机械热力学第10章

λρκ −1 ηt =1− κ−1 ε ( λ −1) +κλ( ρ −1)
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图10—1所示的定容加热活塞式内燃机理想循环，工质为空气， 比热容为定值并取 cv = 718 J /(kg K ), k = 1.4。 已知压缩比 ε =6，
q1 = 879kJ / kg , p1 = 98.1kPa, t1 = 60o C , 试求循环各点的温度、
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点4： v3 k v2 k p4 = p3 ( ) = p3 ( ) = 3374kPa × (1/ 6)1.4 = 275kPa v4 v1 p4 v4 275 ×103 Pa × 0.974m3 / kg T4 = = = 933K Rg 287 J /(kg K ) q2 = cV (T4 − T1 ) = 0.718kJ /(kg K ) × (933K − 333.15K ) = 431kJ / kg
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18
定容加热理想循环—Otto cycle 三.定容加热理想循环 定容加热理想循环
v1 ε= v2
p3 λ= p2
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热效率
q = cV (T −T ) 1 3 2
v1 ε= v2 p3 λ= p2
q2 = cV (T −T ) 4 1
q2 T −T ηt =1− =1− 4 1 q T −T 1 3 2
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1 − 2是定熵过程，有 v1 k p2 = p1 ( ) = p1ε k = 98.1kPa × 61.4 = 1205kPa v2 v1 k −1 T2 = T1 ( ) = T1ε k −1 = 333.15 K × 61.4−1 = 680 K v2 点3： v 4 = v1 = 0.974m3 / kg q1 879kJ / kg T3 = T2 + = 680 K + = 1904 K cV 0.718kJ /(kg K ) T3 1904 K p3 = p2 = 1205kPa × = 3374kPa T2 680 K
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二.定压加热理想循环 定压加热理想循环
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过程1-2 等熵压缩（压气机内） 循环增压比—pressure ratio
p2 π= p 1
过程2-3 定压吸热（燃烧室内） 循环增温比—temperature ratio 过程3-4 等熵膨胀（燃气轮机内） 过程4-1 定压放热
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T τ= 3 T 1
1 κ− κ
1 κ− κ
p4 = p1
T4 T T4 −T T 1 1 ⇒ = ⇒ = 1 p3 = p2 T T2 T −T2 T2 3 3
注意：式中 注意：式中T1，T2并非指高温 热源，低温热源。 热源，低温热源
T 1 1 ∴ t =1− =1− κ η T2 κ− 1
π
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2.分析 分析
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三.活塞式内燃机循环的简化 活塞式内燃机循环的简化
0 1 2 3 4 5 1
1 2 3 4 5 1 0
吸气 等熵压缩 定容加热 定压加热 等熵膨胀 排气 排气
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进一步说明
排气5 排气 1 等容放热 吸气0 排气线 排气线1 吸气 1排气线 0重合略去， 封闭循环 燃油质量 忽略 燃气成分改变 忽略 工质为空气定比热
简化原则为: 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。 （4）用定容放热过程来代替废气排入大气中的实际放热过程。
ωnet = q1 − q2 = 879kJ / kg − 431kJ / kg = 448kJ / kg
1 ηt = 1 − k −1 = 1 − k −1 = 0.512 6 ε ω 448kJ / kg 或ηt = net = = 0.510 q 879kJ / kg 448 × 103 J / kg MEP = = = 5.517 ×105 Pa v4 − v3 0.974m3 / kg − 0.162m3 / kg
λ = p3 p 2
（3）定压预胀比— cutoff ratio : 定压加热后的比体积与加热 定压预胀比 前的比体积之比，它是表示内燃机定压燃烧情况的特性参数。
ρ = v 4 v3
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三、混合加热循环的能量分析和性能分析
循环热效率
w ηt = net q 1
w = qnet = q −q2 net 1
用途： 用途
飞机、舰船的动力载荷机组， 电站峰荷机组(peak-load set)，等。
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简图
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简图： 简图：
燃烧室
压气机
燃气轮机
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二. 定压加热理想循环 定压燃烧燃气轮机装置流程示意图如下:
q1 2 3
燃烧室 压气机 1 图 10－16 燃气轮机
燃烧室为定压燃烧，压缩、膨胀过程与绝热 相近。故定压燃烧燃气轮机装置的理想循环 组成如下： 绝热压缩、定压吸热、绝热膨胀、定压放热
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二、平均有效压力 mean effective pressure
W M EP= net V h
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§9–3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热理想循环 1、p-v图及 图 、 图及 图及T-s图
1 2 等熵压缩；2 3 等容吸热； 3 4 定压吸热；4 5 等熵膨胀； 5 1 定容放热 该循环由于兼有定容和定压加热过程， 所以称为“混合加热循环 混合加热循环”，也称 11 混合加热循环 萨巴太循环”。 “萨巴太循环 萨巴太循环
q = q2−3 +q3−4 = cV (T −T ) +cp (T −T ) 1 3 2 4 3
q2 = q5−1 = cV (T −T ) 5 1
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T −T q2 5 1 ηt =1− =1− (T3 −T2 ) +κ(T4 −T3 ) q1
利 ε、 、 表 ηt 用 λ ρ 示
1→2 v 有 T =T 1 =Tεκ−1 2 1 1 v2 p3 有 T =T =Tλεκ−1 3 2 1 p2 v4 有 T =T =Tρλεκ−1 4 3 1 v3 p5 p5 有 T =T ，求出 5 1 p1 p1
1 κ−
2 →3 3→4 5→ 1
得 T =Tλρ 5 1
κ
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把T2、T3、T4和T5代入
λρκ −1 ηt =1− κ−1 ε ( λ −1) +κλ( ρ −1)
讨论： 讨论
a) ε ↑ ηt ↑
b) λ ↑ ηt ↑
c) ρ ↑ηt ↓
循环净功和净热分别为
w0 = q0 = q1 − q2 p1v1 k −1 = {ε [(λ − 1) + kλ ( ρ − 1)] + (1 − λρ k )} k −1
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(一)柴油机实际工作循环
压燃式柴油机——空气和燃料 (柴油 )分别压缩,自行发火式发动机。 柴油机： 0-1 ： 吸气 1-2'-2 压缩 2'喷油 喷油 3-4 定压加热(燃烧 定压加热 燃烧) 燃烧 2-3 4-5 定容加热(燃烧 定容加热 燃烧) 燃烧 膨胀 5-0 排气
6Hale Waihona Puke Baidu
2. 实际工作循环的抽象与简化
压力、比体积，循环热效率及平均有效压力。 解：由已知条件：
p1 = 98.1kPa, T1 = 333.15 K 点1: v1 = Rg T1 p1 v1 287 J /(kg K ) × 333.15 K = = 0.974m3 / kg 98.1×103 Pa
点2： 0.974m3 / kg v2 = = = 0.162m3 / kg ε 6
二、内燃机的特性参数及混合加热理想循环各典型点的状态参数 （1）压缩比—compression ratio ：压缩前的比体 压缩比 积与压缩后的比体积之比，它是表征内燃机工作体 积大小的结构参数。
ε = v1 v 2
（2）定容升压比—pressure ratio : 定容加 定容升压比 热后的压力与加热前的压力之比，它是表示 内燃机定容燃烧情况的特性参数。
3
按加热方式分类的各类循环： 1. 定容加热循环 2. 定压加热循环 3. 混合加热循环 分析动力循环主要采用两种方法 1. 以热力学第一定律为基础的“第一定律分 析法”以能量数量为立足点,以热效率为指标。 2.以热力学第一定律和第二定律为依据、从 能量的数量和品质来分析，以“作功能力损 失和火用效率为其指标的第二定律分析法”。
在循环特性参数（ε、λ及ρ）一定的条件下，提高初态 提高初态 参数，对热效率虽然并无影响，但可以提高净功。因此可以采 参数，对热效率虽然并无影响，但可以提高净功。 用“增压”等措施来提高柴油机的净功 增压”等措施来提高柴油机的净功。
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二、定压加热理想循环—Diesel cycle 定压加热理想循环
q2p = q2m = q2v q p > q2m > q2v 1
ηtp >ηtm >ηtv
或
T2p =T2m =T2v
T1p >T1m >T1v
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§9-5 燃气轮机装置循环
(gas turbine)
燃气轮机装置简介燃气轮机装置是一种以空 一.燃气轮机装置简介 燃气轮机装置简介 气及燃气为工质的热动力设备 1.运转平稳 运转平稳，连续输出功 运转平稳 启动快，达满负荷快 特点： 启动快 特点 2.启动快 3.重量功率比 仍较大 重量功率比 优点： 其热能转变为机械能的过程是在燃气轮机中实现，它是 一种旋转式热力发动机，转速可设计很高，且工作过程连续。 可在设备重量小，尺寸小的条件下发出很大功率。 缺点：叶片材料、设计、加工、装配要求很高。
T 1 1 ηt =1− =1− κ T 2 κ− 1
π
a) π ↑ ηt ↑
ηt与 3无 T 关
b) π一 q ↑ w ↑ ηt不 定 1 变 net
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c) τ一 ， 取 值 net →w ax 定 π 某 w m
T τ= 3 T 1
d) w 与 及 的 系 τ π 关 net
v1 ε= v2 v3 ρ= v2
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热效率
q2 ηt =1− q 1
q1 = cp (T −T ) 3 2
q2 = cV (T −T ) 4 1
T4 −T 1 ηt =1− κ(T3 −T2 )
λρκ −1 ηt =1− κ−1 ε ( λ −1) +κλ( ρ −1)
热效率随着压缩比ε的增大,预胀比ρ的减小和采用高ｋ 值的气体而增大。
23
1
ωnet
§9–4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较
压缩比相同， 一.压缩比相同，吸热量相同时的比较 压缩比相同
qv =qm =q p 1 1 1
q2v < q2m < q2p
ηtv >ηtm >ηtp
或
T2v <T2m <T2p
T1v >T1m >T1p 24
循环p 二.循环 max，Tmax相同时的比较 循环
4
§9–2 活塞式内燃机实际循环的简化
分类： 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 )
第九章 气体动力循环
§9–1 分析动力循环的一般方法
一、分析动力循环的目的 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。
1
二、分析动力循环的一般步骤
实际循环（复杂不可逆）
抽象、简化 分析
可逆理论循环 吸热、放热、作功、热效率 实际循环
2
指导改善
9-1 分析动力循环的一般方法 采用燃烧前压缩技术,以提高平均 吸热温度 所用燃料为液体或气体 内燃机 加热按定容、定压或介于定容定压 之间的过程 循环采用四冲程或两冲程 点火方式为点燃式或压燃式
三.定压加热理想循环分析 定压加热理想循环分析
1.热效率 t 热效率η 热效率
q = h −h2 = cp (T −T ) 1 3 3 2
q2 = h4 −h = cp (T −T ) )1 4 1
q2 T −T ηt =1− =1− 4 1 q T −T 1 3 2
p4 Q 4 =T T 3 p3 p1 T =T2 1 p 2