负荷（ 时
，q1 ）
内部热效率下降，除
外还有因温度上升而
使
16
三、定容加热理想循环(Otto cycle)
v1
v2
p3
定容增压比(pressure ratio)
v1
v2 p3
p2
定压预胀比 (cutoff ratio)
v4
v3
10
2. 循环热效率
t
wnet q1
wnet w12 w23 w34 w45 w51 w12 w34 w45
Rg
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
13
讨论：
a) t
b) t c) t
其 中
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)
1
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
2
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
3
四、内部热效率 i(internal thermal efficiency )
——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比
6
二、活塞式内燃机循环的简化
7
三、平均有效压力(mean effective pressure)
pMEP
Wnet Vh
8
3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热理想循环
0 1 吸气
（dual combustion cycle） 1 2 压缩
2 3 喷油、燃
烧
3 4 燃烧
4 5 膨胀作功
简化：引用5空0气标排准气假设
气体动力循环
Gas power cycles
1 分析动力循环的一般方法 2 活塞式内燃机实际循环的简化 3 活塞式内燃机的理想循环 4 活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较 5 燃气轮机装置循环
6 燃气轮机装置定压加热实际循环 7 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施 8 喷气发动机简介
1
1 分析动力循环的一般方法
t
1
T4 T1
T3 T2
t
1
1
1
1
1
q1 cp T3 T2
1 t
1
1
1 1
15
讨论： a) t wnet b) t wnet
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。
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二、定压加热理想循环(Diesel cycle)
v1
v2
v3
v2
t
1
q2 q1
q2 cV T4 T1
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
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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： 压缩比(compression ratio)
q2 q51 cV T5 T1 11
t
1
q2 q1
1
T3
T5 T1
T2 T4
T3
利用 、、 表示 t
1 2 23
34
T2
T1
v1 v2
Байду номын сангаас
1
T1 1
T3
T2
p3 p2
T1 1
T4
T3
v4 v3
T1 1
5 1
T5
T1
p5 p1
12
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