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1、1,第九章 气体动力循环 Gas power cycles,9-1 分析动力循环的一般方法,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实际循环,9-7 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施,9-8 喷气发动机简介,2,91 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。,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
2、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,3,三、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。,2.第二定律分析法,综合第一定律和第二定律从能量的数量和质量分析。,熵分析法,分析法,熵产,作功能力损失,火用损,火用效率,4,四、内部热效率i(internal thermal efficiency),不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比,其中,与实际循环相当的内可逆循环的热效率,相对内部效率(internal engine efficiency)反映内部摩擦引起的损失,五、空气标准假设(
3、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,5,92 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),按冲程：二冲程(two-stroke)四冲程(four-stroke),按点火方式：点燃式(spark ignition engine)压燃式(c
4、ompression ignition engine),6,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。,活塞式内燃机循环特点,7,二、活塞式内燃机循环的简化,8,三、平均有效压力(mean effective pressure),9,01 吸气12 压缩23 喷油、燃烧34 燃烧45 膨胀作功50 排气,简化：引用空气标准假设,燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热,排气5-1等容放热,压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程,吸、排气线重合、忽略,燃油质量忽略,燃气成分改变忽略,93 活塞式内燃机的理想循环,一、混合加热理想循环（dual
5、combustion cycle）,10,1.p-v图及T-s图,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),定容增压比(pressure ratio),定压预胀比(cutoff ratio),11,2.循环热效率,或,12,利用,表示,13,两式相除，考虑到,把T2、T3、T4和T5代入,求,14,讨论：,归纳：a.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。b.利用T-s图分析循环较方便。c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。,15,二、定压
6、加热理想循环(Diesel cycle),16,讨论：,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,17,三、定容加热理想循环(Otto cycle),18,19,讨论：,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,20,94 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,或,21,二、循环pmax、Tmax相同时的比较,或,例A470299,例A447277,22,9-5 燃气轮机装置循环,一、燃气轮机(gas turbine)装置简介,小型燃气轮机,23,轴流式燃气轮机,24,25,26,27,构成 压
7、气机(compressor)燃烧室(combustion chamber)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。,用途飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set)等。,28,二、定压加热理想循环（constant-pressure combustion cycle，Brayton cycle）,1-2 等熵压缩（压气机内）,2-3 定压吸热（燃烧室内）
8、,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）,29,三、定压加热理想循环分析,1.热效率t,注意：式中T1、T2并非指高温 热源，低温热源。,30,2.分析,？,31,32,可见：1）对于每一，均有，其wwnet,max,2）上升，即T3上升，使取得wnet,max 的 上升，t上升，所以提高T3 能带动wnet,max 及t同时升高。,33,96 燃气轮机装置定压加热实际循环,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。,一、定压加热
9、的实际循环,34,二、压气机绝热效率(adiabatic compressor efficiency)和燃气轮机相对内效率(adiabatic turbine efficiency),35,三、燃气轮机装置的内部热效率(internal thermal efficiency)i,整理,36,讨论：,增大是提高燃气轮机装置性能（wnet，i）的方向。,37,97 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施,一、回热（regeneration）,讨论,2）极限回热,38,3）回热度(regenerator effectiveness),注意：达一定值，回热不能进行。,4）实际循环的回热,39,分级压缩，中
10、间冷却（multistage compression，intervening cooling）,二、分级压缩，中间冷却,回热基础上,压气机耗功很大,分级压缩可降低压气机耗功,循环12341：,循环1567341：,循环12341,循环67256,循环67256：,采用分级压缩，中间冷却后t？,+,40,回热基础上分级压缩中间冷却,41,三、回热基础上分级膨胀，中间加热,循环12389101=循环127101-循环37983,若无回热,若回热 循环12389101与循环12341 比较T1m上升，T2m下降,42,五、回热基础上 分级压缩，中间冷却；分级膨胀，中间加热,43,当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数趋向无穷多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。,44,气体动力循环热效率分析归纳：基础：,方法：在T-s图上叠加、拆分等；在T-s图上与同温限卡诺循环比较；利用t=f(x,y,z)的数学特性。,例A474299,例A470389,45,98 喷气发动机简介,定压燃烧喷气式发动机(jet engine)的理论循环及实际循环与燃气轮机装置定压加热循环相同。,下一章,
