工程热力学-09 气体动力循环
工程热力学复习参考题-第九章
第九章气体动力循环一、选择题1。
燃气轮机装置，采用回热后其循环热效率显著升高的主要原因是 CD A．循环做功量增大B．循环吸热量增加C．吸热平均温度升高D．放热平均温度降低2.无回热等压加热燃气轮机装置循环的压气机，采用带中冷器的分级压缩将使循环的 BCDA．热效率提高 B．循环功提高C．吸热量提高 D．放热量提高3.无回热定压加热燃气轮机装置循环，采用分级膨胀中间再热措施后，将使BCA．循环热效率提高B．向冷源排热量增加C．循环功增加D．放热平均温度降低4。
燃气轮机装置采用回热加分级膨胀中间再热的方法将ACA．降低放热平均温度B．升高压气机的排气温度C．提高吸热平均温度D．提高放热的平均温度5。
燃气轮机装置等压加热实际循环中，燃气轮机装置的内部效率的影响因素有ABCDiA．燃气轮机的相对内效率B．压气机的压缩绝热效率C．压缩比D．升温比6.采用分级压缩中间冷却而不采取回热措施反而会使燃气轮机装置的循环热效率降低的原因是ABA．压气机出口温度降低B．空气在燃烧室内的吸热量增大C．燃气轮机做功量减少D．燃气轮机相对内效率降低7.采用分级膨胀中间再热而不采用回热措施，会使燃气轮机装置循环热效率降低的原因是BDA．压气机出口温度降低B．循环吸热增大C．循环做功量减少D．循环放热量增加8。
目前燃气轮机主要应用于 BD A ．汽车B ．发电站C ．铁路轨车D ．飞机二、填空题1。
最简单的燃气轮机装置的主要设备有压气机，燃烧室，燃气轮机。
2.燃气轮机装置的理想循环由绝热压缩，定压加热，绝热膨胀，定压放热四个可逆过程组成。
3。
燃气轮机装置循环中，压气机的绝热压缩过程工质的终态压力与初态压力之比称为增压比。
4。
工程上把燃气轮机的实际做功量与理想做功量之比称为相对内效率. 5.燃气轮机装置中，最高温度与最低温度之比称为升温比。
6。
工程上，把在回热器中实际吸收的热量与极限回热条件下可获得的热量之比称为回热度。
三、简答题1．实际简单燃气轮机装置循环的热效率与哪些因素有关？ t η=1—κκπ11-κ取决于燃料的成分及空气的增压比情况 增压比π越大，热效率越高2．提高燃气轮机装置循环的热效率的措施有哪些？ 回热。
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.。
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第 9 章 气体动力循环
一、选择题 1．若活塞式内燃机三种理想循环的压缩比相同，则（ ）。 A． B． C． D．不定 【答案】D
【解析】热机的内可逆循环热效率
，对于活塞式内燃机三
图 9-1
4．反映往复活塞式内燃机混合加热循环特性的设计参数有哪几个？写出其定义式。
答： v2 ， p3 ， v4 。
v1
p2
v3
六、综合分析题 1．有一定压燃烧内燃机，其输出功率为 3700kW。燃料热值为 4.65×104kJ／kg，假 定可将循环简化为空气的定压加热理想循环，循环压缩比为 14，预胀比为 2，求燃料消耗 量。空气比热容取定值，Rg＝287J／（kg·K），k＝1.4。 解：定压加热活塞式内燃机理想循环中，1-2 为等熵压缩过程
4．某燃气轮机装置定压加热循环如图 9-4 所示，循环增压比π＝7，增温比τ＝4，压
气机吸入空气压力
。压气机绝热效率
，燃机轮
机相对内效率ηT＝0.92，若空气取定比热容，其 ＝1.03 KJ/（kg·K）、 ＝0.287 KJ/
（kg·K），k＝1.3863。
试求：（1）装置内部热效率ηi，循环吸热量 q1 和放热量 q2；（2）压气机及燃气轮机中
燃气轮机过程中熵产为 0.098kJ／（kg·K）。工质可视为理想气体，且燃气性质近 似空气，
求：（1）循环热效率；（2）若回热度为 0.7，循环热效率是多少？
解： （1）循环热效率
图 9-3
所以
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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。
《气体动力循环》课件
3
卡诺循环定理
热机工作最高效率与温度之间的关系可以通过卡诺循环来表达。
涡轮机
单级涡轮机
利用单一的轮盘（旋转的部件）和静子（静止 的部件）转换压缩气流为动能或反之。这种设 计可用于航空发动机、小型电站和低效率发动 机。
多级涡轮机
使用多个轮盘和静子提高效率，但需要更多的 空间和重量，和更昂贵的制造成本。
气体动力循环
本课程将介绍气体动力循环及其设计过程。我们会深入探讨现代热力学与涡 轮机技术之间的相互作用，同时讨论若干案例研究。
热力学定律
1
热力学第一定律
能量守恒定律。它表明，在任何一个系统中，能量不能被创造或消失，只是在转化的过程中 产生能量交换。
2
热力学第二定律
热量只能从高温区流向低温区，这种现象被称为热量的不可逆性。
热交换器
热交换器帮助将空气和热能传输到另一个容器中， 在各种情况下提高了效率和性能。
气体动力循环的性能与措施
1 热力系统的性能分析
对气体动力循环的性能进行综合评估，考虑 功率、效率、节能和环境等因素。
2 节能措施
节能措施通常包括降低系统内能量损失、增 加能量利用效率和改进热交换性能等措施。
3 性能指标计算方法
不同类型的热力循环
卡诺循环
卡诺循环是工程中最重要的热力学概念之一，它是 一种完全可逆的热力学过程。
布雷顿循环
是一种常用的气体动力循环，广泛应用于燃气轮机、 航空发动机和工业应用。
斯特林循环
斯特林循环是另一种常用的气体动力循环，主要用 于制冷、加热和转换工作。
燃气轮机
1
工作原理
燃气轮机是通过将压气机所吸入的空气
提供实现气体动力循环的一些计算方法和公 式。
9第九章 气体动力循环
T－s图分析吸热量的分配对热效率的影响 压缩比不变，单位质量加热量不变，热量分配比例改变
T
3’ 3 2 1 a 5’
4’
4
5
如图：增加定容加热量（定容 升压比增加），减少定压加热
量（定压预胀比降低），总加 热量不变，而放热量减少，则 热效率增加。
b’ b s
t
总结
t
k 1.4 k 1.3 1.5 k 1.2 2 3
热效率
T5 T1 q2 w q1 q2 1 1 t q1 T3 T2 k T4 T3 q1 q1
s
理想混合加热循环的热效率计算
热效率
T5 T1 t 1 T3 T2 k T4 T3
v1 T2 T1 v2
各因素对混合加热循环热效率的影响
1 t 1 k 1 1 k 1 1、当 、 不变：即
k
T
3’ 2’ 2 1 3
4’
4
5 5’
单位质量加热量不变， 热量分配不变，压缩比 t 对热效率的影响
k
t
受气缸材料限制 一般柴油机 12 22
tv tm tp
4m
4v
平均温度法
循环最高温度和最高压力 ：定容>混合>定压 1
在压缩比和加热量相同的情况下，定容加热循 s 环经济性最高，但定压加热循环安全性最高。
第二节
定容加热理想循环和定压加热理想循 环
现代柴油机与汽油机动力循环图示
p
3 2 5 4
p
3 2
1
4
1
v 柴油机，压燃式
二、定压加热循环
《气体动力循环》ppt课件
(4)定容回热过程 ：动力活塞1 位于其下死点，配气活塞2从其下 死点上移。使膨胀腔内工质经连 通管流入紧缩腔。此时工质容积 不变，并在流过回热器3时向回热 器放热，降低温度。当配气活塞2 移至其上死点时，工质全部进入 紧缩腔，定容回热过程终了。
活塞式热气发动机的热力循环及热效率
活塞式热气发动机理想循环：
v1 v2
RgTmaxln
v4 v3
在活塞式热气发动机中，v1＝v4，v2＝v3，故可得到
t
1
Tmin Tmax
即在一样温度范围内，活塞式热气发动机理想循环热效率与卡诺循 环热效率一样。因此，该循环以及类似的与卡诺循环有一样热效率 的一类理想循环称为概括性卡诺循环。
压气机耗功： (w s)ch2h1cp0(T2T 1)
所以 w0(ws)T(ws)c
cp0 T3 1(1 1)/ T1
(1)/1
(1)/
当
maxw, 0
T1 T3
循环净功有极大值。
二、燃气轮机的实践循环
压气机耗功： 燃气轮机轴功：
(ws )c
h2 h1
c,s
(w s)TT(h3h4)
理想化： 1. 热力过程的理想化
①进气过程→0-1定压线 ②紧缩过程→1-2定熵紧缩 ③熄灭过程→2-3定容加热＋3-4定压加热〔外热源加热〕 ④膨胀过程→4-5定熵膨胀 ⑤排气过程→5-1定容放热＋1-0定压线 2. 工质以理想气体对待
《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
沈维道《工程热力学》(第4版)名校考研真题-气体动力循环(圣才出品)
第9章气体动力循环一、选择题活塞式内燃机定容加热、混合加热、定压加热3个循环在压缩比和吸热量相同的条件下，热效率的关系为（）。
[西安交通大学2003研]A．B．C．【答案】B【解析】在压缩比与吸热量相同的条件下，放热量有。
根据循环热效率的公式可得：。
二、填空题一活塞式内燃机的理想循环，若活塞在下止点位置时气缸容积为V1，活塞在上止点位置时气缸内容积为V2，那么此循环的压缩比为_______。
循环效率随压缩比的提高呈现_______的趋势。
[北京理工大学2005研]【答案】；提高三、判断题实际蒸汽动力，装置与燃气轮机装置，采用回热后每千克工质作功量均增加。
（）[天津大学2005研]【答案】错【解析】采用回热后，总的热效率提高，但是工质质量不变的前提下输出功减少，因而单位质量公职的做功量减少。
四、简答题1．定性地画出具有回热的燃气轮机装置示意图，并在T-s图上定性地分析回热对热效率的影响。
[北京航空航天大学2004、2005研]解：燃气轮机装置示意图如图9-1所示。
图9-1与未采用回热的循环相比，循环净功不变，回热后，只有5-3过程吸热，即q减小，故循环效率提高。
2．综观蒸汽动力循环、燃气轮机循环、内燃机循环以及其他动力循环，请分析归纳转换为机械能的必要条件或基本规律？[天津大学2005研]解：动力循环工作过程的一般规律是任何动力循环都是以消耗热能为代价，以作功为目的。
但是为了达到这个目的，首先必须以升压造成压差为前提，否则消耗的热能再多，倘若没有必要的压差条件，仍是无法利用膨胀转变为动力。
由此可见，压差的存在与否是热能转化为机械能的先决条件，它也为拉开平均吸、放热温度创造了条件。
其次还必须以放热为基础，否则将违背热力学第二定律。
总之，升压是前提，加热是手段，作功是目的，放热是基础。
3．什么是回热？试解释在热机循环中若能采取回热措施，从热力学角度简单说来将会带来什么好处？[华中科技大学2005研]解：回热是指，在保持构成循环的热力过程性质不变的条件下，利用循环中某些放热过程的放热量来满足另一些吸热过程的吸热需要的措施。
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》第九章 气体动力循环
c , s
分析热效率 提高途径！
t
( k 1) / k ( k 1) / k
T
1
1
c , s c , s
1
1
31
四．燃气轮机回热循环 （定压加热回热循环）
1、回热的概念： 利用废气高温余热对进入燃烧室前的空气进行预 热，以减少燃料消耗，提高热效率的措施 回热度μ ：空气在回热器中实际得到的热量与理想 情况下得到热量之比为回热度，一般在0.5-0.8 之间 2、多级压缩、级间冷却回热循环
低 压 压 气 机
9
燃料
中间燃烧室
中间冷却器
37
P
2 8 7 6 3 9
T
6
3 9
3’
4
2
7 1
1
5
4
V
5 s
8
多级压缩级间冷却回热循环 P-V图、T-S图
38
ξ 8.3
增压机及其循环（略）
一、增压机概念及简单装置 二、增压机工作过程及简化
39
第九章
气体动力循环(3学时）
基本内容： 热效率法分析循环；活塞式内燃机工作原理及 热力学方法；内燃机理想循环；燃气轮机装置 循环及提高热效率的方法；增压器及其循环； 其他循环简介 基本要求： 掌握分析循环热效率的方法；理解实际工作循 环合理简化的方法；掌握内燃机理想循环及提 高热效率的方法掌握；燃气轮机装置循环及提 高热效率的方法；了解其他循环
t 1
1
k 1 k
以P-V图、T-S图 分析热效率提高途径！
26
4、轴功计算及其最大值与增温比关系
燃气轮机作功 压缩机耗功
( ws )T h3 h4 CP 0 (T3 T4 )
《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
沈维道《工程热力学》(第4版)章节题库-气体动力循环(圣才出品)
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3．燃气轮机装置采用分级压缩，中间冷却后其热效率（ ）。 A．提高 B．下降 C．不变 D．不定 【答案】D 【解析】燃气轮机装置在回热的基础上采用分级压缩，中间冷却其热效率能提高，若无 回热措施，采用分级压缩，中间冷却其热效率将下降。
图 9-2 解：循环的 p-v 图如图 9-2 所示。由已知条件
1-2 是定熵过程，有 定压吸热过程和绝热膨胀过程都是作功冲程，已知定压加热过程是作功冲程的 4％，即
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所以
由于
，所以据上式 ρ＝1.76。2-3 是定压过程，故有
3．在最高温度及最高压力一定时，活塞式内燃机三种理想循环的热效率的大小关系是 怎样的？试利用 T − s 图进行分析。
答：在最高温度及最高压力一定时，活塞式内燃机三种理想循环的热效率的大小关系是 t,p t,c t,v
T − s 图如图 9-1 所示。
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1．试证明在压缩比
相同的情况下，活塞式内燃机定容加热理想循环与卡诺循环
有相同的热效率。这是否说明定容加热理想循环达到了卡诺循环的理想水平？为什么？
答：
，但不能说明定容加热理想循环已达卡诺循环水平，因为 T3 远远高于 T2， 而在相同温度区间（T1 到 T3）内， 将大大高于ηt。
2．压缩比升高对汽油机所对应的理想循环（定容加热循环）的性能有何影响？是否压
5．（多选）下面哪种方法可以提高热机的效率？（ ）
A．增加循环净功
B．增加吸热量
C．降低系统的平均放热温度
D．提高系统的平均吸热温度
工程热力学-第九章 气体动力循环
? h4 h3 - hT (h3 - h4s )
实际循环的内部净功：
w' net
=
wT'
-
w
' c
=
hT (h3 -
h4s ) -
1 hc ,s
(h2s
-
h1 )
实际循环的吸热量：
q1' = h3 -
h2 = h3 -
h1 -
1 hc ,s
(h2s
-
h1 )
实际循环的内部热效率：
hi
=
w' net q1'
陶瓷基复合材料（CMC）燃烧室火焰筒
c) ,i 但有极值 提高循环最高温度和提高增压比。
9–8 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施
一、回热 利用排气的热量来加热压缩后的空气
T
3
若使T4 如果T4>T2
p4 不可能
预热空气，回热
2
4
1 s
T4 在500oC以上
极限情况下： 压缩后的空气加热 T5 T4
9-2 活塞式内燃机实际循环的简化
1－2:绝热压缩过程；2－3:定容吸热过程； 3－4:定压吸热过程；4－5:绝热膨胀过程； 5－1:定容放热过程；
图9-2 定压燃烧柴油机示功图
边燃烧边膨胀： 压力保持不变 定压吸热过程
图9-3 定容燃烧汽油机示功图
定容吸热过程
9－3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热理想循环
e) 汽油机压缩的是燃料和 空气混合物，因此压比大 多在5～12；而柴油机压缩 的仅空气，因此压比可达 14～20
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
《热力学》气体动力循环
14
循环特性：
增压比——π=p2/p1
最高温度——T3
升温比——τ= T3/T1
参数关系：
( 1) /
( 1) /
T2 T1
p2 p1
p3 p4
T3 ( 1)/
T4
循环加热量：
q1 h3 h2 cp0 (T3 T2 )
循环放热量：
q2 h4 h1 cp0 (T4 T1)
循环热效率：
柴油机的压缩比一般在14～20之间。
2021年2月21日
第九章 气体动力循环
8
混合加热循环热效率
t
1
q2 q1
1
1
1
(
1 1) (
1)
2021年2月21日
第九章 气体动力循环
9
二、定容加热循环（奥托循环, Otto Cycle ）
1
w0
p1v1 ( 1
1)( 1
1)
t
1
1
1
f (,)
第九章 气体动力循环
9-1 活塞式内燃机的理想循环 9-2 燃气轮机装臵循环 9-3 增压内燃机及其循环 9-4 自由活塞燃气轮机装臵及其循环 9-5 喷气式发动机及其循环 9-6 活塞式热气发动机及其循环 本章作业及小结
2021年2月21日
第九理想循环 一、混合加热循环（萨巴特循环）
循环的热效率，但随着压缩比的逐渐增大，热
（1）压缩比的影响 效率增长的速率逐渐减缓。
实际上，当压缩比数值较高时，提高压缩
比不仅热效率增长较少，而且由于压缩终了压 力及燃烧终了压力太高，发动机的机件摩擦消
耗的功太多，以致发动机的实际效率无明显增 加，甚至反而减小。因此，一般压燃式内燃机
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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）