工程热力学__第五章气体动力循环
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第五章 气体动力循环
Gas Power Cycle
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 研究目的：合理安排循环，提高热效率
气体动力循环：内燃机
按工质 空气为主的燃气 按理想气体处理 蒸汽动力循环：外燃机 水蒸气等 实际气体
气体动力循环分类
1
5 1
注意：
图示的研究方法 不必记忆 t 的复杂式
1.5 2 3
v
柴油机与汽油机动力循环图示
p
3 2 5 4
p
3 2
1
4 v
1 柴油机，压燃式
1
汽油机，点燃式
v
定容加热循环（奥图OTTO循环)
p 3 2 4 1 1 T 2 3 4
v
sHale Waihona Puke Baidu
定容加热循环的计算
吸热量 放热量 热效率
1
t
t 1
1
k 1
k
汽油易爆燃 一般汽油机
5 10 柴油机 14 21
但汽油机小巧
一般柴油机效率高于汽油机的效率
柴油机与低速柴油机循环图示
p 3 2 5 1 v 4
p 2
1
3
4 v 低速柴油机，压燃式 1
柴油机，压燃式
定压加热循环（狄塞尔Diesel循环)
4 5
p5 T4 T1 k T1 p1
k
1 t 1 k 1 1 k 1
s
各因素对混合加热循环的影响
k 1 t 1 k 1 1 k 1
不变 1、当 、
w q1 q2 q2 T4 T1 t 1 1 q1 q1 q1 T3 T2
s
勃雷登循环热效率的计算
T4 T1 1 T4 T1 T1 t 1 1 T3 T2 T3 T2 1 T2
热效率：
T3 p3 T4 p4
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
h2 h1
c
s
燃气轮机的实际循环的热效率
热效率 T
oi
' t ' 净 ' 1
w 1 1 q k 1 c k 1
2
3
压气机 Compressor 1
理想化： 1）工质：数量不变，定比热理想气体
T-s and P-v diagrams for the ideal Brayton Cycle
p
2 1 3 4
T
2 1
3 4
v
s
勃雷登循环的计算
吸热量：
q1 cp T3 T2
放热量：
T
2 1
3
4
q2 cp T4 T1 热效率：
1 k k 1 c pT1 k k 1
T
2 1
3 4
定义： 循环增温比
T3 T1
s
对净功的影响
1 k k 1 k k w净 c pT1 1 T
当
不变
T3 T1
3’
3
4 4’
4
2 2’
p0 0 5 1’ 1 V
理想混合加热循环（萨巴德循环） (Sabathe) Dual cycle
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量 p T
3 2 5 1 4 4 5
3
2 1
v
s
理想混合加热循环的计算
吸热量
T
3 2
4 5
q1 cv T3 T2 cp T4 T3
k 1
4
T1
k 1
5
p3 T3 T2 T1 k 1 p2
v4 T4 T3 T1 k 1 v3
s
理想混合加热循环的计算
热效率
T5 T1 t 1 T3 T2 k T4 T3
v4 T5 v5
k 1
T
3
2 1
当 不变 当 不变
t
t
1.5 2 2.5
活塞式内燃机循环比较
比较的条件 压缩比 反映气缸结构尺寸、工艺材料
吸热量 q1 反映作功量（马力） 最高压力 pmax 反映材料耐压、壁厚、成本 最高压力 Tmax 反映材料耐温
比较的对象：混合加热，定容加热，定压加热
w净
1
2
不变 1
t 1
k 1 k
但T3 受材料耐热限制
s
对净功的影响
1 k k 1 k k w净 c pT1 1 T
当
不变 太小 t 太大 t
1
T3 T1
w净 w净 w净最大
T1
T3
存在最佳 ，使
1 p2 p1
k 1 k
1
1
k 1 k
T
2 1
3 4
p2 定义：压比 p1 Pressure ratio
t
k
t
s
勃雷登循环净功的计算
w净 c p T3 T2 c p T4 T1 T3 T4 T2 c pT1 1 T1 T1 T1
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
煤油机 kerosene oil engine 航空
气体动力循环分类
按点燃方式： 点燃式 spark ignition 压燃式 compression ignition 按冲程数： 二冲程 two-stroke 四冲程 four-stroke
动力循环研究方法
实际动力循环非常复杂 不可逆，多变指数变化，燃烧等 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。
s
pmax和 q1 相同
q2 t 1 q1
T 2p 2m 2v 1
3p 3m 3v 4m 4v
q2p q2m q2v
4p
tp tm tv
s
斯特林（Stirling)循环
加热器 回热器 冷却器
热气室
冷气室
1-2 T 压缩 2-3 V 吸热 3-4 T 膨胀 A B
4-1 V 放热
t
k 1.4 k 1.3 k 1.2
k
t
受气缸材料限制 一般柴油机 14 21
潜艇用氦气，k=1.66
各因素对混合加热循环的影响
1 t 1 k 1 1 k 1
k
p
2、当 不变
t
3 2
4
t t
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
反映气 缸容积
2
5 1
p3 定容增压比 p2
v
v4 预胀比 v3 Cutoff ratio
反映供 油规律
理想混合加热循环的计算
热效率
T5 T1 t 1 T3 T2 k T4 T3
v4 p3 v1 p2 v3 v2
T
3 2 1
v1 T2 T1 v2
t2’=600~800℃ p0
2’
柴油自燃t=335℃ Autoiginition 2’ 喷柴油 2 开始燃烧 2—3 迅速燃烧，近似 p↑5~9MPa V
0
1V
四冲程高速柴油机工作过程
p 3
3—4 边喷油，边膨胀 近似 p 膨胀
4
t4可达1700~1800℃
4 停止喷柴油 4—5 多变膨胀 p5=0.3~0.5MPa t5500℃ 降压
k 1
T3 T4
T 2
3 4
T4 T1 1 T1 1 T1 1 1 1 k 1 T2 T3 v1 T2 1 T2 v
2
1
s
1
1
k 1
定容加热循环的计算
k 1 t 1 k 1 1 k 1
t 1
k 1 k
s
最佳增压比 opt （w净）的求解
1 k k 1 k k w净 c pT1 1 T
令
w净 0
opt ( w净 )
k 2( k 1)
T3
最大循环净功
wopt c pT1
1
2
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
活塞式内燃机动力循环
一、四冲程高速柴油机（混合加热循环）
空气 Intake valve 油 废气 Exhaust valve
吸气 Intake
压缩 Compression
膨胀 Expansion
排气 Exhaust
四冲程高速柴油机工作过程
p 3
0—1 吸空气 1—2’ 多变压缩 一般n=1.34~1.37 2 p2’=3~5MPa
放热量
q2 cv T5 T1
蜒 q w
1
s
T5 T1 q2 w q1 q2 1 1 热效率 t q1 T3 T2 k T4 T3 q1 q1
定义几个指标性参数
p
3 Compression ratio 压缩比 4
v1 v2
活塞式 按结构 piston engine 汽车，摩托，小型轮船
叶轮式
Gas turbine cycle 航空，大型轮船，移动电站 联合循环的顶循环
气体动力循环分类
汽油机 petrol (gasoline) engine 小型汽车，摩托
按燃料
柴油机diesel engine
中、大型汽车，火车，轮船， 移动电站
2 2’
p0 0 5 1’ 1 V
5—1’ 开阀排气， V
1’—0 活塞推排气,完成循环
四冲程高速柴油机的理想化
p 3
1. 工质 定比热理想气体 工质数量不变 P-V图p-v图 2. 0-1和1’ -0抵消 开口闭口循环 3. 燃烧外界加热 4. 排气向外界放热 5. 多变绝热 6. 不可逆可逆
斯特林循环图示
概括性卡诺循环
p 3 2
T
核潜艇，制冷
3 4 1
s
4
1
2 v
勃雷登循环（Brayton Cycle）
用途：
航空发动机 尖峰电站
移动电站
大型轮船
联合循环的顶循环
勃雷登循环示意图和理想化
燃烧室 Combustion chamber 燃气轮机 Turbine 4
2）闭口 循环 3）可逆过程
和 q1 相同
q2 t 1 q1
T 2 4v 1 s 3v 3
m
q2v q2m q2p
3p 4p
4m
tv tm tp
平均温度法
pmax 和 Tmax 相同
q2 t 1 q1
T
2p 2m 2v 1
3 4
q2 相等
q1p q1m q1v
tp tm tv
w q1 q2 q2 T4 T1 t 1 1 q1 q1 q1 T3 T2
q1 cv T3 T2 T q2 cv T4 T1
2
3 4
1
s
定容加热循环的计算
热效率
T4 T1 t 1 T3 T2
T2 v1 T1 v2
k 1 k
1
3 2 1
2’
4’
c
4
s
影响燃气机实际循环热效率的因素
' c w ' 净 t ' 1 1 q1 k 1 c k 1 k 1 k
oi
1
· · · ·
c oi ' t 一定， ' 一定，有最佳 opt t ' opt t 右移
Gas Power Cycle
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 研究目的：合理安排循环，提高热效率
气体动力循环：内燃机
按工质 空气为主的燃气 按理想气体处理 蒸汽动力循环：外燃机 水蒸气等 实际气体
气体动力循环分类
1
5 1
注意：
图示的研究方法 不必记忆 t 的复杂式
1.5 2 3
v
柴油机与汽油机动力循环图示
p
3 2 5 4
p
3 2
1
4 v
1 柴油机，压燃式
1
汽油机，点燃式
v
定容加热循环（奥图OTTO循环)
p 3 2 4 1 1 T 2 3 4
v
sHale Waihona Puke Baidu
定容加热循环的计算
吸热量 放热量 热效率
1
t
t 1
1
k 1
k
汽油易爆燃 一般汽油机
5 10 柴油机 14 21
但汽油机小巧
一般柴油机效率高于汽油机的效率
柴油机与低速柴油机循环图示
p 3 2 5 1 v 4
p 2
1
3
4 v 低速柴油机，压燃式 1
柴油机，压燃式
定压加热循环（狄塞尔Diesel循环)
4 5
p5 T4 T1 k T1 p1
k
1 t 1 k 1 1 k 1
s
各因素对混合加热循环的影响
k 1 t 1 k 1 1 k 1
不变 1、当 、
w q1 q2 q2 T4 T1 t 1 1 q1 q1 q1 T3 T2
s
勃雷登循环热效率的计算
T4 T1 1 T4 T1 T1 t 1 1 T3 T2 T3 T2 1 T2
热效率：
T3 p3 T4 p4
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
h2 h1
c
s
燃气轮机的实际循环的热效率
热效率 T
oi
' t ' 净 ' 1
w 1 1 q k 1 c k 1
2
3
压气机 Compressor 1
理想化： 1）工质：数量不变，定比热理想气体
T-s and P-v diagrams for the ideal Brayton Cycle
p
2 1 3 4
T
2 1
3 4
v
s
勃雷登循环的计算
吸热量：
q1 cp T3 T2
放热量：
T
2 1
3
4
q2 cp T4 T1 热效率：
1 k k 1 c pT1 k k 1
T
2 1
3 4
定义： 循环增温比
T3 T1
s
对净功的影响
1 k k 1 k k w净 c pT1 1 T
当
不变
T3 T1
3’
3
4 4’
4
2 2’
p0 0 5 1’ 1 V
理想混合加热循环（萨巴德循环） (Sabathe) Dual cycle
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量 p T
3 2 5 1 4 4 5
3
2 1
v
s
理想混合加热循环的计算
吸热量
T
3 2
4 5
q1 cv T3 T2 cp T4 T3
k 1
4
T1
k 1
5
p3 T3 T2 T1 k 1 p2
v4 T4 T3 T1 k 1 v3
s
理想混合加热循环的计算
热效率
T5 T1 t 1 T3 T2 k T4 T3
v4 T5 v5
k 1
T
3
2 1
当 不变 当 不变
t
t
1.5 2 2.5
活塞式内燃机循环比较
比较的条件 压缩比 反映气缸结构尺寸、工艺材料
吸热量 q1 反映作功量（马力） 最高压力 pmax 反映材料耐压、壁厚、成本 最高压力 Tmax 反映材料耐温
比较的对象：混合加热，定容加热，定压加热
w净
1
2
不变 1
t 1
k 1 k
但T3 受材料耐热限制
s
对净功的影响
1 k k 1 k k w净 c pT1 1 T
当
不变 太小 t 太大 t
1
T3 T1
w净 w净 w净最大
T1
T3
存在最佳 ，使
1 p2 p1
k 1 k
1
1
k 1 k
T
2 1
3 4
p2 定义：压比 p1 Pressure ratio
t
k
t
s
勃雷登循环净功的计算
w净 c p T3 T2 c p T4 T1 T3 T4 T2 c pT1 1 T1 T1 T1
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
煤油机 kerosene oil engine 航空
气体动力循环分类
按点燃方式： 点燃式 spark ignition 压燃式 compression ignition 按冲程数： 二冲程 two-stroke 四冲程 four-stroke
动力循环研究方法
实际动力循环非常复杂 不可逆，多变指数变化，燃烧等 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。
s
pmax和 q1 相同
q2 t 1 q1
T 2p 2m 2v 1
3p 3m 3v 4m 4v
q2p q2m q2v
4p
tp tm tv
s
斯特林（Stirling)循环
加热器 回热器 冷却器
热气室
冷气室
1-2 T 压缩 2-3 V 吸热 3-4 T 膨胀 A B
4-1 V 放热
t
k 1.4 k 1.3 k 1.2
k
t
受气缸材料限制 一般柴油机 14 21
潜艇用氦气，k=1.66
各因素对混合加热循环的影响
1 t 1 k 1 1 k 1
k
p
2、当 不变
t
3 2
4
t t
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
反映气 缸容积
2
5 1
p3 定容增压比 p2
v
v4 预胀比 v3 Cutoff ratio
反映供 油规律
理想混合加热循环的计算
热效率
T5 T1 t 1 T3 T2 k T4 T3
v4 p3 v1 p2 v3 v2
T
3 2 1
v1 T2 T1 v2
t2’=600~800℃ p0
2’
柴油自燃t=335℃ Autoiginition 2’ 喷柴油 2 开始燃烧 2—3 迅速燃烧，近似 p↑5~9MPa V
0
1V
四冲程高速柴油机工作过程
p 3
3—4 边喷油，边膨胀 近似 p 膨胀
4
t4可达1700~1800℃
4 停止喷柴油 4—5 多变膨胀 p5=0.3~0.5MPa t5500℃ 降压
k 1
T3 T4
T 2
3 4
T4 T1 1 T1 1 T1 1 1 1 k 1 T2 T3 v1 T2 1 T2 v
2
1
s
1
1
k 1
定容加热循环的计算
k 1 t 1 k 1 1 k 1
t 1
k 1 k
s
最佳增压比 opt （w净）的求解
1 k k 1 k k w净 c pT1 1 T
令
w净 0
opt ( w净 )
k 2( k 1)
T3
最大循环净功
wopt c pT1
1
2
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
活塞式内燃机动力循环
一、四冲程高速柴油机（混合加热循环）
空气 Intake valve 油 废气 Exhaust valve
吸气 Intake
压缩 Compression
膨胀 Expansion
排气 Exhaust
四冲程高速柴油机工作过程
p 3
0—1 吸空气 1—2’ 多变压缩 一般n=1.34~1.37 2 p2’=3~5MPa
放热量
q2 cv T5 T1
蜒 q w
1
s
T5 T1 q2 w q1 q2 1 1 热效率 t q1 T3 T2 k T4 T3 q1 q1
定义几个指标性参数
p
3 Compression ratio 压缩比 4
v1 v2
活塞式 按结构 piston engine 汽车，摩托，小型轮船
叶轮式
Gas turbine cycle 航空，大型轮船，移动电站 联合循环的顶循环
气体动力循环分类
汽油机 petrol (gasoline) engine 小型汽车，摩托
按燃料
柴油机diesel engine
中、大型汽车，火车，轮船， 移动电站
2 2’
p0 0 5 1’ 1 V
5—1’ 开阀排气， V
1’—0 活塞推排气,完成循环
四冲程高速柴油机的理想化
p 3
1. 工质 定比热理想气体 工质数量不变 P-V图p-v图 2. 0-1和1’ -0抵消 开口闭口循环 3. 燃烧外界加热 4. 排气向外界放热 5. 多变绝热 6. 不可逆可逆
斯特林循环图示
概括性卡诺循环
p 3 2
T
核潜艇，制冷
3 4 1
s
4
1
2 v
勃雷登循环（Brayton Cycle）
用途：
航空发动机 尖峰电站
移动电站
大型轮船
联合循环的顶循环
勃雷登循环示意图和理想化
燃烧室 Combustion chamber 燃气轮机 Turbine 4
2）闭口 循环 3）可逆过程
和 q1 相同
q2 t 1 q1
T 2 4v 1 s 3v 3
m
q2v q2m q2p
3p 4p
4m
tv tm tp
平均温度法
pmax 和 Tmax 相同
q2 t 1 q1
T
2p 2m 2v 1
3 4
q2 相等
q1p q1m q1v
tp tm tv
w q1 q2 q2 T4 T1 t 1 1 q1 q1 q1 T3 T2
q1 cv T3 T2 T q2 cv T4 T1
2
3 4
1
s
定容加热循环的计算
热效率
T4 T1 t 1 T3 T2
T2 v1 T1 v2
k 1 k
1
3 2 1
2’
4’
c
4
s
影响燃气机实际循环热效率的因素
' c w ' 净 t ' 1 1 q1 k 1 c k 1 k 1 k
oi
1
· · · ·
c oi ' t 一定， ' 一定，有最佳 opt t ' opt t 右移