第十章第十章 气体的动力循环气体的动力循环Gaspowercycles101分析动力循环的一般方法分析动力循环的一般方法一一.分析动力循环的目的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。二二.分析动力循环的一般步骤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,影响经济性的主要因素和可能改进途径指导改善实际循环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。三三.分析动力循环的方法分析动力循环的方法1.实际过程简化为可逆理想循环，在p-v图,T-s图上表示。2.确定理想循环各过程交点的状态参数，和循环特性参数。3.进行循环性能分析，确定循环整体性能的各种指标，分析循环特征参数对循环的影响。102往复式内燃机的动力循环往复式内燃机的动力循环一、一、机械喷射式柴油机工作过程：机械喷射式柴油机工作过程：混合加热循环（萨巴特循环）混合加热循环（萨巴特循环）实际循环：实际循环：0-1 0-1 进气过程进气过程1-2 1-2 压缩过程压缩过程2-3-4 2-3-4 燃烧过程燃烧过程4-5 4-5 膨胀（作功）过程膨胀（作功）过程5-1 5-1 自由排气过程自由排气过程 强制排气过程强制排气过程理想化：理想化：1 1、热力过程的理想化、热力过程的理想化进气过程进气过程0-10-1定压线；定压线；压缩过程压缩过程1-21-2定熵压缩；定熵压缩；燃烧过程燃烧过程2-32-3定容加热定容加热3-43-4定压加热（外热定压加热（外热 源加热）；源加热）；膨胀过程膨胀过程4-54-5定熵膨胀；定熵膨胀；排气过程排气过程5-15-1定容放热定容放热1-01-0定压线；定压线；2、工质以理想气体对待；工质以理想气体对待；3、开口系统简化为闭口系统。（进排气功近似相等，相开口系统简化为闭口系统。（进排气功近似相等，相互抵消）互抵消）得到如下理论循环：得到如下理论循环：4、内燃机的、内燃机的特性参数特性参数以及各点的以及各点的状态参数状态参数：特性参数：特性参数：压缩比压缩比：压力升高比压力升高比：定压予胀比定压予胀比：状态参数：1-2为绝热过程为绝热过程2-3为定容过程为定容过程3-4为定压过程为定压过程4-5为绝热过程为绝热过程5、混合加热循环的热效率：、混合加热循环的热效率：代入特性参数得：代入特性参数得：可见：可见：由图可见，由图可见，、Tm1，所以热所以热效率效率t。予胀比予胀比对热效率对热效率t影响的分析影响的分析描述了定压过程中加热量的多少，加热量描述了定压过程中加热量的多少，加热量4显然，在显然，在3-4（4）的加热过程伴随膨胀过程同时进行，因）的加热过程伴随膨胀过程同时进行，因而，不同时刻加入系统的热量转换为功量的机会是不相同而，不同时刻加入系统的热量转换为功量的机会是不相同的。的。3点假如的热量在整个膨胀过程中均有机会转换为功，点假如的热量在整个膨胀过程中均有机会转换为功，而随后加入的热量转换为功量的机会越来越少，在而随后加入的热量转换为功量的机会越来越少，在4点加点加入的热量转换为功的机会为零。可见入的热量转换为功的机会为零。可见t。6、混合加热循环的循环净功为、混合加热循环的循环净功为利用循环中各状态间的参数关系，可以得到：利用循环中各状态间的参数关系，可以得到：可见：可见：二、定容加热循环二、定容加热循环1.定容加热循环（奥图循环）：汽油机理想循环定容加热循环（奥图循环）：汽油机理想循环特点：特点：1, ,为混合为混合加热循环的一个特例，加热循环的一个特例，将其代入混合加热循环将其代入混合加热循环的热效率及循环净功的的热效率及循环净功的表达式，即分别有：表达式，即分别有：可见：可见：三、定压加热循环（笛塞尔循环）三、定压加热循环（笛塞尔循环）早期柴油机的理想循环特点：特点：1,1,为混合为混合加热循环的一个特例，将加热循环的一个特例，将其代入混合加热循环的热其代入混合加热循环的热效率及循环净功的表达式，效率及循环净功的表达式，即分别有：即分别有：一、平均温度概念：假想定温加热过程与原来的加热过程的熵和热量变化相同时的温度。二、压缩比相同、放热量相同比较；二、压缩比相同、放热量相同比较；103内燃机三种理想循环的比较内燃机三种理想循环的比较三、最高压力相同、最高温度相同比较：三、最高压力相同、最高温度相同比较：四、内燃机循环平均压力Pt1.定义：以汽缸工作体积VS为底作为矩形，使之面积等于示功图面积，矩形高度就是平均压力。2.Pt是单位汽缸体积的作功能力，是衡量各类内燃机作功能力的一个重要指标。3.Pt大小主要取决于工作循环进行的完善程度。由状态方程和热效率得；Pt=mq1t/Vs=p1q1t/RT1P1q1t提高T1下降，平均压力升高。4.影响因素：（1）吸入一定空气量，喷入燃油量是一定的，循环加热量q1基本不变，对Pt影响不大；（2）循环热效率t的提高值很小，对Pt影响不大；（3）现代柴油机利用废气涡轮增压器提高空气压力p1；（4）利用空气冷却器降低空气温度T1。104其他气体动力循环其他气体动力循环一、定压加热燃气轮机循环（勃雷登循环）一、定压加热燃气轮机循环（勃雷登循环）燃气轮机装置燃气轮机装置闭式燃气轮机装置闭式燃气轮机装置燃气轮机装置循环的四个过程：燃气轮机装置循环的四个过程：绝热压缩过程（压气机）；绝热压缩过程（压气机）；定压加热过程（燃烧室、加热器）；定压加热过程（燃烧室、加热器）；绝热膨胀过程（燃气轮机、气轮机）；绝热膨胀过程（燃气轮机、气轮机）；定压放热过程（大气、冷却器）。定压放热过程（大气、冷却器）。（一）循环（一）循环特性参数特性参数：增压比增压比=p2/p1最高温度最高温度T3升温比升温比=T3/T1参数关系：参数关系：循环加热量：循环加热量：循环放热量：循环放热量：（二）循环热效率（二）循环热效率：将参数关系代入，有：将参数关系代入，有：可见，可见， ，热效率提高。热效率提高。（三）功量（三）功量燃气轮机轴功：燃气轮机轴功：压气机耗功：压气机耗功：可见可见w0仅为增压比仅为增压比的函数，当的函数，当为为时循环净功时循环净功W0有极大值。有极大值。（二）、燃气轮机的实际循环（二）、燃气轮机的实际循环压气机耗功：压气机耗功：燃气轮机轴功：燃气轮机轴功：循环热效率：循环热效率：可见：可见：升温比升温比当当 、 、 一定一定 时，随着时，随着增压比增压比 的提高，循的提高，循环热效率有一个极大值。环热效率有一个极大值。（三）、提高热效率的措施（三）、提高热效率的措施 （1 1）燃气轮机装置的回热循环）燃气轮机装置的回热循环1-2压气机中的绝热压缩过程；压气机中的绝热压缩过程；2-6回热器中的定压预热回热器中的定压预热过程；过程；6-3燃烧室中的定压加热过程；燃烧室中的定压加热过程；3-4燃气轮机中的燃气轮机中的绝热膨胀过程；绝热膨胀过程；4-5回热器中的定压放热过程；回热器中的定压放热过程；5-1大气大气中的定压放热过程。中的定压放热过程。 理想情况下，空气从理想情况下，空气从T2升温至升温至T4，实际只能达到，实际只能达到T6。定义：。定义：回热度：回热度：比热为定值时，上式可写为：比热为定值时，上式可写为：代入参数间的关系式代入参数间的关系式 ，可得：，可得： 增大升温比增大升温比，可提高燃气轮机回热循环的热效率；可提高燃气轮机回热循环的热效率； 当升温比当升温比及回热度及回热度一定时，随着增压比一定时，随着增压比的提高，回的提高，回热循环的热效率有一个极大值，如图所示。当回热度增大时，热循环的热效率有一个极大值，如图所示。当回热度增大时，与热效率极大值相对应的增压比的数值不断降低。与热效率极大值相对应的增压比的数值不断降低。（2）采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环采用多级压缩中间冷却以及再热的回热循环 采用多级压缩中间冷却，可使压缩终了温度降低。而采采用多级压缩中间冷却，可使压缩终了温度降低。而采用多级膨胀中间再热，可使膨胀终了温度提高。这两方面都用多级膨胀中间再热，可使膨胀终了温度提高。这两方面都可使回热的温度范围大为扩展，从而提高平均吸热温度及降可使回热的温度范围大为扩展，从而提高平均吸热温度及降低平均放热温度，使循环热效率得到较大的提高。低平均放热温度，使循环热效率得到较大的提高。 结构复杂，体积较大，因而常单独采用多级压缩中间冷结构复杂，体积较大，因而常单独采用多级压缩中间冷却，或采用多级膨胀中间再热。却，或采用多级膨胀中间再热。 二、理想回热循环1.活塞式热气发动机理想循环斯特林循环外部加热的闭式循环，活塞式外燃机循环。由两个活塞和两个气缸、一个加热器、一个冷却器和一个回热器组成。（1）定温压缩过程（2）定容吸热过程（3）定温膨胀过程（4）定容放热过程可以证明：在相同温度范围内，理想的定容回热循环和卡诺循环，具有相同热效率。2.艾利克松循环：开式循环，利用定压回热代替了斯特林循环-定容循环。（1）定温压缩过程（2）定压吸热过程（3）定温膨胀过程（4）定压放热过程可以证明：在相同温度范围内，理想的定压回热循（艾利克松循环）和卡诺循环，具有相同热效率。