第4章 气体动力循环
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热能与动力工程专业英语第1,2,3,4,7,8,9章译文
第一章热科学基础1.1工程热力学基础热力学是一门研究能量储存、转换及传递的科学。
能量以内能（与温度有关）、动能（由物体运动引起）、势能（由高度引起）和化学能（与化学组成相关）的形式储存。
不同形式的能量可以相互转化，而且能量在边界上可以以热和功的形式进行传递。
在热力学中，我们将推导有关能量转化和传递与物性参数，如温度、压强及密度等关系间的方程。
因此，在热力学中，物质及其性质变得非常重要。
许多热力学方程都是建立在实验观察的基础之上，而且这些实验观察的结果已被整理成数学表达式或定律的形式。
其中，热力学第一定律和第二定律应用最为广泛。
1.1.1热力系统和控制体热力系统是一包围在某一封闭边界内的具有固定质量的物质。
系统边界通常是比较明显的（如气缸内气体的固定边界）。
然而，系统边界也可以是假想的（如一定质量的流体流经泵时不断变形的边界）。
系统之外的所有物质和空间统称外界或环境。
热力学主要研究系统与外界或系统与系统之间的相互作用。
系统通过在边界上进行能量传递，从而与外界进行相互作用，但在边界上没有质量交换。
当系统与外界间没有能量交换时，这样的系统称为孤立系统。
在许多情况下，当我们只关心空间中有物质流进或流出的某个特定体积时，分析可以得到简化。
这样的特定体积称为控制体。
例如泵、透平、充气或放气的气球都是控制体的例子。
包含控制体的表面称为控制表面。
因此，对于具体的问题，我们必须确定是选取系统作为研究对象有利还是选取控制体作为研究对象有利。
如果边界上有质量交换，则选取控制体有利；反之，则应选取系统作为研究对象。
1.1.2平衡、过程和循环对于某一参考系统，假设系统内各点温度完全相同。
当物质内部各点的特性参数均相同且不随时间变化时，则称系统处于热力学平衡状态。
当系统边界某部分的温度突然上升时，则系统内的温度将自发地重新分布，直至处处相同。
当系统从一个平衡状态转变为另一个平衡状态时，系统所经历的一系列由中间状态组成的变化历程称为过程。
任务三气体动力循环(情景任务一).pptx
定压加热循环的计算
q1 cp T3 T2
T
放热量(取绝对值）
q2 cv T4 T1
2
热效率
1
t
w q1
q1 q2 q1
1 q2 q1
轮机工程基础模块
3 4
s
项目五：工程热力学
定压加热循环的计算
热效率
t
k 1 1 k1k( 1)
t
当 不变 t 当 不变 t
轮机工程基础模块
1.5 2 2.5
项目五：工程热力学
轮机工程基础模块
任务三 气体动力循环
情景任务一
情景任务二
项目五：工程热力学
轮机工程基础模块
【学习情境一】 提高柴油机热效率的途径
能力目标：1.掌握往复式内燃机的实际工作循环； 2.掌握往复式内燃机的理想工作循环；
3. 掌握循环热效率的计算方法
学习任务：1. 分析四冲程柴油机的工作过程 2. 往复式内燃机的理想工作循环分析
课内实践：指出提高柴油机效率的方法
教学方法：引导文教学法
项目五：工程热力学
学习领域：气体动力循环 学习情境：四冲程柴油机的气体动力循环 工作任务：四冲程柴油机的工作过程及其理想化分析 具体任务：分析四冲程柴油机的循环过程
1. 往复式内燃机的组成？ 2. 四冲程柴油机的工作过程？
3. 现代四冲程柴油机的理想循环过程？
2
5 定容升压比 p3
p2
反映供
1
定压预胀比 v4
v Cutoff ratio
v3
油规律
项目五：工程热力学
轮机工程基础模块
柴油机特性参数的意义
（1）压缩比：压缩前的比体积与压缩后的比体积之比，绝热压 缩过程中工质被压缩的程度，内燃机工作体积大小的结构参数。
气体动力循环2011_B
4 v
3
P 4
2
1
P
s
Brayton循环分析
v1 v2
k 1
T2 T1
p2 p1
k 1
k
k 1
k
增压比
p 23
p2
p1
T3 v3 T4 v4 T2 v2 T1 v1
SS
1
4
v
v4 v1
k 1
T3 T4
p3 p4
k 1
k
p2 p1
k 1
k
k 1
k
T2 T1
第九章 气体动力循环
§ 9-4. 斯特林(Stirling)循环 § 9-5. 燃气轮机装置 § 9-6. 定压加热理想(Brayton)循环 § 9-7. Brayton循环的改进 § 9-8. 喷气发动机理想循环
斯特林(Stirling)循环
能不能使内部可逆循环的热效率
等于卡诺循环的热效率？
regeneration
T
2
3
T
回热器
?
2
3
C V
V
R
qR V
1
4
1
4
s
s
q12 u2 u1 u3 u4 q43 qR Stirling循环
1816年提出，近20年才实施(核潜艇，制冷…)
活塞外燃式Stirling热机
热端
冷端
有缝
T
2
3
V
R
qR V
1
4
位移活塞A
动力活塞B 2 3
回热器
p 3’ 3 4
② 涡轮轴功近似等于 压气机轴功
5’
5
2’
wT45 wi45 wT32 wi32
3
P 4
2
1
P
s
Brayton循环分析
v1 v2
k 1
T2 T1
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k 1
k
k 1
k
增压比
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T3 v3 T4 v4 T2 v2 T1 v1
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v4 v1
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T3 T4
p3 p4
k 1
k
p2 p1
k 1
k
k 1
k
T2 T1
第九章 气体动力循环
§ 9-4. 斯特林(Stirling)循环 § 9-5. 燃气轮机装置 § 9-6. 定压加热理想(Brayton)循环 § 9-7. Brayton循环的改进 § 9-8. 喷气发动机理想循环
斯特林(Stirling)循环
能不能使内部可逆循环的热效率
等于卡诺循环的热效率？
regeneration
T
2
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T
回热器
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2
3
C V
V
R
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1
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q12 u2 u1 u3 u4 q43 qR Stirling循环
1816年提出，近20年才实施(核潜艇，制冷…)
活塞外燃式Stirling热机
热端
冷端
有缝
T
2
3
V
R
qR V
1
4
位移活塞A
动力活塞B 2 3
回热器
p 3’ 3 4
② 涡轮轴功近似等于 压气机轴功
5’
5
2’
wT45 wi45 wT32 wi32
工程热力学14 气体动力循环汇总
14 气体动力循环14.1 燃气轮机装置与定压加热循环燃气轮机装置是以燃气为工质的热动力装置，最简单的燃气轮机装置示意图如图14-1所示，由压气机、燃烧室和燃气轮机三个基本部分组成。
在燃气轮机循环中，空气不断地被压气机吸入，经压缩升压后，送入燃烧室；压缩空气在燃烧室中和供入的燃料在定压下燃烧，形成高温燃气；高温燃气与来自燃烧室夹层通道中的压缩空气混合，使混合气体的温度降到燃气轮机叶片所能承受的温度范围后，进入燃气轮机的喷管；燃气在喷管中膨胀加速，形成高速气流，冲击叶轮对外输出功量；做功后的废气排入环境。
燃气轮机做出的功量除一部分带动压气机外，其余部分（循环净功）对外输出。
显然，上述燃气轮机循环是一个不可逆的开式循环，而且循环中工质的成分、质量都有变化。
为了便于分析，需要把实际循环作理想化的假设： ① 燃烧室中喷入的燃料质量忽略不计；② 忽略阻力的影响，燃烧过程压力变化不大，可以把燃料燃烧的化学过程假定为工质从高温热源吸收热量的定压吸热过程；③ 燃气轮机排出的废气压力和压气机吸入的气体压力都非常接近大气压力，可以把废气的排放假定为 工质向冷源放热后，再返回到压气机的定压放热过程；④ 工质在压气机和燃气轮机中向外散热很少，可以理想化为可逆绝热过程，即定熵过程；⑤ 工质为理想气体，比热容为定值。
通过上述假定，燃气轮机循环就被简化为定量工质完成的可逆的封闭循环。
该循环由定熵压缩过程（1-2）、定压加热过程（2-3）、定熵膨胀过程（3-4）和定压放热过程（4-1）四个可逆过程组成，称为燃气轮机装置的定压加热理想循环，又称布雷顿循环，其p-v 图和T-s 图如图14-2所示。
对组成布雷顿循环的各过程进行能量分析计算，可以得出其热效率如下：吸热量（2-3）：()2323T T c h h q p H -=-=放热量（4-1）：()1414T T c h h q p L -=-=按照循环热效率的定义，可得：()()23142314111T T T T T T c T T c q q p p HL t ---=---=-=η（14-1）由于1-2以及3-4是定熵过程，并且23p p =,14p p =,可得，κκκκπ111214234312--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=--==p p T T T T T T T T把上式代入式（14-1），可得，κπη11-=t （14-2）从这里可以看出，燃气轮机装置的定压加热理想循环的热效率完全取决于参数12p p =π，这一参数定义为循环增压比，并随着π的增大而增大。
动力循环_热效率计算及提高热效率的方法和途径
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让自己更加强大，更加专业，这才能 让自己 更好。2021年1月上午 2时21分21.1.202:21January 2, 2021
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这些年的努力就为了得到相应的回报 。2021年1月2日星期 六2时21分5秒02:21:052 January 2021
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科学，你是国力的灵魂；同时又是社 会发展 的标志 。上午2时21分 5秒上 午2时21分02:21:0521.1.2
忽略泵功
t
h1 h2 h1 h3
4 3
1 2
s
朗肯循环与卡诺循环比较
T 4'
9 5
4 3 8 12
1 10
6
11 7 2
对比同温限1234’ • q2相同； • q1卡诺> q1朗肯
• 卡诺> 朗肯； •等温
吸热4’1难实现
对比5678
• 卡诺< 朗肯；
• wnet卡诺< wnet 朗肯
对比9-10-11-12
吸热量： q1,RG h1 h5 h1 ha' 放热量：
q2,RG 1 h2 h2'
3
2
净功：
wRG h1 ha
热效率：
s
1 ha h2
t,RG
h1
ha
1
h1 ha'
ha
h2
为什么抽汽回热热效率提高？
T
1
教材P.256推导
6
1kg kg
t,RGa 1
•
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。02:21:0502:21: 0502:211/2/2021 2:21:05 AM
•
做一枚螺丝钉，那里需要那里上。21.1.202:21:0502:21Jan- 212-Jan-21
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
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T2
T1 k1
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T4
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T4
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T1 k
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1
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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
书P277页例10-1
§10–4 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
q1v q1m q1 p
q2 v q2 m q2 p
得 T5 T1
把T2、T3、T4和T5代入
1 t 1 1 1 1
讨论：
a) t
b) t
c) t
v1 二、定压加热理想循环 —Diesel cycle v2 v1 v3 v2 v2
二. 实际工作循环的抽象与简化
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。 （2）把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，
并认为2－3是定容加热过程，3－4是定压加热过程。
（3）略去压缩过程和膨胀过程中工质与气缸壁之间的热量 交换,近似地认为是绝热过程。
——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。
§10–2 活塞式内燃机实际循环的简化
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) 压燃式(compression ignition engine) 按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程(four-stroke )
气体而增大。
三.定容加热理想循环—Otto cycle
v1 v2
p3 p2
热效率
q1 cV T3 T2
v1 v2
q2 cV T4 T1
§10–4 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
q1v q1m q1 p
q2 v q2 m q2 p
得 T5 T1
把T2、T3、T4和T5代入
1 t 1 1 1 1
讨论：
a) t
b) t
c) t
v1 二、定压加热理想循环 —Diesel cycle v2 v1 v3 v2 v2
二. 实际工作循环的抽象与简化
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。 （2）把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，
并认为2－3是定容加热过程，3－4是定压加热过程。
（3）略去压缩过程和膨胀过程中工质与气缸壁之间的热量 交换,近似地认为是绝热过程。
——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。
§10–2 活塞式内燃机实际循环的简化
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) 压燃式(compression ignition engine) 按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程(four-stroke )
气体而增大。
三.定容加热理想循环—Otto cycle
v1 v2
p3 p2
热效率
q1 cV T3 T2
v1 v2
q2 cV T4 T1
工程热力学与传热学9)_气体动力循环PPT课件
1压缩 2-3：定容吸热 3-4：定压吸热
4-5：绝热膨胀
5-1：定容放热
三、柴油机理想循环及其热效率
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量
p
3
4
T
4 3
2
2
5
5
1 1
v
s
定义几个柴油机特性参数
p
3
2
压缩比 v1
反映 气缸
4
v2 容积
5
定容升压比
p3 p2
1 定压预胀比 v4
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。
§9-1 柴油机实际循环和理想循环
一、四冲程柴油机实际工作循环
进气
压缩 燃烧和膨胀
排气
温度370~400 K， 压力
0.07~0.09MPa
进气行程
排气门关闭
下止点 上止点
活塞
P
进气门开启
大气压力线 r a
下止点 上止点
活塞
Z P
c
大气压力线 r
作功终了：温度 1300~1600 K， 压 力0.3~0.5 MPa
示功图
b
a V
下止点 上止点
活塞
进气门关闭 排气行程
排气门打开
Z P
残余废气
c b
大气压力线 r
V 示功图
温度900~1200 K 压力 0.105~0.115 MPa
温度300-370K 压力0.0785～ 0.0932MPa
第九章 气体动力循环
动力循环研究目的和分类
动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的 热量的一部分转换成对外的净功
工程热力学第4章
28
29
4-7 理想气体过程综述
一、各种过程在p-v图和T-s图上的相对位置
定容、定压、定温和定熵（可逆绝热）四个典型过 程都可以理解为多变过程的特例。其在p-v图上和T-s图 上的斜率如下：
( n 0)
0 p v
T cp 0 T cV
30
p p n v v n
Tc Tb
考虑过程等压 c
hc hb
a
q p ha hc 面积amnca
ha hb 面积amnca
38
p-v,T-s图练习（1）
压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？
p
T
v
39
s
p-v,T-s图练习（2）
膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？
p
T
v
40
s
p-v,T-s图练习（3）
1 2
wt vdp 0
1
2
q p h wt h c
T2 p T1
T2 T1 1 Tds
2
四、Δu、 Δh、Δs和c
u c
T2 V T1
T2 T1
h c
T2 p T1
T2 T1
11
s
2
1
T2 dT cp s c p ln T T1
三、 定容过程的功量和热量
因为dv = 0，所以膨胀功为零，即
2
w pdv 0
1
注意和p-v 图对应
技术功： t vdp v( p1 p2 ) Rg (T1 T2 ) w
1
2
热量：
q Tds cV dT
29
4-7 理想气体过程综述
一、各种过程在p-v图和T-s图上的相对位置
定容、定压、定温和定熵（可逆绝热）四个典型过 程都可以理解为多变过程的特例。其在p-v图上和T-s图 上的斜率如下：
( n 0)
0 p v
T cp 0 T cV
30
p p n v v n
Tc Tb
考虑过程等压 c
hc hb
a
q p ha hc 面积amnca
ha hb 面积amnca
38
p-v,T-s图练习（1）
压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？
p
T
v
39
s
p-v,T-s图练习（2）
膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？
p
T
v
40
s
p-v,T-s图练习（3）
1 2
wt vdp 0
1
2
q p h wt h c
T2 p T1
T2 T1 1 Tds
2
四、Δu、 Δh、Δs和c
u c
T2 V T1
T2 T1
h c
T2 p T1
T2 T1
11
s
2
1
T2 dT cp s c p ln T T1
三、 定容过程的功量和热量
因为dv = 0，所以膨胀功为零，即
2
w pdv 0
1
注意和p-v 图对应
技术功： t vdp v( p1 p2 ) Rg (T1 T2 ) w
1
2
热量：
q Tds cV dT
《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。
热力循环
§4–4 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施
一.回热—regeneration
讨论
1) q1回 c p T3 T7
q2回 c p T8 T1
t,回
1 q2回 q1回
1 T2回 T1回
t
2）极限回热 q1回 c p T3 T5 q 2回 c p T6 T1
16
3）回热度—regenerator effectiveness
实际回热利用的热量
理论上极限可利用的热量 h7 h2 h4 h8
h5 h2 h4 h6
注意：π达一定值，回热不能进行 4）实际循环的回热
17
分级压缩，中间冷却—multistage compression and intervening cooling
scV 0
Sg s01' s01 1 s2'
I T0Sg
27
3.循环热效率
wnet h1 h01 1 h01 h2
or wnet 1 h1 h2 h1 h01
q1 h1 h01'
q2 1 h2 h2'
一.燃-蒸联合循环 —combination steam turbine-gas turbine cycle
燃气-蒸汽联合循环型式之一 燃气-蒸汽联合循环型式之33二
34
燃气-蒸汽联合循环型式之三——热电合供
二.程氏循环等
35
§4-9制冷循环概述
制冷循环 逆向循环 热泵循环 --reverse cycle
Siso S0 Sc 0
Siso S0 Sc 0
36
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
10气体动力循环
参数，对热效率虽然并无影响，但可以提高净功。因此可以采
用“增压”等措施来提高柴油机的净功。
(1) 在一定的λ 、ρ 条件下，压缩比ε 愈大,热效率愈高。
（2）在一定的ε 值条件下,提高定容升压比λ 和降低定压预胀 比ρ ,混合加热循环的热效率增高。 混合加热循环的热效率随压缩比ε 、定容升压比λ 的增大而增 大，随定压预胀比ρ 的减小而增大。因此，在组织燃烧过程时，应 尽可能增加定容燃烧部分的比例，减少定压部分的比例。
T 4 a 3
T1
b
1 c 2
d
T2
sa sc s
q2 T2 t 1 1 q1 T1
提高平均进热温度或降低平均放热温度的措 施,均能提高循环的热效率。
对各循环的 吸热平均温度和 放热平均温度进 行比较。从图， 根据 , q
t 1
2
q1
从而可以得出：
tv t tp
显然，在3-4（4’）的加热过程伴随膨胀过程同时进行， 因而，不同时刻加入系统的热量转换为功量的机会是不相同 的。3点加入的热量在整个膨胀过程中均有机会转换为功，而 随后加入的热量转换为功量的机会越来越少，在4 ’ 点加入的 热量转换为功的机会为零。可见ρ↑→ ηt↓。
四、定容加热理想循环和定压加热理想循环
排气过程：活塞接近下死点时，排气门开， 在压差的作用下废气流出气缸。随后，活 塞左行，将残余气体推出气缸。 重复上述过程，将热能转换为机械能。
第一节 分析动力循环的一般方法
第二节 往复式内燃机的动力循环
第三节 内燃机三种理想循环的比较及循环的 平均压力 第四节 其他气体动力循环简介
第一节:分析动力循环的一般方法
1、定容加热理想循环(汽油机的理想循环)
用“增压”等措施来提高柴油机的净功。
(1) 在一定的λ 、ρ 条件下，压缩比ε 愈大,热效率愈高。
（2）在一定的ε 值条件下,提高定容升压比λ 和降低定压预胀 比ρ ,混合加热循环的热效率增高。 混合加热循环的热效率随压缩比ε 、定容升压比λ 的增大而增 大，随定压预胀比ρ 的减小而增大。因此，在组织燃烧过程时，应 尽可能增加定容燃烧部分的比例，减少定压部分的比例。
T 4 a 3
T1
b
1 c 2
d
T2
sa sc s
q2 T2 t 1 1 q1 T1
提高平均进热温度或降低平均放热温度的措 施,均能提高循环的热效率。
对各循环的 吸热平均温度和 放热平均温度进 行比较。从图， 根据 , q
t 1
2
q1
从而可以得出：
tv t tp
显然，在3-4（4’）的加热过程伴随膨胀过程同时进行， 因而，不同时刻加入系统的热量转换为功量的机会是不相同 的。3点加入的热量在整个膨胀过程中均有机会转换为功，而 随后加入的热量转换为功量的机会越来越少，在4 ’ 点加入的 热量转换为功的机会为零。可见ρ↑→ ηt↓。
四、定容加热理想循环和定压加热理想循环
排气过程：活塞接近下死点时，排气门开， 在压差的作用下废气流出气缸。随后，活 塞左行，将残余气体推出气缸。 重复上述过程，将热能转换为机械能。
第一节 分析动力循环的一般方法
第二节 往复式内燃机的动力循环
第三节 内燃机三种理想循环的比较及循环的 平均压力 第四节 其他气体动力循环简介
第一节:分析动力循环的一般方法
1、定容加热理想循环(汽油机的理想循环)
第十一讲 气体动力循环
动力装置： 将燃料燃烧释放的能量的一部分，持续地转换 为机械能的装置。 内燃机：
直接以燃料燃烧产物作为工质。
外燃机：
用燃料燃烧产物加热工质。
第一节 分析动力循环的一般方法
简化方法： 忽略各种不可逆因素，将实际过程简化为可 逆热力过程。 意义：
可作为实际热力循环的参照标准 明确改进方向
步骤：
将循环表示在 p v 图和 各典型点的参数 分析循环的性能
（1）燃气轮机装置的理想循环：
1-2: 定熵压缩过程 3-4：定熵膨胀过程
2-3：定压加热过程 4-1：定压冷却过程
例10-2 勃雷顿循环与卡诺循环和内燃机理想循环 的比较。
w0勃雷顿 w0卡诺
t勃雷顿 t卡诺
w0勃雷顿 w0狄塞尔 w0萨巴太 w0奥托尔
t勃雷顿 t狄塞尔 t萨巴太 t奥托
1
T5 T4
1
T1 1
1
T1
有
p5 p4 p1
三、混合加热循环的能量分析和性能分析 定容过程2-3中，工质吸热量
q1V cV (T3 T2 )
定压过程的吸热量 q1 p cp (T4 T3 ) 总的吸热量：
二、理想回热循环
(1)定温压缩过程：1-2 (2)定容吸热过程：2-3 (3)定温膨胀过程：3-4 (4)定容放热过程：4-1
2.艾利克松循环
T s
图上。
第二节 往复式内燃机的动力循环
一、机械喷射式柴油机工作过程的理想化 0-1：吸气过程
压力略低于大气压力
1-2：压缩过程
前半阶段气体吸热， 后半阶段气体放热。
2-3-4-5：燃烧和 膨胀过程
直接以燃料燃烧产物作为工质。
外燃机：
用燃料燃烧产物加热工质。
第一节 分析动力循环的一般方法
简化方法： 忽略各种不可逆因素，将实际过程简化为可 逆热力过程。 意义：
可作为实际热力循环的参照标准 明确改进方向
步骤：
将循环表示在 p v 图和 各典型点的参数 分析循环的性能
（1）燃气轮机装置的理想循环：
1-2: 定熵压缩过程 3-4：定熵膨胀过程
2-3：定压加热过程 4-1：定压冷却过程
例10-2 勃雷顿循环与卡诺循环和内燃机理想循环 的比较。
w0勃雷顿 w0卡诺
t勃雷顿 t卡诺
w0勃雷顿 w0狄塞尔 w0萨巴太 w0奥托尔
t勃雷顿 t狄塞尔 t萨巴太 t奥托
1
T5 T4
1
T1 1
1
T1
有
p5 p4 p1
三、混合加热循环的能量分析和性能分析 定容过程2-3中，工质吸热量
q1V cV (T3 T2 )
定压过程的吸热量 q1 p cp (T4 T3 ) 总的吸热量：
二、理想回热循环
(1)定温压缩过程：1-2 (2)定容吸热过程：2-3 (3)定温膨胀过程：3-4 (4)定容放热过程：4-1
2.艾利克松循环
T s
图上。
第二节 往复式内燃机的动力循环
一、机械喷射式柴油机工作过程的理想化 0-1：吸气过程
压力略低于大气压力
1-2：压缩过程
前半阶段气体吸热， 后半阶段气体放热。
2-3-4-5：燃烧和 膨胀过程
第4章_气体动力循环
P 2 P s 3 s 4v 1 v
T
3
2 s 1
P s 4 v s
狄塞尔循环相当于定容升压比 = 1时的萨巴德循环
ηt,sab. 1 1 ε
k 1
λρ 1
k
( λ 1) kλ( ρ 1)
t, diesel 1
② 实际装置的工作循环是开放式的，每个工作循环后均将废气 排弃，更换新的工质 理论分析时抽象成闭式循环 燃烧过程视为对工质的加热过程 排气过程视为工质的放热过程
2012-8-19 3
§4.2 内燃机定容加热理想循环 ——奥托（Otto）循环
活塞式内燃机属往复式机器，亦称往 复式内燃机 (reciprocation internal engine) 活塞式内燃机每一工作循环包含进气、 压缩、燃烧、膨胀和排气等过程 内燃机按所用燃料分类 汽油机、柴油机、煤气机 按着火方式分 点燃式、压燃式 按完成一个循环的冲程数分 二冲程内燃机、四冲程内燃机
17
)
k 1
2012-8-19
因为
v 5 v1
1 ε
T5 T 4 (
v4 v1
)
k 1
又因
v3 v2 v4 ρ 1 v 4 5 T4 ( k 1 3 v ) T4 ( ) 5 T4 ( v1 v 3 v1 v 3
T3
② ③
⑦
P3 P2
P2 P4
定义 定容升压比 由式②、③、⑤
P3 P2 P4 P1
T2 T4 P T1 1
T3 T2
T4 T1
⑧
压缩比 和定容升压比 是奥托循环的两个特征参数
《工程热力学》第九章 气体动力循环
按定值比热计算
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 )
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 )
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2015-1-6
22
①狄塞尔循环的工作过程 P 1为进气状态 12 —— 绝热压缩过程 23 —— 定压加热过程 3-4 —— 绝热膨胀过程 4-1 —— 定容放热过程 4——废气状态，排气阀开启
T 2 P s
3
3
s
4 v 1 v
P
2 s 1 v
s
4
s
②狄塞尔循环的热效率 狄塞尔循环相当于定容升压比 = 1时的萨巴德循环
k
④ ⑤
定义
定容升压比
P3 P2
由式②、③、⑤
P3 P4 T3 T4 P2 P1 T2 T1
⑧
P3 T3 ② P2 T2 P4 T4 ③ P T1 1
压缩比 和定容升压比 是奥托循环的两个特征参数
2015-1-6 8
③奥托循环的效率(efficiency of Otto cycle) 循环的吸热量 P q1 = q23 = u23
T 3' 3 2 1 4 4' s
t,O 1
1
k 1
k 1 Rg cv
但实际工质并非定比热容理想气体 T↑→k↓ 循环热效率t,12341<t,12341 高负荷下机器的热效率下降！
（注意：教材上p.276图10-8、9及相关论述有问题）
2015-1-6
13
§4.3 内燃机混合加热理想循环
compression-ignition
柴油机属于压燃式内燃机 工作中先吸入空气 压缩至3.5~5 Mpa，600～800℃ 高压油泵喷入雾化柴油 燃烧（柴油自燃温度约335℃） 四冲程柴油示功图 柴油会有滞燃，一旦起燃却非 常迅猛，但又需有燃尽期 燃烧表现为先是接近定容 继而接近为定压过程 排气阀开启后废气迅速降压，近似为定容过程
ρk 1 t,diesel 1 k 1 k ( ρ 1)
第4章 气体动力循环
§4.1 循环分析的目的和一般方法
分析动力循环的目的是为了得到能够反映该循环特性 的规律，并评价其在热能对机械能连续转换及能量有效 利用上的工作性能。
⑴分析动力循环的一般方法
①对实际过程加以抽象和概括，将实际循环简化为理想 的可逆循环，分析其热功转换效果及影响因素 ②在理想可逆循环基础上再考虑实际循环有哪些不可逆 损失，及其产生的原因、大小和改进的办法 对于实际循环，从能量的有效利用考虑，除需要进行 热效率分析外，还应当进行熵产或可用能损失方面的分 析，以便合理评估循环的完善性
P3 T3 T2 T2 P2
由定压加热过程3-4 ①
T4 T3 ( v4 ) T3 v3
③
由定容加热过程2-3 ②
由绝热过程4-5
v 4 k 1 T5 T4 ( ) v5
2015-1-6
17
因为 v5 = v1
又因 v3 = v2
v4 ρ v3
v4 k 1 v4 v3 k 1 v v T5 T4 ( ) T4 ( ) T4 ( 3 4 ) k 1 v1 v1 v3 v1 v3
2015-1-6 4
⑴汽油机工作过程的示功图
示功图 —— 气缸中工质的压力随容 积（活塞的移动）而变化的关系图示 汽油机属点燃式(spark-ignition)内 燃机 定容燃烧汽油机示功图 四冲程汽油机示功图中 0-1 —— 吸气冲程，气体压力略低于大气压力 1-2-3—— 压缩、燃烧冲程，在2处点燃，开始燃烧 3-4 —— 膨胀作功冲程 4-1-0 ——排气冲程，在4处排气阀开启 0-1与0-1过程接近重叠 煤气机的工作过程与汽油机类似
2015-1-6 2
本课程着重于分析动力循环的能量转换效应，因而主 要讨论有关动力装置的理论循环，但有时也涉及一些实 际循环的问题
⑵对实际气体动力循环所作的理想化处理
① 实际气体动力循环中的工质有时是空气，但主要是 燃气，而且在循环的不同过程中成份不同 燃气的热物性与空气相近，理论分析中 视工质为类似于空气的某种定比热容理想气体 ② 实际装置的工作循环是开放式的，每个工作循环后 均将废气排弃，更换新的工质 理论分析时抽象成闭式循环 燃烧过程视为对工质的加热过程 排气过程视为工质的放热过程
2015-1-6
18
循环的热效率
t,sab.
q2 1 q1
T
cv (T5 T1 ) 1 cv (T3 T2 ) cp (T4 T3 ) (T5 T1 ) 1 (T3 T2 ) k (T4 T3 )
4 3P s v 2 5 s v 1 s 萨巴德循环
T 2 2 1
3
4
4 5
3
T1 ' T1
s
循环热效率t提高
2015-1-6 20
λρ k 1 ηt,sab. 1 k 1 ε ( λ 1) kλ( ρ 1) 1
保持进气状态和排气状态不变 放热平均温度将保持不变
② 压缩比不变，增大定压预胀比 由于绝热膨胀作功份额减少 且定压加热过程的吸热份额增大 循环123451 → 123451 吸热平均温度下降 循环热效率t降低
T 3 2 1 s
3
4 4 5
T1
' 1
T
预胀比 = 1时，即v3=v4 时 ——混合加热循环将成为定容加热循环
2015-1-6 21
§4.4 内燃机定压加热理想循环
——狄塞尔循环（Diesel cycle）
近代生产的一些高增压柴油机、汽车及船用高速柴油 机采用接近为定压的燃烧过程 理想化为定压加热循环——狄塞尔循环 狄塞尔循环与萨巴德循环的不同仅在于 ——加热过程完全定压， 1 1 k 1 ε ( λ 1) kλ( ρ 1) 1
ηt,sab.
v1 k 1 T2 T1 ( ) T1 k 1 ① v2 P3 T3 T2 T2 ② P2 v4 T4 T3 ( ) T3 ③ v3
ρ k 1 T5 T4 ( )
s 4
v s
奥托循环
2015-1-6
6
②奥托循环中各转折点的参数关系 由定容过程2-3和4-1，v1 v4；v2 v3
v1 v 4 v 2 v3
P 3 v s s 4 v 1
① ② ③
P3 T3 P2 T2 P4 T4 P1 T1
2
奥托循环的P-v图
定义
压缩比
v1 v2
1 ε
v4 k 1 T5 T4 ( ) v5
T5 T4 ( ) k 1
ρ
④
T 4 3P s v 2 5 s v 1 s 萨巴德循环
③萨巴德循环的热效率 循环的吸热量
q1 q23 q34 cv (T3 T2 ) cp (T4 T3 )
循环的放热量
q2 q51 cv (T5 T1 )
3
T1
3
2
1
T2
'
4 4
T2
s T3不变时压缩比 对定容加 热理想循环热效率的影响
循环热效率t,12341>t,12341 实际汽油机压缩的为汽油与空气混合成的可燃气体 为防止发生“爆燃” 一般取值 = 5～12
2015-1-6 12
②热容比k的影响 负荷增加时 进气状态1不会改变 压缩比不会改变 负荷增加要求循环吸热量q1↑ 循环12341 → 12341 循环中工质温度水平总体上提高 理论上奥托循环的热效率不会变化
④ ⑤
7
由绝热过程1-2和3-4，以及式①
v1 k v 4 k P2 P3 ( ) ( ) v2 v3 P1 P4 T2 T3 k 1 ε T1 T4
k
2015-1-6
④、⑤两式可改写为
v1 k v 4 k P2 P3 ( ) ( ) v2 v3 P1 P4 T2 T3 k 1 ε T1 T4 P2 P1 ⑥ P3 P4 T1 T2 ⑦ T4 T3
2015-1-6 5
⑵奥托循环
①奥托循环的工作过程 汽油机工作循环理想化为可逆定容加热循环 ——奥托 (Otto) 循环 P T
3
3 v 2 s 1
奥托循环由4过程组成： 1-2 ——绝热压缩过程 2-3 ——定容加热过程 3-4 ——绝热膨胀过程 4-1 ——定容放热过程
v 2 s
s 4 v 1
奥托循环
式中T1、T2分别为压缩过程的初、终态温度 ——并非循环的吸、放热温度!
2015-1-6 10
奥托循环热效率分析 k 1 ①压缩比的影响 对给定的工质热容比 k 已 知，奥托循环的热效率仅与 压缩过程的压缩比 有关 依变关系如图所示 值较小时，循环热效率 随压缩比增大会有显著增加 定容加热理想循环的t-关系曲线 （↑，t,O↑↑） 值较大时，循环热效率则随压缩比增大而增加较少 （↑，t,O ↑）
3
工质视为定比热容理想气体 q1 = cv(T3 T2) 循环的放热量 q2 =q41 = u41
= cv(T4 T1) 循环的热效率
t,O
2015-1-6
v 2 s
s 4 v 1
奥托循环
T4 1) cv (T4 T1 ) q2 (T4 T1 ) T1 1 1 1 1 T3 q1 cv (T3 T2 ) (T3 T2 ) T2 ( 1) T2 T1 (
9
由式⑧
t,O
T1 1 T2
T3 T4 T2 T1
⑧
t,O
T4 T1 ( 1) T1 1 T3 T2 ( 1) T2
P 3 v 2 s s 4 v 1
由式⑤
1 ε k 1
t,O
ε
T1 T2
k 1