工程热力学课件第9-11章
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1
1 t 1 1 1
22
O
s
q1 c p T3 T2
讨论：
a) q2不变，q1增大 t wnet
1 t 1 1 1
b)
t wnet
T
2’ 2
. .
q1’ - q1
p 2
.
.
3
特性参数：
T
.
2
3
. .
O
4
1
v
v1 v2 v3 v2
.
.
.
4
1
q2 cV T4 T1
q2 t 1 q1
T4 T1 t 1 T3 T2 1 t 1 1 1 1
利用 、、 表示
1 2 v1 T2 T1 v2
t
1
T1 1
23
p3 T1 1 T3 T2 p2
p3 p2
34
5 1
v4 T1 1 T4 T3 v3
p5 T5 T1 p1
p5 p1
?
p1v1 p2 v2 ； p5 v5 p4 v4
8
3. 活塞式内燃机循环 以汽油机为例
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。
9
二、活塞式内燃机循环的简化
1. 空气标准假设 (the air-standard hypothesis) 气体动力循环中工作流体 理想气体 燃烧和排气过程 空气 定比热容
power cycles
★ “既生瑜何生亮” ——汽油机、柴油机能共生、发展吗？
★ 水蒸汽动力装置，如国际先进的蒸汽电厂的热效率仅仅
40左右，燃料发热量中约50%在冷凝器中被冷却水带走， 所以解决能源危机的一个有效途径是革冷凝器的命——撤销 冷凝器，提高热效率！ ★ 家电说明书上指出，家用冰箱应放置在距墙壁15cm左右 的通风处，为什么会提出这样浪费宝贵室内面积的“昏招” ？
或
wnet qnet q1 q2
q1 q23 q3 4 cV T3 T2 c p T4 T3
q2 q51 cV T5 T1
T5 T1 q2 t 1 1 q1 T3 T2 T4 T3
wt' ,T T h3 h4 s
h4 a h3 T h3 h4 s
三. 燃气轮机装置的内部热效率
' wnet i ' q1
' 1
w
' net
w w T h3 h4 s
' t ,T ' c
1
Cs
h2 s h1
q h3 h2 h3 h1
o
Vc
V
燃气成分改变忽略
以空气为工质的定比热容内可逆的闭式循环
二、混合加热理想循环（dual combustion cycle）
1. 混合加热理想循环的 p-v图及T-s图
p 3
2
. . .
12 等熵压缩； 23 等容吸热； 34 定压吸热；
4
O
T
3 2
1
. .
.
. . v .
5
1
45 等熵膨胀； 特性参数： 51 定容放热
循环分类wk.baidu.com
动力循环
活塞式内燃机循环（萨巴德循环） 活塞式热气发动机（斯特林循环） 燃气轮机循环 （布雷顿循环） 蒸汽动力循环（朗肯循环）
制冷循环
蒸汽压缩制冷循环 空气压缩制冷循环 吸收式制冷循环 吸附式制冷循环 气流引射式制冷循环
热泵循环
第九章 热力循环
? ?
?
学习目标 （9-11章）
列举标准空气假设主要内容及活塞式内燃机简化过程中应用； 描述活塞式内燃机各种理想加热循环及各自特性参数，画出循环的 p-v 图 和 T-s 图，并进行循环及热效率计算； 分析、讨论、比较各种理想循环并归纳提高气体循环热效率的热力学措施。 按水蒸气动力装置设备流程简图，画出水蒸气朗肯循环图，计算朗肯循环 （包括有摩阻朗肯循环）的热效率，并讨论影响热效率的因素； 按压缩蒸气制冷装置设备流程图简化画出压缩蒸气制冷基本循环图，利用 制冷剂物性表或和h-s图计算循环的制冷系数；分析、讨论提高压缩蒸气循 环制冷系数的热力学措施； 指出压缩蒸气制冷装置制冷剂应具备的性质和环境影响。 教学参考资料： 工程热力学第4版 pp.284~298，pp.316~325， p.348,pp.353~358。
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 所有过程都假设为内部可逆
2. 冷空气标准假设— 比热假设为环境温度下的比热
3. 平均有效压力(mean effective pressure)
pMEP
Wnet Vh
9–3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热内燃机（dual combustion cycle）
. . . . .
3’ 3 4
3”
4”
1 O
.
s
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。
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
T
.
3v
3 2
1
. .
.
4v
..
4 5
2p
3p
. . .q
或
4p
q2v
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。 步骤： 1. 实际循环（复杂不可逆） 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 抽象、简化
可逆理论循环
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
w12 w34 w45
1 1 Rg Rg p2 p5 T1 1 p3 v4 v3 T4 1 1 p1 1 p4
二.压气机绝热效率和燃气轮机相对内效率
CS
' C
wCS h2 s h1 ' wC h2 a h1
1 h2 a h1 h2 s h1 CS
1 w h2 s h1 CS
T
wt' ,T wt ,T h3 h4 a h3 h4 s
1．一般结构：
An automotive engine with the combustion chamber exposed
2．分类： 按燃料：煤气机(gas engine) 汽油机(gasoline engine; petrol engine) 柴油机(diesel engine) 按点火方式：点燃式(spark ignition engine)-汽车 压燃式(compression ignition engine)— 重型卡车、轮船、火车机车等 按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程(four-stroke )
两式相除
p5 v5 p4 v4 p1v1 p2 v2
p3 v4 p5 p4 v4 p2 v3 p1 p2 v2
p4 p3 v2 v3
p5 T1 T5 T1 p1
T2、T3、T4和T5代入
本章教学内容
9-1 分析热力循环的一般方法 9-2 活塞式内燃机实际循环的简化 9-3 活塞式内燃机的理想循环 9-4 活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较 9-5 燃气轮机装置循环 9-6 简单蒸汽动力装置循环—— 朗肯循环 9-7 压缩蒸气制冷循环
9–1 分析动力循环的一般方法
一、分析动力循环的目的和一般步骤
i oi h3 h4 s
h3 h1 1 1
1
Cs
h2 s h1
CS
h2 s h1
CS
h2 s h1
T
1
1
CS
1
1
1
1
CS
i
oi h3 h4 s
h3 h1 1
t,p t,m t,v
或
5
T 2 p T 2m T 2 v
s
O
T 1 p T 1m T 1v
例A447277
27
小型燃气轮机
§9–5.2 燃气轮机装置定压加热实际循环
一.定压加热的实际循环
1-2 2-3 3-4 4-1 不可逆绝热压缩； 定压吸热； 不可逆绝热膨胀； 定压放热。
Tm1 Tm2不变
4” 4 5
3
b) t
Tm1 Tm2不变
c) t
Tm1 Tm2不变
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。 例A470299
二、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。 综合第一定律和第二定律 从能量的数量和质量分析。 熵产 㶲损 作功能力损失
2. 第二定律分析法
熵分析法 㶲分析法
㶲效率
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
p
3 2 4
01 12
吸气 压缩
23
34
5 0 1
喷油、定容燃烧
定压燃烧 膨胀作功 排气
45 50
V
o
Vc
Vh
简化：引用空气标准假设
3
p
. 2. .
.4
压缩1-2等熵过程 燃烧2-3等容吸热 燃烧3-4定压吸热
膨胀4-5等熵过程
0
.5 .1
Vh
排气5-1等容放热 吸、排气线重合、忽略 燃油质量忽略
q2m
O
q1v q1m q1 p
q2 v q2m q2 p
s
tv tm tp
T 2 p T 2m T 2 v
T 1 p T 1m T 1v
二、循环 pmax、Tmax 相同时的比较
T
Tmax
2’ 2
2” 1
. . . . . q
3
. .
2
4
pmax
q2 p q2m q2 v q1 p q2m q2 v
v1 v5
T5 T1 t 1 T3 T2 T4 T3
1 1 1 1 1
讨论：
2’ 2
4’ . .. . . .. . . . . 1.
3’ 3”
a) t
4
压缩比(compression ratio) 定容增压比(pressure ratio)
v1 v2
p3 p2
.
s
5
定压预胀比(cutoff ratio)
O
v4 v3
2. 循环热效率
wnet t q1
0
wnet w12 w23 w34 w45 w51
讨论：
a ) t
t 1
1
1
b)
t 不变 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
T
q1’ - q1
2’ 2
. . .
. . . . .
3’
3”
3
4”
4
1 O
21
s
四、定压加热理想循环(Diesel cycle)
1
CS
h2 s h1 T
1
1
CS
1
CS
h2 s h1
1
1
1
CS
讨论： a) 除 、 外i 还与C S、T 有关，
T CS i ，
目前T 0.85 ~ 0.92，CS 0.85 ~ 0.90
三、定容加热理想循环 (Otto cycle)
v1 v2
p3 p2
v1 v2 p3 p2
q1 cV T3 T2
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
q2 cV T4 T1
1
1 1 t 1 1 1 1 1 1
1 t 1 1 1
22
O
s
q1 c p T3 T2
讨论：
a) q2不变，q1增大 t wnet
1 t 1 1 1
b)
t wnet
T
2’ 2
. .
q1’ - q1
p 2
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3
特性参数：
T
.
2
3
. .
O
4
1
v
v1 v2 v3 v2
.
.
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4
1
q2 cV T4 T1
q2 t 1 q1
T4 T1 t 1 T3 T2 1 t 1 1 1 1
利用 、、 表示
1 2 v1 T2 T1 v2
t
1
T1 1
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p3 T1 1 T3 T2 p2
p3 p2
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5 1
v4 T1 1 T4 T3 v3
p5 T5 T1 p1
p5 p1
?
p1v1 p2 v2 ； p5 v5 p4 v4
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3. 活塞式内燃机循环 以汽油机为例
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。
9
二、活塞式内燃机循环的简化
1. 空气标准假设 (the air-standard hypothesis) 气体动力循环中工作流体 理想气体 燃烧和排气过程 空气 定比热容
power cycles
★ “既生瑜何生亮” ——汽油机、柴油机能共生、发展吗？
★ 水蒸汽动力装置，如国际先进的蒸汽电厂的热效率仅仅
40左右，燃料发热量中约50%在冷凝器中被冷却水带走， 所以解决能源危机的一个有效途径是革冷凝器的命——撤销 冷凝器，提高热效率！ ★ 家电说明书上指出，家用冰箱应放置在距墙壁15cm左右 的通风处，为什么会提出这样浪费宝贵室内面积的“昏招” ？
或
wnet qnet q1 q2
q1 q23 q3 4 cV T3 T2 c p T4 T3
q2 q51 cV T5 T1
T5 T1 q2 t 1 1 q1 T3 T2 T4 T3
wt' ,T T h3 h4 s
h4 a h3 T h3 h4 s
三. 燃气轮机装置的内部热效率
' wnet i ' q1
' 1
w
' net
w w T h3 h4 s
' t ,T ' c
1
Cs
h2 s h1
q h3 h2 h3 h1
o
Vc
V
燃气成分改变忽略
以空气为工质的定比热容内可逆的闭式循环
二、混合加热理想循环（dual combustion cycle）
1. 混合加热理想循环的 p-v图及T-s图
p 3
2
. . .
12 等熵压缩； 23 等容吸热； 34 定压吸热；
4
O
T
3 2
1
. .
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. . v .
5
1
45 等熵膨胀； 特性参数： 51 定容放热
循环分类wk.baidu.com
动力循环
活塞式内燃机循环（萨巴德循环） 活塞式热气发动机（斯特林循环） 燃气轮机循环 （布雷顿循环） 蒸汽动力循环（朗肯循环）
制冷循环
蒸汽压缩制冷循环 空气压缩制冷循环 吸收式制冷循环 吸附式制冷循环 气流引射式制冷循环
热泵循环
第九章 热力循环
? ?
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学习目标 （9-11章）
列举标准空气假设主要内容及活塞式内燃机简化过程中应用； 描述活塞式内燃机各种理想加热循环及各自特性参数，画出循环的 p-v 图 和 T-s 图，并进行循环及热效率计算； 分析、讨论、比较各种理想循环并归纳提高气体循环热效率的热力学措施。 按水蒸气动力装置设备流程简图，画出水蒸气朗肯循环图，计算朗肯循环 （包括有摩阻朗肯循环）的热效率，并讨论影响热效率的因素； 按压缩蒸气制冷装置设备流程图简化画出压缩蒸气制冷基本循环图，利用 制冷剂物性表或和h-s图计算循环的制冷系数；分析、讨论提高压缩蒸气循 环制冷系数的热力学措施； 指出压缩蒸气制冷装置制冷剂应具备的性质和环境影响。 教学参考资料： 工程热力学第4版 pp.284~298，pp.316~325， p.348,pp.353~358。
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 所有过程都假设为内部可逆
2. 冷空气标准假设— 比热假设为环境温度下的比热
3. 平均有效压力(mean effective pressure)
pMEP
Wnet Vh
9–3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热内燃机（dual combustion cycle）
. . . . .
3’ 3 4
3”
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1 O
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s
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。
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
T
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3v
3 2
1
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2p
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或
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q2v
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。 步骤： 1. 实际循环（复杂不可逆） 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 抽象、简化
可逆理论循环
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
w12 w34 w45
1 1 Rg Rg p2 p5 T1 1 p3 v4 v3 T4 1 1 p1 1 p4
二.压气机绝热效率和燃气轮机相对内效率
CS
' C
wCS h2 s h1 ' wC h2 a h1
1 h2 a h1 h2 s h1 CS
1 w h2 s h1 CS
T
wt' ,T wt ,T h3 h4 a h3 h4 s
1．一般结构：
An automotive engine with the combustion chamber exposed
2．分类： 按燃料：煤气机(gas engine) 汽油机(gasoline engine; petrol engine) 柴油机(diesel engine) 按点火方式：点燃式(spark ignition engine)-汽车 压燃式(compression ignition engine)— 重型卡车、轮船、火车机车等 按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程(four-stroke )
两式相除
p5 v5 p4 v4 p1v1 p2 v2
p3 v4 p5 p4 v4 p2 v3 p1 p2 v2
p4 p3 v2 v3
p5 T1 T5 T1 p1
T2、T3、T4和T5代入
本章教学内容
9-1 分析热力循环的一般方法 9-2 活塞式内燃机实际循环的简化 9-3 活塞式内燃机的理想循环 9-4 活塞式内燃机个正理想循环的热力学比较 9-5 燃气轮机装置循环 9-6 简单蒸汽动力装置循环—— 朗肯循环 9-7 压缩蒸气制冷循环
9–1 分析动力循环的一般方法
一、分析动力循环的目的和一般步骤
i oi h3 h4 s
h3 h1 1 1
1
Cs
h2 s h1
CS
h2 s h1
CS
h2 s h1
T
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1
CS
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或
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T 2 p T 2m T 2 v
s
O
T 1 p T 1m T 1v
例A447277
27
小型燃气轮机
§9–5.2 燃气轮机装置定压加热实际循环
一.定压加热的实际循环
1-2 2-3 3-4 4-1 不可逆绝热压缩； 定压吸热； 不可逆绝热膨胀； 定压放热。
Tm1 Tm2不变
4” 4 5
3
b) t
Tm1 Tm2不变
c) t
Tm1 Tm2不变
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。 例A470299
二、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。 综合第一定律和第二定律 从能量的数量和质量分析。 熵产 㶲损 作功能力损失
2. 第二定律分析法
熵分析法 㶲分析法
㶲效率
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
p
3 2 4
01 12
吸气 压缩
23
34
5 0 1
喷油、定容燃烧
定压燃烧 膨胀作功 排气
45 50
V
o
Vc
Vh
简化：引用空气标准假设
3
p
. 2. .
.4
压缩1-2等熵过程 燃烧2-3等容吸热 燃烧3-4定压吸热
膨胀4-5等熵过程
0
.5 .1
Vh
排气5-1等容放热 吸、排气线重合、忽略 燃油质量忽略
q2m
O
q1v q1m q1 p
q2 v q2m q2 p
s
tv tm tp
T 2 p T 2m T 2 v
T 1 p T 1m T 1v
二、循环 pmax、Tmax 相同时的比较
T
Tmax
2’ 2
2” 1
. . . . . q
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pmax
q2 p q2m q2 v q1 p q2m q2 v
v1 v5
T5 T1 t 1 T3 T2 T4 T3
1 1 1 1 1
讨论：
2’ 2
4’ . .. . . .. . . . . 1.
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a) t
4
压缩比(compression ratio) 定容增压比(pressure ratio)
v1 v2
p3 p2
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定压预胀比(cutoff ratio)
O
v4 v3
2. 循环热效率
wnet t q1
0
wnet w12 w23 w34 w45 w51
讨论：
a ) t
t 1
1
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b)
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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
T
q1’ - q1
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四、定压加热理想循环(Diesel cycle)
1
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h2 s h1 T
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CS
h2 s h1
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讨论： a) 除 、 外i 还与C S、T 有关，
T CS i ，
目前T 0.85 ~ 0.92，CS 0.85 ~ 0.90
三、定容加热理想循环 (Otto cycle)
v1 v2
p3 p2
v1 v2 p3 p2
q1 cV T3 T2
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
q2 cV T4 T1
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