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
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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
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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
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20
1)
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5
t
1
1
k 1
(
k 1 1) k(
1)
T
3’
Tm1’ 2’
3
Tm1 2
Tm2
1 0
4’ 4
5 s
T
Tm1’ Tm1 2 Tm2
1 0
压缩比 v1 v2
升压比 p3 p2
预胀比 v4 v3
3’ 4’ 4
T
1
1
c,s
1

(k 1) / k 1 c,s
p2 / p1 T3 / T1
提高循环热效 率的主要方向
（1）增大升温比 ，可提高热效率
（2）当 、c,s 、T 一定时，随着 ↑， t 有最大值 （3）c,s ↑、T ↑，则 t 增加
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2
压气机1
压气机2
4
回热器
燃烧室1
6
3
燃料 燃气轮机1
燃气轮机2 Ws
7
8
中间冷却器
9
3’
燃烧室2
T
2 8 0
3 3’
6 9
4
7 5
1 s
燃料
在采用回热措施的基础上，再 采用多级压缩中间冷却措施、多级 膨胀中间再热措施，可以扩展回热 的温度范围，从而提高回热循环的 平均加热温度，降低平均放热温度。 使循环热效率提高。
p
T
2（3） 4
4
2（3）
5
5
1
1
0
V
0
s
t
1 1
k 1
k k(
1 1)
压缩比 预胀比
t
w0

p1v1 [k
k 1
k1 (
1) ( k
1)]
压缩比 预胀比
w0
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9
t
1
1
k 1
3
5
s
升压比 Const 预胀比 Const 压缩比
t
压缩比 Const 升压比 预胀比
t
=14～20
Tds 能c源V与dT动力工p程d学v院 新能t 源科1学与TT工mm程12系
6
4、混合加热循环的循环净功
压缩比 v1 v2

(T3
)
k 2(k 1)
T1
时w0取得最大值！
T3
3” 2”
3 3’ 4’
max,w0 w0
2 4
max,w0 w0
2’
1 4” 0
s
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例题：对于燃气轮机装置理想循环，当循环净功取得最大值时，
是否意味着可同时获得最高的循环热效率，试分析之?
V
2
1 0
5 s
t
1
1 k1
压缩比 t
w0

p1v1 (
k 1
1)(
k 1
1)
压缩比 升压比
w0
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8
三、定压加热循环（笛塞尔循环 Diesel Cycle ）
——无定容加热过程2-3的混合加热循环。 p3 p2 1
2
9-1 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热循环（萨巴特循环 Sabath'e Cycle ）
1、实际循环过程：
0－1进气过程：由于管路阻力，气缸内气体压 力稍低于环境压力。
p 34
1－2压缩过程：随着活塞推进，气缸容积减小， 气体压力提高。
2－3燃烧过程：活塞处于上死点位置附近，燃料
2
在气缸中开始燃烧，压力急剧升高，而体积无显著
t

1


(
1
k 1)
/
k
二、燃气轮机装置的实际循环
T
1、实际燃气轮机装置循环：
3
不可逆绝热压缩过程 1-2’ 可逆定压加热过程 2’-3 不可逆绝热膨胀过程 3-4’
2’
2
4’ 4
可逆定压放热过程 4’-1
1
2、燃气轮机装置实际循环的热效率
0
s
1-2’ 压气机消耗的轴功 3-4’ 燃气轮机所作轴功
Tm2 ' Tm2
0
Tm1 增加得慢，Tm2 增加得快 t
（24’是定压过程，5’1是定容过程）
s
T4
T3
v4 v3
T3
T1 k1
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四、活塞式内燃机各种理想循环（热效率）的比较
1、对于点燃式内燃机（汽油机），燃料确定时，相应允许
的最高压缩比就基本确定了。因此常以一定的压缩比ε作为
(ws )c
h2 h1
c,s
(ws )T T (h3 h4 )
c,s ：压气机绝热效率
T ：涡轮机效率
燃气轮机相对内效率
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t

w0 q1

(ws )T
(ws )c q1
(h3 h4 )T (h2 h1)
h3 h2
k k(
1 1)
压缩比 预胀比
t
压缩比 Const
预胀比 v4 v3
t ?
T
Tm1’ Tm1
2（3）
压缩比 v1 v2
升压比 p3 p2
预胀比 v4 v3
4’ 4
t
1 Tm2 Tm1
Tm2’ Tm2
5’ 5
1
Tm1 ' Tm1
2’
2
4
t, p
t ,c
t ,V
Tm2
1
0
s
高增压的压燃式内燃机（柴油机）应按照定压加热循环工作。
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9-2 燃气轮机装置循环
一、定压加热燃气轮机循环
2
压气机 1 空气
燃烧室 燃料
3
2
Ws 燃气轮机
压气机
4
1
废气
加热器 空气 燃料
水 冷却器
限制条件来比较三种理想循环的热效率。
t
1 Tm2 Tm1
Tm1,V Tm1,c Tm1, p
T
Tm1,V Tm1,c
2’
Tm1,p 2
t,V t,c t, p
Tm2
1 0
点燃式内燃机（汽油机）应按照定容加热循环工作。
3
3’ 3’’ 4
s
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k 1
压缩比 升压比 预胀比
v1 v2
p3 p2
v4 v3
w0
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二、定容加热循环（奥图循环 Otto Cycle ）
——无定压加热过程3-4的混合加热循环。 v4 v3 1
p 3（4）
T 3（4）
2 0
5 1
c,s
(h3 h4 )T (h2 h1) c,s (h3 h1) (h 2 h1) c,s
t

cp0 (T3 T4 )T cp0 (T2 T1) c,s cp0 (T3 T1) cp0 (T2 T1) c,s
t



(k 1) / k
⑤膨胀过程4－5 →定熵膨胀过程
3
4
2
p0 0 0
⑥排气过程5－1 →可逆定容过程
（气缸排气而气缸中压力下降的过程）
⑦排气过程1－0 →可逆定压过程
（大气压力下的定压排气过程）
（3） 开口系统简化为闭口系统 （进气、排
5 气过程功量近似相等，相互抵消，故可省略 0-1和1-0过程）
1
V
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2、对于高增压的压燃式内燃机（柴油机） ，由于受到机件强
度的限制，必须限制其最高温度及最高压力。因此常以一定的
最高温度及最高压力为条件来比较三种理想循环的热效率。
t
1 Tm2 Tm1
T
Tm1,p Tm1,c
2 ’’
3’
pmax
3 Tmax
Tm1, p Tm1,c Tm1,V
Tm1,V
4 废气
w0 (ws )T (ws )c cp0 (T3 T4 ) c p0(T2 T1)

cp0[T3 (1

1
(k 1) / k
)
T1(
(k 1) / k
1)]
p2 / p1 T3 T1
T
最高温度T3一定时，循环净功取决于增压比！
max,w0
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3
2、循环过程的理想化：
p 34
（1） 工质看作为理想气体（空气）
2
p0 0 0 p
（2）热力过程的理想化
①进气过程0－1 →可逆定压过程
（大气压力下的定压进气过程）
②压缩过程1－2 →定熵压缩过程
5
③燃烧过程2－3 →可逆定容加热过程
1
V
④燃烧过程3－4 →可逆定压加热过程
升压比 p3 p2
预胀比 v4 v3
w0 q1 q2 cv0 (T3 T2 ) c p0 (T4 T3 ) cv0 (T5 T1 )
w0 cV 0{ k1[( 1) k( 1)] ( k 1)}
p1v1 { k1[( 1) k( 1)] ( k 1)}
4
p 34 2
0
T
Байду номын сангаас
p
v
4
s
3
2
5
5
1
1
v
0
s
3、理论循环热效率：
t
1
q2 q1
1 q2 1
cV 0 (T5 T1)
q1 ' q1 "
cV 0 (T3 T2 ) cp0 (T4 T3 )
压缩比 v1 v2
升压比 p3 p2
预胀比 v4 v3
回热度 ：空气在回热器中实际所得热量与理想情况所得热量之比。
理想： q ' h6 h2 =1
q h6 h2
实际： h6' h2 h4 h5' <1
h6 h2 h4 h5
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2、采用多级压缩中间冷却和再热的回热循环
5
1
T2
(T3 T2
1)
T2 ( p2 )(k1)/ k
( p )3 (k 1) / k T3
(k 1)/k
T1 p1
p4
T4
T
Tm1’
Tm1 2’ 2
Tm2
Tm2’ 1 0
3’ 3 T3
p 4
4’
s
t
1
1 (k1)/ k
T3 / T1 Const
燃烧室 燃料
3
Ws 燃气轮机
4 废气
p
2
3
T
p
3
2 4
1
4
1
0
v
0
s
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2、循环热效率
增压比 p2 / p1
升温比 T3 /T1
t
1
q2 q1
1 cp0 (T4 T1) cp0 (T3 T2 )
1
T1
(T4 T1
1)
p2 / p1
t
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3、循环净功
压气机消耗的轴功为：
(ws )c h2 h1 c p0 (T2 T1 )
燃气轮机对外所作轴功为：
(ws )T h3 h4 c p0 (T3 T4 )
2
压气机
1 空气
燃烧室 燃料
3 燃气轮机 Ws
18
三、提高燃气轮机装置热效率的措施
1、燃气轮机装置的回热循环
注意热效率计算！
T
5
1
2
压气机
回热器
4
燃烧室 6
燃料
3
4
燃气轮机
Ws
0
6 6’ 2 1
3
4 5 5’
s
采用回热措施时，空气进入燃烧室时的温度由T2提高到了T6，燃 烧室中空气定压加热过程的平均加热温度大大提高。排入大气的废 气温度由T4降低到了T5，在大气中定压放热过程的平均放热温度降低。
变化。
5
3－4燃烧过程：活塞开始向下死点移动，燃料继 续在气缸中燃烧，压力无显著变化。
p0 0 0
1 V
4－5膨胀过程：高温高压燃气推动活塞移动作功。
5－0排气过程：活塞位于下死点位置附近，废气 压力较高，开始时容积变化缓慢，随着废气已大量 排入大气，压力迅速降低，接近环境压力。随着活 塞移动，容积减小，继续把气体排出气缸。