工程热力学第9章
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T
.
3v
3 2
1
. .
.
4v
..
4 5
2p
3p
. . .q
或
Biblioteka Baidu
4p
q2v
q2m
O
q1v q1m q1 p
q2v q2m q2 p
s
tv tm tp
T 2 p T 2m T 2v
T 1 p T 1m T 1v
23
二、循环 pmax、Tmax 相同时的比较
T
熵分析法 㶲分析法
熵产
㶲损
作功能力损失
㶲效率
6
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
1．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)
29
运用空气标准假设简化
▲ 工质→空气，理想气体状态，定比热容 ▲ 压缩、膨胀等熵过程 ▲ 燃烧等压吸热；排气→定压放热 ▲ 燃油质量忽略 ▲ 燃气成分改变忽略 闭式定压加热循环
30
二、定压加热理想循环 （constant-pressure combustion cycle, Brayton cycle）
9-7 提高燃气轮机装置循环热效率的热力学措施
9-8 喷气发动机及其他气体动力循环简介
4
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
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）
抽象、简化
可逆理论循环
分析可逆循环
33
Tm1
Tm2不变
b) t
Tm1 Tm2不变
c) t
Tm1 Tm2不变
归纳：
（1）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。
（2）利用T - s图分析循环较方便。
（3）同时考虑 q1和 q2 或平均T1m 和T2m。
17
三、定压加热理想循环(Diesel cycle)
1-2 等熵压缩（压气机内）
p2 p1
2
.
.
.
3
循环增压比（pressure ratio） 2-3 定压吸热（燃烧室内）
T3 T1
1
. . .
4
循环增温比（temperature ratio） 3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）
2
3
4-1 定压放热（排气，假想换热器）
1
. .
4
31
三、定压加热理想循环分析
O
s
18
讨论：
a) q2不变，q1增大
t wnet
b)
t wnet
T
2’
2
. . .
q1’ - q1
. . . . .
3’ 3
3‖
4‖
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。
19
四、定容加热理想循环 (Otto cycle)
4
O
T
3 2
1
. .
.
. . v . .
s
5
1 4
45 等熵膨胀； 特性参数： 51 定容放热
压缩比(compression ratio) 定容增压比(pressure ratio)
v1 v2
p3 p2
5
定压预胀比(cutoff ratio)
O
v4 v3
2. 循环热效率
wnet t q1
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 T5 T1 p1
v1 v5
T5 T1
T2、T3、T4和T5代入
一、燃气轮机(gas turbine)装置简介
小型燃气轮机
25
26
27
主要构成
压气机(compressor) 燃气轮机(gas turbine) 燃烧室(combustion chamber)
28
特点：
1. 开式循环(open cycle)，
工质流动；
2. 运转平稳，连续输出功；
3.启动快，达满负荷快； 4. 压气机消耗了燃气轮机产生功率的绝大部分，但 功率重量比(specific weight of engine)仍较大。 用途 飞机、舰船动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set) 等。
a) t
b） t 与循环最高温度 T3 无关 c）π一定
q1 t
wnet
t 不变
？
？
考察：循环123’4’1 = 循环12341 + 循环433’4’4 布雷顿循环 布雷顿循环 π = p2 / p1 π = p2 / p1 1 t 1 1 循环123’4’1热效率等于循环12341
排气5-1等容放热 吸、排气线重合、忽略 燃油质量忽略
o
Vc
V
燃气成分改变忽略
12
以空气为工质的定比热容内可逆闭式循环
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；
列举标准空气假设主要内容及在活塞式内燃机和燃气轮机动 力装置简化过程中应用；
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；
描述燃气轮机装置定压加热理想循环构成，计算热效率及 利用 T s 图进行循环分析； 计算燃气轮机装置实际循环热效率，说明气轮机的相对内 效率，回热和回热度等概念并分析计算回热基础上分级压缩和 级间冷却循环的参数；
1. 热效率ηt
q1 h3 h2 c p
q2 h4 h1 c p
t3 t2
T3 T2 cp T3 T2
t4 t1
T4 T1 c p T4 T1
T4 T1 q2 t 1 1 T3 T2 q1
p4 T4 T3 p 3 p1 T1 T2 p 2
1
1
p4 p1
T4 T1 T T T 4 1 1 p3 p 2 T3 T2 T3 T2 T2
注意：式中T1、T2并非指高温 热源，低温热源。
32
T1 1 t 1 1 T2 1
2. 分析
T1 1 t 1 1 T2 1
21
讨论：
a) t
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 4
3‖
4‖
1
O
22
s
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
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 空气 定比热
燃烧和排气过程
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 2. 活塞式内燃机循环简化 以汽油机为例
10
9–3 活塞式内燃机的理想循环
或
wnet qnet q1 q2
q1 q23 q34 cV T3 T2 c p T4 T3
q2 q51 cV T5 T1
14
T5 T1 q2 t 1 1 q1 T3 T2 T4 T3
按冲程：二冲程(two-stroke )
四冲程(four-stroke )
7
2 ．活塞式内燃机循环特点
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。
8
3. 平均有效压力(mean effective pressure)
pMEP
Wnet Vh
0
wnet w12 w23 w34 w45 w51 w12 w34 w45
1 1 Rg Rg p2 p5 T1 1 p3 v4 v3 T4 1 1 p1 1 p4
一、混合加热内燃机工作原理
p
3
. 2.
.4
01 12 吸气 压缩
23
0
喷油、定容燃烧
定压燃烧
.5 .1
Vh
34
o
45
Vc
膨胀作功
排气
11
V
50
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
比较各理想循环并归纳提高气体循环热效率的热力学措施。
教学参考资料：工程热力学(第五版)
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 燃气轮机装置定压加热的实际循环
T5 T1 1 t 1 t 1 1 T3 T2 T4 T3 1 1 16
讨论：
2’ 2
4’ . .. . . .. . . . . 1.
3’ 3‖ 4 5 3
4‖
a) t
Tmax
2’ 2
2‖ 1
. . . . . q
3
. .
2
4
pmax
q2 p q2m q2v q1 p q2m q2v
t,p t,m t,v
或
5
T 2 p T 2m T 2v
s
O
T 1 p T 1m T 1v
例A470299 例A447277
24
9-5 燃气轮机装置循环
利用 、、 表示
t
1
1 2
v1 T2 T1 v2
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
?
15
p1v1 p2v2 ； p5 v5 p4v4
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
q1 c p T3 T2
T4 T1 t 1 T3 T2 1 t 1 1 1 1 1 1 t 1 1 1
第9章开篇
第九章 气体动力循环
gas power cycles
★ ―既生瑜何生亮” ——汽油机柴油机能共生、发展吗？ ★ 燃气轮机动力装置的压 气机消耗了气轮机产生功 的大部分（60%以上），
?
压气机分级压缩中间冷却
可减少耗功，燃气轮机装 置采用分级压缩中间冷却 可以提高循环热效率！
?
1
第9 章
本章学习目标
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
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(主要由专业课承担)
5
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。
2. 第二定律分析法
v1 v2
p3 p2
20
v1 v2 p3 p2
q1 cV T3 T2
q2 cV T4 T1
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
1 1 1 t 1 1 1 1 1 1
.
3v
3 2
1
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2p
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或
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4p
q2v
q2m
O
q1v q1m q1 p
q2v q2m q2 p
s
tv tm tp
T 2 p T 2m T 2v
T 1 p T 1m T 1v
23
二、循环 pmax、Tmax 相同时的比较
T
熵分析法 㶲分析法
熵产
㶲损
作功能力损失
㶲效率
6
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
1．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)
29
运用空气标准假设简化
▲ 工质→空气，理想气体状态，定比热容 ▲ 压缩、膨胀等熵过程 ▲ 燃烧等压吸热；排气→定压放热 ▲ 燃油质量忽略 ▲ 燃气成分改变忽略 闭式定压加热循环
30
二、定压加热理想循环 （constant-pressure combustion cycle, Brayton cycle）
9-7 提高燃气轮机装置循环热效率的热力学措施
9-8 喷气发动机及其他气体动力循环简介
4
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
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）
抽象、简化
可逆理论循环
分析可逆循环
33
Tm1
Tm2不变
b) t
Tm1 Tm2不变
c) t
Tm1 Tm2不变
归纳：
（1）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。
（2）利用T - s图分析循环较方便。
（3）同时考虑 q1和 q2 或平均T1m 和T2m。
17
三、定压加热理想循环(Diesel cycle)
1-2 等熵压缩（压气机内）
p2 p1
2
.
.
.
3
循环增压比（pressure ratio） 2-3 定压吸热（燃烧室内）
T3 T1
1
. . .
4
循环增温比（temperature ratio） 3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）
2
3
4-1 定压放热（排气，假想换热器）
1
. .
4
31
三、定压加热理想循环分析
O
s
18
讨论：
a) q2不变，q1增大
t wnet
b)
t wnet
T
2’
2
. . .
q1’ - q1
. . . . .
3’ 3
3‖
4‖
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。
19
四、定容加热理想循环 (Otto cycle)
4
O
T
3 2
1
. .
.
. . v . .
s
5
1 4
45 等熵膨胀； 特性参数： 51 定容放热
压缩比(compression ratio) 定容增压比(pressure ratio)
v1 v2
p3 p2
5
定压预胀比(cutoff ratio)
O
v4 v3
2. 循环热效率
wnet t q1
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 T5 T1 p1
v1 v5
T5 T1
T2、T3、T4和T5代入
一、燃气轮机(gas turbine)装置简介
小型燃气轮机
25
26
27
主要构成
压气机(compressor) 燃气轮机(gas turbine) 燃烧室(combustion chamber)
28
特点：
1. 开式循环(open cycle)，
工质流动；
2. 运转平稳，连续输出功；
3.启动快，达满负荷快； 4. 压气机消耗了燃气轮机产生功率的绝大部分，但 功率重量比(specific weight of engine)仍较大。 用途 飞机、舰船动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set) 等。
a) t
b） t 与循环最高温度 T3 无关 c）π一定
q1 t
wnet
t 不变
？
？
考察：循环123’4’1 = 循环12341 + 循环433’4’4 布雷顿循环 布雷顿循环 π = p2 / p1 π = p2 / p1 1 t 1 1 循环123’4’1热效率等于循环12341
排气5-1等容放热 吸、排气线重合、忽略 燃油质量忽略
o
Vc
V
燃气成分改变忽略
12
以空气为工质的定比热容内可逆闭式循环
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；
列举标准空气假设主要内容及在活塞式内燃机和燃气轮机动 力装置简化过程中应用；
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；
描述燃气轮机装置定压加热理想循环构成，计算热效率及 利用 T s 图进行循环分析； 计算燃气轮机装置实际循环热效率，说明气轮机的相对内 效率，回热和回热度等概念并分析计算回热基础上分级压缩和 级间冷却循环的参数；
1. 热效率ηt
q1 h3 h2 c p
q2 h4 h1 c p
t3 t2
T3 T2 cp T3 T2
t4 t1
T4 T1 c p T4 T1
T4 T1 q2 t 1 1 T3 T2 q1
p4 T4 T3 p 3 p1 T1 T2 p 2
1
1
p4 p1
T4 T1 T T T 4 1 1 p3 p 2 T3 T2 T3 T2 T2
注意：式中T1、T2并非指高温 热源，低温热源。
32
T1 1 t 1 1 T2 1
2. 分析
T1 1 t 1 1 T2 1
21
讨论：
a) t
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 4
3‖
4‖
1
O
22
s
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
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 空气 定比热
燃烧和排气过程
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 2. 活塞式内燃机循环简化 以汽油机为例
10
9–3 活塞式内燃机的理想循环
或
wnet qnet q1 q2
q1 q23 q34 cV T3 T2 c p T4 T3
q2 q51 cV T5 T1
14
T5 T1 q2 t 1 1 q1 T3 T2 T4 T3
按冲程：二冲程(two-stroke )
四冲程(four-stroke )
7
2 ．活塞式内燃机循环特点
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。
8
3. 平均有效压力(mean effective pressure)
pMEP
Wnet Vh
0
wnet w12 w23 w34 w45 w51 w12 w34 w45
1 1 Rg Rg p2 p5 T1 1 p3 v4 v3 T4 1 1 p1 1 p4
一、混合加热内燃机工作原理
p
3
. 2.
.4
01 12 吸气 压缩
23
0
喷油、定容燃烧
定压燃烧
.5 .1
Vh
34
o
45
Vc
膨胀作功
排气
11
V
50
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
比较各理想循环并归纳提高气体循环热效率的热力学措施。
教学参考资料：工程热力学(第五版)
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 燃气轮机装置定压加热的实际循环
T5 T1 1 t 1 t 1 1 T3 T2 T4 T3 1 1 16
讨论：
2’ 2
4’ . .. . . .. . . . . 1.
3’ 3‖ 4 5 3
4‖
a) t
Tmax
2’ 2
2‖ 1
. . . . . q
3
. .
2
4
pmax
q2 p q2m q2v q1 p q2m q2v
t,p t,m t,v
或
5
T 2 p T 2m T 2v
s
O
T 1 p T 1m T 1v
例A470299 例A447277
24
9-5 燃气轮机装置循环
利用 、、 表示
t
1
1 2
v1 T2 T1 v2
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
?
15
p1v1 p2v2 ； p5 v5 p4v4
p 2
.
.
3
特性参数：
T
.
2
3
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O
4
1
v
v1 v2 v3 v2
. .
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4
1
q2 cV T4 T1
q2 t 1 q1
q1 c p T3 T2
T4 T1 t 1 T3 T2 1 t 1 1 1 1 1 1 t 1 1 1
第9章开篇
第九章 气体动力循环
gas power cycles
★ ―既生瑜何生亮” ——汽油机柴油机能共生、发展吗？ ★ 燃气轮机动力装置的压 气机消耗了气轮机产生功 的大部分（60%以上），
?
压气机分级压缩中间冷却
可减少耗功，燃气轮机装 置采用分级压缩中间冷却 可以提高循环热效率！
?
1
第9 章
本章学习目标
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
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(主要由专业课承担)
5
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。
2. 第二定律分析法
v1 v2
p3 p2
20
v1 v2 p3 p2
q1 cV T3 T2
q2 cV T4 T1
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
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