工程热力学 第九章 气体动力循环
第九章工程热力学思考题答案
第九章气体动力循环1、从热力学理论瞧为什么混合加热理想循环的热效率随压缩比ε与定容增压比λ的增大而提高,随定压预胀比ρ的增大而降低？答:因为随着压缩比ε与定容增压比λ的增大循环平均吸热温度提高,而循环平均放热温度不变,故混合加热循环的热效率随压缩比ε与定容增压比λ的增大而提高。
混合加热循环的热效率随定压预胀比ρ的增大而减低,这时因为定容线比定压线陡,故加大定压加热份额造成循环平均吸热温度增大不如循环平均放热温度增大快,故热效率反而降低。
2、从内燃机循环的分析、比较发现各种理想循环在加热前都有绝热压缩过程,这就是否就是必然的？答:不就是必然的,例如斯特林循环就没有绝热压缩过程。
对于一般的内燃机来说,工质在气缸内压缩,由于内燃机的转速非常高,压缩过程在极短时间内完成,缸内又没有很好的冷却设备,所以一般都认为缸内进行的就是绝热压缩。
3、卡诺定理指出两个热源之间工作的热机以卡诺机的热效率最高,为什么斯特林循环的热效率可以与卡诺循环的热效率一样？答:卡诺定理的内容就是:在相同温度的高温热源与相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环,其热效率都相同,与可逆循环的种类无关,与采用哪一种工质无关。
定理二:在温度同为T1的热源与同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环,其热效率必小于可逆循环。
由这两条定理知,在两个恒温热源间,卡诺循环比一切不可逆循环的效率都高,但就是斯特林循环也可以做到可逆循环,因此斯特林循环的热效率可以与卡诺循环一样高。
4、根据卡诺定理与卡诺循环,热源温度越高,循环热效率越大,燃气轮机装置工作为什么要用二次冷却空气与高温燃气混合,使混合气体降低温度,再进入燃气轮机？答:这就是因为高温燃气的温度过高,燃气轮机的叶片无法承受这么高的温度,所以为了保护燃气轮机要将燃气降低温度后再引入装置工作。
同时加入大量二次空气,大大增加了燃气的流量,这可以增加燃气轮机的做功量。
5、卡诺定理指出热源温度越高循环热效率越高。
沈维道《工程热力学》(第4版)名校考研真题(第9~13章)【圣才出品】
解：回热是指，在保持构成循环的热力过程性质不变的条件下，利用循环中某些放热过 程的放热量来满足另一些吸热过程的吸热需要的措施。从热力学的角度来说，循环输出的净 功不变，但是回热的措施使循环从外界高温热源的吸热量减少，向低温热源的放热量也减少， 因而可以提高循环的热效率。
（1）若全部都是可逆过程，试求：每千克燃气在气轮机中所做的功 wT；燃气轮机Ⅱ的 质量流量 qm，B；压力机压缩每千克空气所消耗的功 wC；燃气轮机Ⅰ的质量流量 qm,A；每
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分钟气体工质分别从两燃烧室吸收的热量 QA 和 QB；⑥整个装置的热效率ηt。 （2）若压气机的绝热效率ηC=0.85，试求：压缩每千克空气时，做功能力损失是多少？ 此时整个装置的热效率又为多少？
实际的燃气轮机Ⅰ中的气体的质量流量为：
2．综观蒸汽动力循环、燃气轮机循环、内燃机循环以及其他动力循环，请分析归纳转 换为机械能的必要条件或基本规律？[天津大学 2005 研]
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解：动力循环工作过程的一般规律是任何动力循环都是以消耗热能为代价， 以作功为目的。但是为了达到这个目的，首先必须以升压造成压差为前提，否则消耗的热能 再多，倘若没有必要的压差条件，仍是无法利用膨胀转变为动力。由此可见，压差的存在与 否是热能转化为机械能的先决条件，它也为拉开平均吸、放热温度创造了条件。其次还必须 以放热为基础，否则将违背热力学第二定律。总之，升压是前提，加热是手段，作功是目的， 放热是基础。
工程热力学培训之气体动力循环
为了简化计算，理想循环假设没有任何摩擦、泄露、热损失或其它形式的能量损 失。因此，理想循环效率是一个理论上的最大值，实际循环效率通常会低于这个 值。
实际循环效率与损失分析
实际循环效率
实际气体动力循环过程中，由于各种原因（如摩擦、泄露、 热损失等）会导致能量损失，从而影响循环效率。实际循环 效率通常低于理想循环效率。
理想气体状态方程
气体性质
描述气体状态变化的基本方程，表示 气体的压力、体积和温度之间的关系 。
描述气体特性的物理量，如压力、体 积、温度、密度、比热容等。
真实气体与理想气体
真实气体在一定条件下可以近似为理 想气体，但理想气体模型忽略了分子 间相互作用和分子本身的体积。
热力过程与热效率
01
02
03
热力过程
余热回收
通过回收余热，减少热损失， 提高能量利用率。例如，利用 余热进行预热或发电等。
使用高效设备
采用高效的气体动力设备，如 高效涡轮机、压缩机等，可以
提高循环效率。
04
气体动力循环的应用实例
内燃机循环
总结词
内燃机循环是一种将燃料燃烧产生的热能转化为机械能的装置，广泛应用于汽车、摩托车和船舶等领 域。
THANKS
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损失分析
为了提高循环效率，需要对各种损失进行分析。这些损失包 括机械损失（如叶轮摩擦、泄露等）、热损失（如传热温差 、热辐射等）以及不完全燃烧损失等。
提高循环效率的途径与措施
优化设计
通过改进设计，降低机械和热 损失，提高循环效率。例如， 优化叶轮形状、减小泄露、改
善传热等。
提高燃烧效率
改善燃烧条件，使燃料充分燃 烧，减少不完全燃烧损失，从 而提高循环效率。
工程热力学第8-9章
∂w c =0 ∂p2
p2 = p1 p3 p2 p3 = p1 p2
pm+1 pm
π1 = π2 =⋅⋅⋅ = πi =⋅⋅⋅ = πm = m
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
优 点：
（1）减小耗功; 减小耗功; 每级功耗相等，利于曲轴平衡； （2）每级功耗相等，利于曲轴平衡； 每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； （3）每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； 每级排热相同； （4）每级排热相同； 提高容积效率。 （5）提高容积效率。
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
wC,s h2s − h1 QηC,s = = ′ wC h2 − h1 1 h2 = h1 + h2s − h1
′ ∴wC =
1
QηT =
′ wt,T
ηC,s
(
)
ηC,s
(h
2s
− h1
)
wt,T
′ ∴ wt,T = ηT h3 − h4s
(
h3 − h4 = h3 − h4s
h4 = h3 − ηT h3 − h4s
(
)
)
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
′ wnet ηi = ′ q1
′ ′ ′ wnet = wt,T − wC = ηT h3 − h4s −
(
)
1
ηCs
(h
2s
− h1
)
′ q1 = h3 − h2 = h3 − h1 −
整理
ηi = ηT ( h3 − h4 ) −
燃烧室 废 气
燃 燃 气 空 气 气 轮 机
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
工程热力学-09 气体动力循环
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
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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
(
工程热力学复习参考题-第九章
第九章气体动力循环一、选择题1。
燃气轮机装置，采用回热后其循环热效率显著升高的主要原因是 CD A．循环做功量增大B．循环吸热量增加C．吸热平均温度升高D．放热平均温度降低2.无回热等压加热燃气轮机装置循环的压气机，采用带中冷器的分级压缩将使循环的 BCDA．热效率提高 B．循环功提高C．吸热量提高 D．放热量提高3.无回热定压加热燃气轮机装置循环，采用分级膨胀中间再热措施后，将使BCA．循环热效率提高B．向冷源排热量增加C．循环功增加D．放热平均温度降低4。
燃气轮机装置采用回热加分级膨胀中间再热的方法将ACA．降低放热平均温度B．升高压气机的排气温度C．提高吸热平均温度D．提高放热的平均温度5。
燃气轮机装置等压加热实际循环中，燃气轮机装置的内部效率的影响因素有ABCDiA．燃气轮机的相对内效率B．压气机的压缩绝热效率C．压缩比D．升温比6.采用分级压缩中间冷却而不采取回热措施反而会使燃气轮机装置的循环热效率降低的原因是ABA．压气机出口温度降低B．空气在燃烧室内的吸热量增大C．燃气轮机做功量减少D．燃气轮机相对内效率降低7.采用分级膨胀中间再热而不采用回热措施，会使燃气轮机装置循环热效率降低的原因是BDA．压气机出口温度降低B．循环吸热增大C．循环做功量减少D．循环放热量增加8。
目前燃气轮机主要应用于 BD A ．汽车B ．发电站C ．铁路轨车D ．飞机二、填空题1。
最简单的燃气轮机装置的主要设备有压气机，燃烧室，燃气轮机。
2.燃气轮机装置的理想循环由绝热压缩，定压加热，绝热膨胀，定压放热四个可逆过程组成。
3。
燃气轮机装置循环中，压气机的绝热压缩过程工质的终态压力与初态压力之比称为增压比。
4。
工程上把燃气轮机的实际做功量与理想做功量之比称为相对内效率. 5.燃气轮机装置中，最高温度与最低温度之比称为升温比。
6。
工程上，把在回热器中实际吸收的热量与极限回热条件下可获得的热量之比称为回热度。
三、简答题1．实际简单燃气轮机装置循环的热效率与哪些因素有关？ t η=1—κκπ11-κ取决于燃料的成分及空气的增压比情况 增压比π越大，热效率越高2．提高燃气轮机装置循环的热效率的措施有哪些？ 回热。
工程热力学思考题答案
第九章气体动力循环1、从热力学理论看为什么混合加热理想循环的热效率随压缩比ε和定容增压比λ的增大而提高,随定压预胀比ρ的增大而降低答：因为随着压缩比ε和定容增压比λ的增大循环平均吸热温度提高,而循环平均放热温度不变,故混合加热循环的热效率随压缩比ε和定容增压比λ的增大而提高.混合加热循环的热效率随定压预胀比ρ的增大而减低,这时因为定容线比定压线陡,故加大定压加热份额造成循环平均吸热温度增大不如循环平均放热温度增大快,故热效率反而降低.2、从内燃机循环的分析、比较发现各种理想循环在加热前都有绝热压缩过程,这是否是必然的答：不是必然的,例如斯特林循环就没有绝热压缩过程.对于一般的内燃机来说,工质在气缸内压缩,由于内燃机的转速非常高,压缩过程在极短时间内完成,缸内又没有很好的冷却设备,所以一般都认为缸内进行的是绝热压缩.3、卡诺定理指出两个热源之间工作的热机以卡诺机的热效率最高,为什么斯特林循环的热效率可以和卡诺循环的热效率一样答：卡诺定理的内容是：在相同温度的高温热源和相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环,其热效率都相同,与可逆循环的种类无关,与采用哪一种工质无关.定理二：在温度同为T1的热源和同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环,其热效率必小于可逆循环.由这两条定理知,在两个恒温热源间,卡诺循环比一切不可逆循环的效率都高,但是斯特林循环也可以做到可逆循环,因此斯特林循环的热效率可以和卡诺循环一样高.4、根据卡诺定理和卡诺循环,热源温度越高,循环热效率越大,燃气轮机装置工作为什么要用二次冷却空气与高温燃气混合,使混合气体降低温度,再进入燃气轮机答：这是因为高温燃气的温度过高,燃气轮机的叶片无法承受这么高的温度,所以为了保护燃气轮机要将燃气降低温度后再引入装置工作.同时加入大量二次空气,大大增加了燃气的流量,这可以增加燃气轮机的做功量.5、卡诺定理指出热源温度越高循环热效率越高.定压加热理想循环的循环增温比τ高,循环的最高温度就越高,但为什么定压加热理想循环的热效率与循环增温比τ无关而取决于增压比π答：提高循环增温比,可以有效的提高循环的平均吸热温度,但同时也提高了循环的平均放热温度,吸热和放热均为定压过程,这两方面的作用相互抵消,因此热效率与循环增温比无关.但是提高增压比,p不变,即平均放1提高,即循环平均吸热温度提高,因此循环的热效率提高.热温度不变,p26、以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例,总结分析动力循环的一般方法.答：分析动力循环的一般方法：首先,应用“空气标准假设”把实际问题抽象概括成内可逆理论循环,分析该理论循环,找出影响循环热效率的主要因素以及提高该循环效率的可能措施,以指导实际循环的改善；然后,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、原因及提出改进办法.7、内燃机定容加热理想循环和燃气轮机装置定压加热理想循环的热效率分别为111--=κεηt 和κκπη111--=t .若两者初态相同,压缩比相同,他们的热效率是否相同为什么若卡诺循环的压缩比与他们相同,则热效率如何为什么答：若两者初态相同,压缩比相同,它们的热效率相等.因为21v v =ε,12p p =π. 对于定压加热理想循环来说κ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2112v v p p ,将其带入定压加热理想循环热效率的公式可知,二者的效率相等.对于卡诺循环来说,112121--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=κκεv v T T ,又因为卡诺循环的热效率为1211211111--=-=-=κεηT T T T ,所以卡诺循环和它们的效率相等.8、活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率实际中是否采用为什么答：理论上可以利用回热来提高活塞式内燃机的热效率,原因是减少了吸热量,而循环净功没变.在实际中也得到适当的应用.如果采用极限回热,可以提高热效率但所需的回热器换热面积趋于无穷大,无法实现9、燃气轮机装置循环中,压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功,因而增加了循环净功如图8-1,但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低,试分析之.答：采用定温压缩后,显然循环的平均吸热温度T 1降低,而循环的平均放热温度T 2却没有变化,121T T -=η,因此整个循环的热效率反而降低. 10、燃气轮机装置循环中,膨胀过程在理想极限情况下采用定温膨胀,可增大膨胀过程作出的功,因而增加了循环净功如图8-2,但在没有回热的情况下循环热效率反而降低,为什么图 8-2答：在膨胀过程中采用定温膨胀,虽然增加了循环净功,但是却提高了循环的平均放热温度T 2,而整个循环的平均吸热温度T 1没有变化,热效率121T T -=η因此循环的热效率反而降低. 11、燃气轮机装置循环中,压气机耗功占燃气轮机输出功的很大部分约60%,为什么广泛应用于飞机、舰船等场合答：因为燃气轮机是一种旋转式热力发动机,没有往复运动部件以及由此引起的不平衡惯性力,故可以设计成很高的转速,并且工作是连续的,因此,它可以在重量和尺寸都很小的情况下发出很大的功率.而这正是飞机、舰船对发动机的要求.12、加力燃烧涡轮喷气式发动机是在喷气式发动机尾喷管入口前装有加力燃烧用的喷油嘴的喷气发动机,需要突然提高飞行速度是此喷油嘴喷出燃油,进行加力燃烧,增大推力.其理论循环1-2-3-6-7-8-1如图8-3的热效率比定压燃烧喷气式发动机循环1-2-3-4-1的热效率提高还是降低为什么答：理论循环1-2-3-6-7-8-1的热效率小于定压燃烧喷气式发动机循环1-2-3-4-1的热效率.因为由图中可以看出循环6-7-8-4-6的压缩比小于循环1-2-3-4-1,因此循环6-7-8-4-6的热效率小于循环1-2-3-4-1,因此理论循环1-2-3-6-7-8-1虽然增大了循环的做功量,但是效率却降低了.13、有一燃气轮机装置,其流程示意图如图8-4 所示,它由一台压气机产生压缩空气,而后分两路进入两个燃烧室燃烧.燃气分别进入两台燃气轮机,其中燃气轮机Ⅰ发出的动力全部供给压气机,另一台燃气轮机Ⅱ发出的动力则为输出的净功率.设气体工质进入让汽轮机Ⅰ和Ⅱ时状态相同,两台燃气轮机的效率也相同,试问这样的方案和图9-16、图9-17所示的方案相比较压气机的s C ,η和燃气轮机的T η都相同在热力学效果上有何差别装置的热效率有何区别答：原方案：循环吸热量：t cm Q ∆=1循环功量：()()][1243h h h h m w w w c T net ---=-=题中方案：循环吸热量：t cm t cm t cm Q B A ∆=∆+∆='1 1 循环净功：()43'h h m w B net -= 2对于此方案,m A h 3-h 4=mh 2-h 1 3由123可以得到()()[]1243'h h h h m w net ---=所以这两种方案的循环吸热量和循环净功均相等,因此它们的热力学效果和热效率均相等.。
沈维道《工程热力学》(第4版)章节题库(第9~13章)【圣才出品】
沈维道《工程热力学》（第 4 版）章节题库
第 9 章 气体动力循环
一、选择题 1．若活塞式内燃机三种理想循环的压缩比相同，则（ ）。 A． B． C． D．不定 【答案】D
【解析】热机的内可逆循环热效率
，对于活塞式内燃机三
图 9-1
4．反映往复活塞式内燃机混合加热循环特性的设计参数有哪几个？写出其定义式。
答： v2 ， p3 ， v4 。
v1
p2
v3
六、综合分析题 1．有一定压燃烧内燃机，其输出功率为 3700kW。燃料热值为 4.65×104kJ／kg，假 定可将循环简化为空气的定压加热理想循环，循环压缩比为 14，预胀比为 2，求燃料消耗 量。空气比热容取定值，Rg＝287J／（kg·K），k＝1.4。 解：定压加热活塞式内燃机理想循环中，1-2 为等熵压缩过程
4．某燃气轮机装置定压加热循环如图 9-4 所示，循环增压比π＝7，增温比τ＝4，压
气机吸入空气压力
。压气机绝热效率
，燃机轮
机相对内效率ηT＝0.92，若空气取定比热容，其 ＝1.03 KJ/（kg·K）、 ＝0.287 KJ/
（kg·K），k＝1.3863。
试求：（1）装置内部热效率ηi，循环吸热量 q1 和放热量 q2；（2）压气机及燃气轮机中
燃气轮机过程中熵产为 0.098kJ／（kg·K）。工质可视为理想气体，且燃气性质近 似空气，
求：（1）循环热效率；（2）若回热度为 0.7，循环热效率是多少？
解： （1）循环热效率
图 9-3
所以
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工程热力学-10气体动力循环
柴油机的实际示功图
实际循环：
0-1 进气过程 1-2 压缩过程 2-3-4 燃烧过程 4-5 膨源自(作功)过程 5-1 自由排气过程
＋强制排气过程
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
2
实际循环的理想化： 1. 把热力过程理想化→理论示功图 ①进气过程→0-1定压吸气 ②压缩过程→1-2定熵压缩 ③燃烧过程→2-3定容加热＋3-4定压加热 ④膨胀过程→4-5定熵膨胀 ⑤排气过程→5-1定容排气＋1-0定压排气
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
6
w0 q23 34 q51
p1v1 { 1[( 1) ( 1)] ( 1)} 1
可见 , , w0
混合加热循环热效率 thermal efficiency
t
1
q2 q1
1
cp0 (T5 T1)
cV 0 (T3 T2 ) cp0 (T4 T3)
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
3
2. 把工质看做理想气体 3. 把开口系统简化为闭口系统 （进排气功近似相等，相互抵消）
混合加热循环 （萨巴特循环）
混合加热循环的热效率：
t
1
q2 q1 q1
cV 0 (T3
cV 0 (T5 T1) T2 ) cp0 (T4
T3 )
2020年8月4日
ρ
T4 T3 T1k1
T5
T4
(
)k 1
T1
k1(
)k 1
T1 k
能量分析：
吸热量 q23 u23 cV 0(T3 T2) q34 h34 cp0(T4 T3)
q1 q23 q34
放热量 q2 q51 u51 cV 0(T1 T5)
工程热力学气体动力循环的概念与分类
工程热力学气体动力循环的概念与分类工程热力学是研究热能和功的转换与利用的学科。
在工程领域中，气体动力循环是广泛应用于发电、制冷、空调、石油化工等领域的一种热力学循环过程。
本文将介绍工程热力学气体动力循环的概念，并对其进行分类。
一、概念气体动力循环是通过工作物质在循环过程中吸热、膨胀、排热、压缩等热力学过程，将热能转化为功的循环过程。
这种循环过程通常由燃料燃烧产生热能，再通过与工作物质的热交换和机械工作转换来实现功的输出。
气体动力循环常用于热能转换设备，如内燃机、蒸汽轮机等。
二、分类根据气体动力循环的特点和工程应用需求，可以将其分为以下几类：1. 单级循环与多级循环单级循环是指在气体动力循环中，工作物质只经过一次膨胀和压缩过程，例如单级蒸汽轮机循环。
而多级循环则是指工作物质在循环过程中经过多次膨胀和压缩过程，例如多级蒸汽轮机循环。
多级循环相比于单级循环具有更高的效率和更好的经济性。
2. 热力循环与制冷循环热力循环主要用于能源利用，将热能转化为功。
典型的热力循环包括布雷顿循环和卡诺循环等。
而制冷循环则是将热能从低温区吸收，通过工作物质的循环过程将热能传递到高温区，从而实现制冷效果。
常见的制冷循环包括单级压缩制冷循环和多级压缩制冷循环等。
3. 气体组成循环气体动力循环中的工作物质可以是单一组分的气体，也可以是多组分混合气体。
气体组成对循环过程的热力学性质和性能有重要影响。
常见的气体组成循环包括理想气体循环、湿气循环和混合气体循环等。
4. 循环过程特点根据循环过程的特点，气体动力循环可分为恒定流量循环和恒定压力循环。
在恒定流量循环中，气体流量保持不变，例如湿蒸汽循环。
而在恒定压力循环中，工作物质的排热过程保持恒定压力，例如常压汽轮机循环。
总结：工程热力学气体动力循环是将热能转化为功的一种循环过程。
根据其特点和应用需求，可以将其分类为单级循环与多级循环、热力循环与制冷循环、气体组成循环以及循环过程特点等。
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
《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。
工程热力学第9章
v1 v2
p3 p2
v4 v3
10
2.循环热效率
t
w net q1
w net w 12w 23w 34w 45w 51 w 12w 34w 45
R g1T 1 1 p p1 2 1 p3v4v3R g1T 4 1 p p5 4 1
w net qnet q1q2
i
T h3h4s
1
Cs
h3
h1
1
Cs
h2s
h2s h1 h1
T111111C Css
a ) 除 、 外 i还 与 C s 、 T 有 关
TCsi
目 前 T 0 . 8 5 ~ 0 . 9 2 ， C s 0 . 8 5 ~ 0 . 9 0
b)一 定 时 ， ,i
增 （大wcnτ)e是t，提η高i）,燃的气i 方轮向但 机。装置有性能极值 讨论：
4-1 定压放热（排气，假想换热器）
三、定压加热理想循环分析
q 1 h 3 h 2 c p m t t3 2T 3 T 2 c pT 3 T 2
q 2 h 4 h 1 c pt t1 m 4T 4 T 1 c p T 4 T 1
热效率ηt
q T T 2
41
1 1 t
2）τ上升，即T3上升， 使取得wnet,max 的π 上 升，ηt上升，所以提高T3 能带动wnet,max 及ηt同 时升高。
可见： 1）对于每一τ，均有π， 其w→wnet,max
9–6 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 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀； 4-1 定压放热。
30
c )一 定 ， 取 某 值 w n e t w m a x
《气体动力循环》ppt课件
(4)定容回热过程 ：动力活塞1 位于其下死点，配气活塞2从其下 死点上移。使膨胀腔内工质经连 通管流入紧缩腔。此时工质容积 不变，并在流过回热器3时向回热 器放热，降低温度。当配气活塞2 移至其上死点时，工质全部进入 紧缩腔，定容回热过程终了。
活塞式热气发动机的热力循环及热效率
活塞式热气发动机理想循环：
v1 v2
RgTmaxln
v4 v3
在活塞式热气发动机中，v1＝v4，v2＝v3，故可得到
t
1
Tmin Tmax
即在一样温度范围内，活塞式热气发动机理想循环热效率与卡诺循 环热效率一样。因此，该循环以及类似的与卡诺循环有一样热效率 的一类理想循环称为概括性卡诺循环。
压气机耗功： (w s)ch2h1cp0(T2T 1)
所以 w0(ws)T(ws)c
cp0 T3 1(1 1)/ T1
(1)/1
(1)/
当
maxw, 0
T1 T3
循环净功有极大值。
二、燃气轮机的实践循环
压气机耗功： 燃气轮机轴功：
(ws )c
h2 h1
c,s
(w s)TT(h3h4)
理想化： 1. 热力过程的理想化
①进气过程→0-1定压线 ②紧缩过程→1-2定熵紧缩 ③熄灭过程→2-3定容加热＋3-4定压加热〔外热源加热〕 ④膨胀过程→4-5定熵膨胀 ⑤排气过程→5-1定容放热＋1-0定压线 2. 工质以理想气体对待
《工程热力学》学习资料 (2)
连续的，转速高，输出功率大。
34
燃气轮机(gas turbine)装置简介
35
q2
排气
燃烧室
4
q1
3
2
泵
压气机
汽轮机
燃料
1 进气
燃 气 轮 机 装 置 示 意 图
36
循环示意图
2 燃烧室 3
压气机
燃气轮机
1
4
理想化： 1）工质：数量不变，定比热理想气体 2）闭口 循环 3）可逆过程
作业：结合思考题看书。9-1、9-15
66
本章结束
67
思考
同样是柴油机 为什么有混合加热循环和定压加热循环之分？
p
3 2
4
5 1
v
p 2(3)
4 5 1 v
29
高速柴油机与低速柴油机循环图示
p 34
p
tp
1
k 1
k1k 1
2
2(3) 4 1
5
5
1
v
高速柴油机，压燃式、轻 柴油、高压油泵供油。
1
v
低速柴油机，压燃式、重柴 油、压缩空气喷油。
30
四冲程高速柴油机工作过程
3—4 边喷油，边膨胀
p3 4
近似 p 膨胀
t4可达1700~1800℃
2 2＇
4 停止喷柴油
4—5 多变膨胀
p0
p5=0.3~0.5MPa
0
t5500℃ 5—1‘ 开阀排气
，V
降压
1‘—0 排气,完成循环。
5 1＇
1 V
17
四冲程高速柴油机的理想化
沈维道《工程热力学》(第4版)名校考研真题-气体动力循环(圣才出品)
第9章气体动力循环一、选择题活塞式内燃机定容加热、混合加热、定压加热3个循环在压缩比和吸热量相同的条件下，热效率的关系为（）。
[西安交通大学2003研]A．B．C．【答案】B【解析】在压缩比与吸热量相同的条件下，放热量有。
根据循环热效率的公式可得：。
二、填空题一活塞式内燃机的理想循环，若活塞在下止点位置时气缸容积为V1，活塞在上止点位置时气缸内容积为V2，那么此循环的压缩比为_______。
循环效率随压缩比的提高呈现_______的趋势。
[北京理工大学2005研]【答案】；提高三、判断题实际蒸汽动力，装置与燃气轮机装置，采用回热后每千克工质作功量均增加。
（）[天津大学2005研]【答案】错【解析】采用回热后，总的热效率提高，但是工质质量不变的前提下输出功减少，因而单位质量公职的做功量减少。
四、简答题1．定性地画出具有回热的燃气轮机装置示意图，并在T-s图上定性地分析回热对热效率的影响。
[北京航空航天大学2004、2005研]解：燃气轮机装置示意图如图9-1所示。
图9-1与未采用回热的循环相比，循环净功不变，回热后，只有5-3过程吸热，即q减小，故循环效率提高。
2．综观蒸汽动力循环、燃气轮机循环、内燃机循环以及其他动力循环，请分析归纳转换为机械能的必要条件或基本规律？[天津大学2005研]解：动力循环工作过程的一般规律是任何动力循环都是以消耗热能为代价，以作功为目的。
但是为了达到这个目的，首先必须以升压造成压差为前提，否则消耗的热能再多，倘若没有必要的压差条件，仍是无法利用膨胀转变为动力。
由此可见，压差的存在与否是热能转化为机械能的先决条件，它也为拉开平均吸、放热温度创造了条件。
其次还必须以放热为基础，否则将违背热力学第二定律。
总之，升压是前提，加热是手段，作功是目的，放热是基础。
3．什么是回热？试解释在热机循环中若能采取回热措施，从热力学角度简单说来将会带来什么好处？[华中科技大学2005研]解：回热是指，在保持构成循环的热力过程性质不变的条件下，利用循环中某些放热过程的放热量来满足另一些吸热过程的吸热需要的措施。
工程热力学第九章图文ppt课件
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
Tmax 和 pmax 保持不变
T
3
q2 相等
2p
t
1
q2 q1
1 T2 T1
2m 2v
4
1
q1p q1m q1v
tp tm tv
s
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
分析循环的步骤：
将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上
对理想循环进行分析计算
计算循环中有关状态点（如最高压力 点、最高温度点）的参数，与外界交换的 热量、功量以及循环热效率或工作系数。
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
研究目标：
分析以气体为工质的内燃机循环、 燃气轮机循环的热力性能，揭示能量利 用的完善程度与影响其性能的主要因素， 给出评价和改进这些装置热力性能的方 法与措施。
q2p q2m q2v
T
2p 2m 2v 1
3p 3m 3v 4v
4p4m
tp tm tv
s
q ？？Tmax和 1相同，图示 tp ,tm ,t大v 小
为 了 规 范 事 业单位 聘用关 系，建 立和完 善适应 社会主 义市场 经济体 制的事 业单位 工作人 员聘用 制度， 保障用 人单位 和职工 的合法 权益
《工程热力学》第九章 气体动力循环
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 )
《工程热力学》第九章 气体动力循环
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 压缩比相同，1-2重合
吸热量相同，q1v q1m q1p
q2v q2m q2 p
tv tm tp
或
T 2v T 2m T 2 p
T 1v T 1m T 1p
tv
tm
tp
二、循环最高压力和最高温度相同时的比较
放热量相同：
又称萨巴德循环 12 等熵压缩；23 等容吸热； 34 定压吸热；45 等熵膨胀； 51 定容放热
特性参数：
压缩比(compression ratio) v1
v2 定容增压比(pressure ratio) p3
p2
定压预胀比 (cutoff ratio) v4
v3
反映气缸容积 反映供油规律
热效率
t
wnet q1
t
1
1
1
1
1
(9 7)
讨论：
v1 p3
v2
p2
v4
v3
a)循环1-2’-3’-4’-5-1
压缩比
Tm1 t
b)循环1-2-3”-4”-5-1
定容增压比
Tm1 t
c)循环1-2-3’”-4’”-5-1
定压预胀比
Tm1 t
二、定压加热理想循环（狄塞尔循环） 柴油机定压加热过程
3-4 等熵膨胀(燃气轮机内) 4-1 定压放热（排气，假想换热器）
热效率ηt
q1 h3 h2
cpm
t3 t2
T3 T2
cp
T3 T2
q2
h4
h1
c pm
t4 t1
T4 T1
cp T4 T1
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p0 0
5 1’
1
4. 排气向外界放热
V
5. 多变绝热
6. 不可逆可逆
工程热力学
9-3 活塞式内燃机理想循环
怎么画状态图?!
p3 4
定容升压 比 λ=p3/p2
定压预胀比 ρ=v4/v3
2 2’
p0 0
萨巴德循环 5 1’ 1
V
混合加热循环。它由定熵压缩过程1－2、定容加热过程2－3、
定压加热过程3压－缩4、比定熵膨胀过程4－5、定容放热过程5－1所
2 2’
4 停止喷柴油
5
4—5 多变膨胀
p0
1’
p5=0.3~0.5MPa
0
1
t5500℃
V
5—1’ 开阀排气， V 降压
1’—0 活塞推排气,完成循环
工程热力学
四冲程高速柴油机的理想化
1. 工质
p3 4
定比热理想气体
工质数量不变
2
P-V图p-v图
2’
2. 0-1和1’ -0抵消 开口闭口循环
3. 燃烧外界加热
cv (T5 T1)
cv (T3 T2 ) cp(T4 T3)
1
(T5 T1)
(T3 T2 ) k(T4 T3 )
工程热力学
对于定熵压缩过程1－2：
T2
T1
v1 v2
k 1
T1
k 1
压缩比 ε=v1/v2
定容升压比 λ=p3/p2
在定容加热过程2－3： T3 p3
T2 p2
在定压加热过程3－4：
0—1 吸空气
p3
1—2’ 多变压缩
一般n=1.34~1.37
2 2’
p2’=3~5MPa t2’=600~800℃
柴油自燃t=335℃ p0
2’ 喷柴油
0
1
2 开始燃烧
V
2—3 迅速燃烧，近似 V
p↑5~9MPa
工程热力学
四冲程高速柴油机工作过程
3—4 边喷油，边膨胀
p3 4
近似 p 膨胀
t4可达1700~1800℃
q1v = cv (T3 T2 ) q1p = cp (T4 T3)
循环放热量q定2(压定预容胀放比热过程5－1)为：
ρ=v4/v3
q2 = cv (T5 T1)
循环净功为：
k=cp/cv
w = q1 q2
定容升压比
= = = 循环λ=热p3效/p2率：t压力学
什么是循环？目的？ 学过什么循环？
实际循环是什么样的？
工程热力学
工程热力学
工程热力学
9-1 分析动力循环的一般方法
1 设备与流程的特点；
2 实际循环的理想化；
3 1、理基想于循热环力的学能第量一分定析律计算； 2、基于热力学第一定律和第二定律
4 定性分析各主要参数对循环热效率的影响；
如果各循环的最高压力相 同、吸热量q1相同。 怎么办？
面积1最2‘高η4压51力t＜p、>面最积η高1温2t3m度45点>1<重面η合积在t1v2点“43451
工程热力学
嘿嘿……
还有其它的 循环吗？
实际循环是否都是由多 于四个热力过程组成的？
工程热力学
9-6 燃气轮机装置循环
航空燃气涡轮发动机仍属于热机的一种，因此从 产生输出能量的原理上讲，燃气涡轮发动机和活塞式 发动机是相同的，都需要有进气、加压、燃烧和排气 这四个阶段。
5 考虑不可逆因素的修正。
工程热力学
实际循环理想化的条件和假设－空气标准
1
假设工质具有与空气相同的热力性质，视为
理想气体，比热容取定值；
2
将排气过程和燃烧过程用向低温热源的放热过
程和自高温热源的吸热过程取代,是闭合的；
3
不考虑过程的不可逆损失，组成循环的过程
是可逆的；
工程热力学
9-2 活塞式内燃机实际循环
T1(k 1) 1) kT1 k
1
(
1)
t
1
k 1[(
k 1 1) k(
1)]
定压预胀比ρ＝1, 定容升压比λ＝1
?!
通过数学方法可以证明：混合加热循环的热效率随压缩比ε、定容 升压比λ两者的增大而增大，随定压预胀比ρ的减小而增大。
工程热力学
λ=1为定压加热循环，其热效率:
t
1
k1[(
k 1 1) k(
工程热力学
工程热力学
大家来试试如何设定假设条件， 分析理想循环。。。。。。
工程热力学
布雷顿循环---定压加热理想循环
循环增压比：循环最高压力与最低压力之比，π=p2/p1
理论热效率不变，输 出功率增大
工程热力学
0.7 0.6 0.5
ηt 0.4
0.3 0.2 0.1 0.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ε
定容加热理想循环
工程热力学
工程热力学
t
1
k 1[(
k 1 1) k(
1)]
狄塞尔循环
t, p
1
1
k 1
k k(
1 1)
工程热力学
0.7
0.6
煤气机、汽油机、柴油机
点燃式、压燃式 二冲程、四冲程
进气、压缩、燃烧、膨 胀、排进气气，共用两压个缩冲
程完成（一个循环）
膨胀
进气、压缩、燃烧、膨 胀、排排气气，共用四个冲
程完成（两个循环）
工程热力学
四冲程柴油机工作原理
空气、油
废气
吸气 压缩， 喷油燃烧
膨胀 作功
排气
工程热力学
四冲程高速柴油机工作过程
1)]
狄塞尔循环
t, p
1
1
k 1
k k(
1 1)
ρ=1为定容加热循环，其热效率:
t ,v
1
1
k1
奥托循环
工程热力学
工程热力学
1、保持最高温度不变，提高压缩比ε？ 2、保持压缩比ε，提高q1？
奥托循环
t ,v
1
1
k1
工程热力学
保持最高温度不变，提 高压缩比ε
保持压缩比ε，提高q1
平均吸热温度提高，平均放热 温度降低，循环热效率提高
ηt
0.5
ρ＝1.5
ρ＝2.1
0.4 10
K＝1.35
12
14
ρ＝2.5
16
18
ε
工程热力学
9-4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较
压缩比ε相同，吸热量相
同，怎么样
1
15'baη1＜tε面v相>积同η1，5ctqam11相<>面同积η1t5p"da1
工程热力学
循环的最高压力、最高温 度点相同，怎么样
组成。
ε=v1/v2
工程热力学
循环参数算什么？ 怎么算?!
各状态点的状态参数 吸热过程的吸热量 放热过程的放热量
p-v图及T-s图
循环热效率
工程热力学
混合加热循环的吸热量：
q1 = q1v q1p
在定容加热过程2－3中加入的热量q1v为 ：
q w du
在定压加热过程3－4中加入的热量q1p为：
T4 v4
T3 v3
T3 T2 T1 k1
定压预胀比 ρ=v4/v3
T4 T3 T1 k1
对于定熵膨胀过程4－5：
k 1
T5
T4
v4 v5
T4
v4 v1
k 1
T4
v4 v1
v3 v2
k 1
T4
k1 k1
T1 k
工程热力学
循环热效率：
有其它特殊循环吗？ t 1 T1 k1(