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1、第九章气体动力循环,能源与动力学院 毛军逵,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。,91循环分析的目的与 一般方法,一、分析循环的目的：,在热力学基本定律的基础上分析循环过程中能量转换的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。,二、分析动力循环的一般步骤,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,影响经济性的主要因素和可能改进途径,实际循环,指导改善,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,分析循环的步骤：,将
2、实际循环抽象和简化为理想循环,任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的，且十分复杂。为了进行热力分析，需要建立实际循环相对应的热力学模型，即理想的可逆循环代替实际不可逆循环。如将实际不可逆的燃烧过程简化为可逆的吸热过程,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。,探讨提高循环效率的途径,对理想循环的计算结果引入必要的修正,分析动力循环的一般方法,以气体动力循环为例：,方法：,1）第一定律分析法,数量的角度,2）第二定律分析法,品质的角度,燃烧,
3、从高温热源吸热,排气,向低温热源放热,工作流体,理想气体,气体性质,与空气相同,熵分析法,火用分析法,9-2 活塞式内燃机循环,活塞式内燃机分类：,按燃料：煤气机、汽油机和柴油机；按点火方式：点燃式和压燃式；按冲程：四冲程和二冲程,四冲程高速柴油机工作过程,1,2,3,01 吸入空气,一般n =1.341.37,柴油自燃t =335,p0,2,0,12多变压缩,p2=35MPa,t2=600800,2 喷入柴油,2 开始燃烧,p59MPa,1,2,3,4,5,34 边喷油，边膨胀,p,V,p0,1,2,0,t4可达17001800,4 停止喷柴油,45 多变膨胀,p5=0.30.5MPa,t5
4、500,51 开阀排气， 降压,10 活塞推排气,完成循环,四冲程高速柴油机工作过程,四冲程高速柴油机的理想化,1,2,3,4,5,1.工质定比热、理想气体、 工质数量不变 P-V图p-v图,p,V,p0,1,2,0,2. 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,7. 开式循环闭口循环,1、理想混合加热循环（萨巴德循环）,1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,p,v,分析循环吸热量，放热量，热效率和功量?,混合加热理想循环热力分析,压缩比：=v1/v2 定容增压比：=P3/p2定压预胀比：v4/v3,反映气缸容积,反映供油
5、规律,推推看？,混合加热理想循环热力分析,=v1/v2 =P3/p2 v4/v3,结 论： , ,混合加热理想循环热力分析,定压加热理想循环 （Diesel循环）,例如：高增压柴油机，船用柴油机,只有等压燃烧，没有定容燃烧,定压加热理想循环热力分析,结论：, ,=v1/v2 v4/v3,定容加热理想循环 （Otto循环）,例如煤气机、汽油机,燃烧过程在接近定容的过程下完成,没有一边燃烧一边膨胀的定压过程,定容加热理想循环热力分析,结论：,=v1/v2,循环最高温度不变，,不变， 不变q1wnet,定容加热理想循环热力分析,汽油机的常用压比,汽油机，受预混燃料空气混合物爆燃条件的限制。采用512
6、级压缩：轻型机械,k=1.4,柴油机的常用压比,柴油机，不受空气压缩的限制。采用1420级压缩：重型机械,和 相同,平均温度法,3m,4m,3p,4p,活塞式内燃机各种理想循环热力比较,活塞式内燃机各种理想循环热力比较,和 保持不变,相等,2m,2p,活塞式内燃机各种理想循环热力比较,活塞式内燃机各种理想循环热力比较,和 相同,3p,4m,2p,3m,4p,2m,？ 和 相同，图示 大小,活塞式内燃机各种理想循环热力比较,9-3 燃气轮机装置循环,一、燃气轮机装置简介,用途： 航空发动机/尖峰电站/移动电站/大型舰船,构成 压气机(compressor) 燃烧室(combustion cham
7、ber) 燃气轮机(gas turbine),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，但重量功率比 (specific weight of engine)仍较大。,二、燃气轮机装置定压加热理想循环 布雷顿循环,循环图,1-2 等熵压缩（压气机内）,2-3 定压吸热（燃烧室内）,3-4 等熵膨胀（燃气轮机内）,4-1 定压放热（排气，假想换热器）,循环增压比（pressure ratio）,循环增温比（temperature ratio）,二、燃气轮机定压加热理想循环 布雷顿循环,
8、热效率,3. 勃雷登循环净功的计算,1,2,3,4,循环增温比,1,2,3,4,3,4,当 不变,不变,但T3 受材料耐热限制,3. 勃雷登循环净功的计算,F4,F-15,F-22,J79-GE-17 4.63,F100-PW-229 8,F119-PW-100 10,推重比1015 1800k2100k,推重比20 2400k2600K,1300k,1900k,1600k,当 不变,太大,太小,存在最佳 ，使 最大,3. 勃雷登循环净功的计算,最佳增压比,由 dwnet/ d=0可得,在循环增温比一定时，存在一最佳增压比，使得循环净功最大。,最佳增压比,1,2,3,4,压气机：不可逆绝热压缩
9、,燃气轮机：不可逆绝热膨胀,2,4,三、 燃气轮机装置的定压加热实际循环,1、不可逆来源：,2、燃气轮机相对内效率：,压气机绝热效率：,燃气轮机的定压加热实际循环热力分析,循环内部热效率：,压气机绝热效率：,燃气轮机的定压加热实际循环热力分析,1）循环增温比越大，热循环的热效率越高；2）存在最佳循环增压比，使循环热效率有一极大值；3）减小不可逆因素，内部热效率提高。,结 论：,燃气轮机的定压加热实际循环热力分析,某燃气轮机理想布雷顿循环中，循环增压比为16，燃烧室出口温度为1600K。假设空气的进口温度为300K，压力为0.1MPa。试求涡轮膨胀做功后空气的温度为多少？整个循环的效率以及输出的功为多少,思考题,进口状态点1的温度为300K，压力为0.1Mpa，已知循环增压比为16，因此状态点2的压力为1.6MPa,可知2点温度为662.45K,由燃烧室出口温度为1600K，可知3点的温度为1600K，压力为1.6MPa，因此吸热量为Cp（1600-662.45）,涡轮中仍有,可知4点温度为724.58K,因此放热量为Cp（724.58-300）所以循环的效率为1-（724.58-300）/(1600-662.45)=0.5471输出的功为Cp（1600-662.45）- Cp（724.58-300）=515kJ/kg,
