第六章 动力装置循环

1. 活塞式内燃机实际循环与理想循环
(1) 活塞式内燃机实际循环
柴油机工作的4个冲程： 1）进气冲程0-1：活塞从汽缸上死点下行，进 气阀开启，吸入空气。由于进气阀的节流作用， 气缸内气体的压力约低于大气压力。 2）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。
上死点
1－2’ 为多变压缩，p2’= 3-5MPa ， t2’=600-800℃， 2’ 点开始喷进柴油，柴油 自燃温度约为205℃。
忽略泵功
（3）热电联供循环 热电联供：用发电厂乏汽的余热来满 足热用户的需要。（热电厂） 1）背压式汽轮机热电联供循环 （背压：汽轮机设计排气压力；背 压>0.1MPa） 2）抽汽式汽轮机热电联供循环
能量利用系数
已被利用的能量 K 工质从热源得到的能量
两个热经济性指标：t、K
16
6-2
活塞式内燃机循环
1－2：可逆绝热压缩过程；2－3：可逆定容加热过程； 3－4：可逆定压加热过程；4－5：可逆绝热膨胀； 5－1：可逆定容放热过程。
22
2. 活塞式内燃机理想循环分析
为了说明内燃机的工作过程对循环热效率的影响，引入下 列内燃机的特性参数： 压缩比：
v1 v2
p3 p 2
表示压缩过程中工质体积被压缩的程度。 升压比：
分析其热能利用的经济性（即热效率）、影响热效率的因 素、寻找提高热效率的途径。
研究热机循环的方法：
建立实际循环的简化热力学模型，用简单、典型的可逆过程 和循环来近似实际复杂的不可逆过程和循环，通过热力学分 析确定其基本规律。
3
6-1 蒸汽动力装置循环 过热蒸汽
发电机
火力发电厂的蒸汽动 力装置以水蒸气为工 质，主要由锅炉、汽
一定 t
28
早期低速柴油机的理想循环，现已被淘汰。
3. 影响内燃机理想循环热效率的主要因素
（1） 压缩比 的影响

t
提高压缩比是提高内燃机循环热效 率的主要途径之一 。 汽油燃点低，易爆燃，压缩比受限制。
一般汽油机：
一般柴油机：
5 10
14 22
29
柴油机热效率一般高于汽油机，但汽油机小巧。
T5 T1 1 T3 T2 T4 T3
24
各点温度可由以下过程求得 ： 由可逆绝热过程1－2得 ：
1
v1 T2 T1 v2
T1 1
由可逆定容过程2－3得 ：
v4 1 T T T 由可逆定压过程3－4得 ： 4 3 1 v3 1 v4 由可逆绝热过程4－5得 ： T5 T4 T1 v5
（1）再热循环(reheat)：新蒸汽在高压汽轮机中膨胀作功到某 一中间压力以后，全部抽出导入锅炉中的再热器，吸收烟气放出 的热量，然后再导入低压汽轮机继续膨胀作功到终压力p2 .
再热可以增加蒸汽干度，以便在初温限制下采用更高的初压，从 而提高循环热效率。通常一次再热可使热效率提高2％～3.5％。
12
上死点
4）排气冲程5-0：活塞到点5时，排气阀打开， 部分废气排出，而活塞移动极微，接近定容降 压过程。活塞开始上行，将气缸中剩余气体排 出，完成一个实际循环。
下死点
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(2)活塞式内燃机理想循环
对实际循环加以合理的抽象、概括和简化：
1) 忽略实际过程中进、排气阀的节流损失；进气过程与排气过程互相 抵消；认为废气与吸入的新鲜空气状态相同；忽略喷入的油量，假设一 定量的工质在气缸中进行封闭循环。
q2V q2 m q2 p
三种理想循环的吸热量
q1V q1m q1 p
三种理想循环的热效率
t V tm t p
32
（2）进气状态、最高压力、吸热量彼此相同
三种理想循环的放热量
q2 p q2 m q2V
三种理想循环的吸热量相同
q1 p q1m q1V
三种理想循环的热效率
q1 T1 sa sb
T2 t 1 T1
提高吸热平均温度或降低放热平均温度都可以提高循环的热 效率。 9
(1) 蒸汽初温t1的影响 保持 p1 、p2不变，将 t1提高，则吸热 平均温度提高，循环热效率将提高； 乏汽干度增加有利于汽轮机安全工 作。 提高t1受材料耐热强度限制。 (2) 蒸汽初压的影响 保持 t1 、 p2 不变，提高 p1 ，将提高吸 热平均温度，提高循环的热效率。然 而，乏汽的干度减小，将影响汽轮机 后几级叶片安全。x > 0.85
p3 T3 T2 T1 1 p2
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将各点温度代入循环热效率表达式：
T5 T1 t 1 T3 T2 T4 T3
1 1 1 1 1

由上式可见，混合加热循环的热效率与多种因素有关， 当压缩比 增加、升压比 增加以及预胀比 减少时， 都会使混合加热循环的热效率提高。
t p t m t V
33
再热压力 P 7 P 1 0.2 0.3P 1
P 1 10MPa ，一般不采用再热
我国常见机组，10、12.5、20、30万机组，
，一次再热 P 1 13.5MPa t1 600℃，P 超临界机组， 1 25MPa 二次再热
再热循环的设备复杂，投资大，只有蒸汽压力在 13MPa 以 上的大型火力发电厂才采用。
13
（2）回热循环（regenerative）:从汽轮机中间抽出部分已做过 功但压力尚不太低的少量蒸汽来加热进入锅炉之前的低温给水。
回热循环提高了吸热平均温度，提高了循环热效率。抽汽量的 大小根据质量守恒和能量守恒确定，应使kg抽汽所放出的热 量等于(1-)kg凝结水加热到抽汽压力下的饱和温度。
第六章
动力装置循环
1
热能动力装置 ： 将热能转换为机械能的设备，也称为热力发动机，简称热机。 动力装置循环（简称动力循环或热机循环）：
蒸汽动力装置循环:
以蒸汽为工质的热机工作循环（如蒸汽机、蒸汽轮机等）。 气体动力装置循环: 以气体为工质的热机工作循环（如内燃机、燃气轮机等）。
2
研究热机循环的目的：
单位：kg/(kW·h)
1 kg/kJ = 3600 kg/(kWh)
8
3．蒸汽参数对朗肯循环热效率的影响
h1 h2 h1 h2 t h1 h4 h1 h3
朗肯循环的热效率与新蒸汽的温度 t1(初温)、压力p1(初压)、 以及乏汽的压力p2(终压)有关。 将朗肯循环折合成熵变相等、吸（放） 热量相同、热效率相同的卡诺循环。
P S P
1-2 ：水蒸气在汽轮机中的可逆绝热膨胀过 程；
2-3：乏汽在冷凝器中的定压放热过程。
思考：为什么不采用卡诺循环？
2. 朗肯循环的净功及热效率 在朗肯循环中，每千克蒸汽对外所作出的净功
wnet ws,12 ws,34
根据稳定流动能量方程式
ws,12 h1 h2
ws ,34 h4 h3
气体动力循环分类： 按结构
活塞式：汽车，摩托，小型轮船
叶轮式： 航空，大型轮船，移动电站 汽油机： 小型汽车，摩托
按燃料
柴油机： 中、大型汽车，火车，轮船，移动 电站 煤油机： 航空
按点燃方式： 按冲程数：
点燃式、压燃式 二冲程、四冲程
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以四冲程柴油机为例分析其实际工作循环
单缸汽油机构造示意图
18
10
(3) 乏汽压力的影响 保持t1、p1不变，降低p2，则对应的饱 和温度 T2 （即放热温度）降低，循环 热效率将有所提高。但是，终压的降 低受冷凝器冷却介质温度 ( 环境温度 ) 的限制。 结论：为了提高蒸汽动力循环的热效率，应尽可能提高蒸汽的 初压和初温，并降低乏汽压力。
11
4．提高蒸汽动力循环热效率的其他途径
（2）绝热指数 的影响

t
值大小取决于工质的种类和
温度 。
潜艇用氦气： 空气：
1.66
1.4
30
（3）升压比 和预胀比 的影响 当压缩比 和绝热指数 一定时，


t
t
31
4. 三种活塞式内燃机理想循环的比较
（1）进气状态、最高压力、最高温度彼此相同 用下角标V、m、p分别代表定容 加热循环、混合加热循环、定压 加热循环。 三种理想循环的放热量相同
锅 炉
汽轮机
循环水 乏汽
轮机、冷凝器和水泵
四个设备组成。
冷凝器
水泵
冷却水
4
5
1. 朗肯循环
朗肯循环是一个简化的理想蒸汽动力循环， 由4个理想化的可逆过程组成(忽略给水泵、 汽轮机中的摩擦和散热以及工质在锅炉、冷 凝器中的压力变化)：
3-4：水在给水泵中的可逆绝热压缩过程；
S
4-5-6-1 ：水与水蒸气在锅炉中的可逆定压 加热过程；
26
（2） 定容加热循环 （奥图Otto循环)
1
定压预胀比：
1
t 1
1
汽油机和煤气机的理想循环 循环热效率：

1

t
27
（3）定压加热循环 （狄塞尔循环)
定容升压比：
循环热效率：
1 t 1 1 1
1
1

一定
t
2) 假定工质是化学成分不变、比热容为常数的理想气体—空气。
3) 忽略工质、活塞、气缸壁之间的热交换及摩擦阻力，认为工质的膨胀 和压缩过程是可逆绝热的。
4) 将燃烧过程看成是工质从高温热源可逆吸热过程，将排气过程看成是 工质向低温热源可逆放热过程。 5) 忽略工质的动、位能变化。
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活塞式内燃机理想混合加热循环（萨巴德循环）
h4 h3 0
h1 h2 h1 h2 (h1 h2 ) (h4 h3 ) t h1 h4 h1 h4 h1 h3
蒸汽动力装置每输出1kW·h（即3600kJ）功量所消耗 汽耗率： 的蒸汽量。
3600 d wnet
工程单位：kg/（kW·h)
1 kW·h = 3600 kJ
wnet (h1 h2 ) (h4 h3 )
每千克蒸汽在锅炉中的定压吸热量为
q1 h1 h4
根据热效率定义，可得朗肯循环的热效率为
wnet ws ,12 ws ,34 (h1 h2 ) (h4 h3 ) t q1 h1 h4 q1
7
由于水的压缩性很小，水泵消耗的功与汽轮机作出的功相比甚 小，可忽略不计，
表示定容加热过程工质压力升高的程度。 预胀比：
v4 v3
表示定压加热时工质体积膨胀的程度。
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（1） 混合加热循环
单位质量工质的吸热量：
q1 cv T3 T2 cp T4 T3
单位质量工质的放热量：
q2 cv T5 T1
循环热效wenku.baidu.com：
wnet q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
下死点
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3）动力冲程2-3-4-5 ： 2—3 柴油迅速燃烧，活塞在上死点移动甚微， 近似定容燃烧，压力迅速升至5~9 MPa 。
3—4 活塞下行，继续喷油、燃烧、近似定压 膨胀， 4点喷油停止，温度达1700~1800 ℃。
4—5 燃气膨胀作功，压力、温度下降，活塞到 5点时，压力约 0.3~0.5 MPa，温度约500 ℃。
14
10
9
7
4
3 注：此时各点质量不同， 面积不再直接代表热和功。
根据热力学第一定律，回热加热器中的能量平衡式为：
h7 1 h4 1 h9
h9 h3 h7 h3
(1 )(h2 h3 ) q2 t 1 1 q1 h1 h9
h9 h4 h7 h4