工程熱力學(xué)14 氣體動(dòng)力循環(huán)

1、14 氣體動(dòng)力循環(huán)14.1 燃?xì)廨啓C(jī)裝置與定壓加熱循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)裝置是以燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的熱動(dòng)力裝置，最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖如圖14-1所示，由壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)廨啓C(jī)三個(gè)基本部分組成。圖14-1 簡(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)裝置示意圖1壓氣機(jī) 2燃燒室 3噴油嘴 4燃?xì)廨啓C(jī) 5發(fā)電機(jī) 6啟動(dòng)電動(dòng)機(jī) 7燃料泵在燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中，空氣不斷地被壓氣機(jī)吸入，經(jīng)壓縮升壓后，送入燃燒室；壓縮空氣在燃燒室中和供入的燃料在定壓下燃燒，形成高溫燃?xì)?；高溫燃?xì)馀c來(lái)自燃燒室?jiàn)A層通道中的壓縮空氣混合，使混合氣體的溫度降到燃?xì)廨啓C(jī)葉片所能承受的溫度范圍后，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的噴管；燃?xì)庠趪姽苤信蛎浖铀?，形成高速氣流，沖擊葉輪對(duì)外輸出功量；做功后

2、的廢氣排入環(huán)境。燃?xì)廨啓C(jī)做出的功量除一部分帶動(dòng)壓氣機(jī)外，其余部分（循環(huán)凈功）對(duì)外輸出。顯然，上述燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)是一個(gè)不可逆的開(kāi)式循環(huán)，而且循環(huán)中工質(zhì)的成分、質(zhì)量都有變化。為了便于分析，需要把實(shí)際循環(huán)作理想化的假設(shè)： 燃燒室中噴入的燃料質(zhì)量忽略不計(jì)； 忽略阻力的影響，燃燒過(guò)程壓力變化不大，可以把燃料燃燒的化學(xué)過(guò)程假定為工質(zhì)從高溫?zé)嵩次諢崃康亩▔何鼰徇^(guò)程； 燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣壓力和壓氣機(jī)吸入的氣體壓力都非常接近大氣壓力，可以把廢氣的排放假定為 工質(zhì)向冷源放熱后，再返回到壓氣機(jī)的定壓放熱過(guò)程； 工質(zhì)在壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中向外散熱很少，可以理想化為可逆絕熱過(guò)程，即定熵過(guò)程； 工質(zhì)為理想氣體，比熱容為定值

3、。通過(guò)上述假定，燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)就被簡(jiǎn)化為定量工質(zhì)完成的可逆的封閉循環(huán)。該循環(huán)由定熵壓縮過(guò)程（1-2）、定壓加熱過(guò)程（2-3）、定熵膨脹過(guò)程（3-4）和定壓放熱過(guò)程（4-1）四個(gè)可逆過(guò)程組成，稱為燃?xì)廨啓C(jī)裝置的定壓加熱理想循環(huán)，又稱布雷頓循環(huán)，其p-v圖和T-s圖如圖14-2所示。vp12341234Ts圖14-2 理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)對(duì)組成布雷頓循環(huán)的各過(guò)程進(jìn)行能量分析計(jì)算，可以得出其熱效率如下：吸熱量（2-3）：放熱量（4-1）：按照循環(huán)熱效率的定義，可得：（14-1）由于1-2以及3-4是定熵過(guò)程，并且,可得，把上式代入式（14-1），可得，（14-2）從這里可以看出，燃?xì)廨啓C(jī)裝置的定壓加熱理想

4、循環(huán)的熱效率完全取決于參數(shù)，這一參數(shù)定義為循環(huán)增壓比，并隨著的增大而增大。但是對(duì)于增壓比的選擇還必須考慮單位質(zhì)量工質(zhì)所作的凈功量的影響。燃?xì)廨啓C(jī)輸出的功量而壓氣機(jī)所消耗的功量，因此，循環(huán)凈功量的計(jì)算式為（14-3）上式表明，在一定溫度范圍、內(nèi)，循環(huán)的凈功量也完全取決于增壓比。當(dāng)凈功量達(dá)到最大時(shí)的增壓比稱為最佳增壓比，其數(shù)值可以通過(guò)對(duì)（14-3）式求導(dǎo)得到，（14-4）這里定義循環(huán)增溫比。由于工質(zhì)的最高溫度受材料耐熱性能的限制，而最低溫度受環(huán)境大氣溫度的限制，因此最佳增壓比也必然受到一定的限制?！纠?4.1】在如圖14-2所示的理想燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)中，工質(zhì)為空氣，進(jìn)入壓氣機(jī)時(shí)的壓力，循環(huán)的增壓比，循

5、環(huán)最高溫度為800，假定空氣的比熱容，試求循環(huán)凈功量及循環(huán)熱效率解：（1）假定空氣為理想氣體，首先確定各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，點(diǎn)1:，點(diǎn)2:，點(diǎn)3:，點(diǎn)4:，即（2） 燃?xì)廨啓C(jī)所做功量壓縮機(jī)所消耗的功因此循環(huán)凈功量（3）循環(huán)的吸熱量循環(huán)熱效率熱效率也可以用式（14-2）直接計(jì)算得到，兩者的計(jì)算結(jié)果一致。14.2 燃?xì)廨啓C(jī)裝置的實(shí)際循環(huán)因流經(jīng)葉輪式壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的流體流速很高，各種摩擦（流體之間、流體與通道間）不能忽略，考慮實(shí)際的膨脹壓縮不可逆損失，需引入如下修正：Ts2124403 壓氣機(jī)的絕熱效率 燃?xì)廨啓C(jī)的相對(duì)內(nèi)效率則燃?xì)廨啓C(jī)裝置實(shí)際輸出凈功實(shí)際吸熱量實(shí)際循環(huán)的熱效率討論： 循環(huán)增溫比， 受限于

6、環(huán)境，故盡量使，可考慮用陶瓷取代金屬作為發(fā)動(dòng)機(jī)材料，但須克服其脆性，正研制功能梯度材料。 當(dāng)一定，隨變化有一極大值。 ，目前 ，以上討論均為改進(jìn)熱力學(xué)參數(shù)以提高熱效率，還可以從改進(jìn)循環(huán)結(jié)構(gòu)入手，即：采用回?zé)?，并在此基礎(chǔ)上的多級(jí)壓縮，中間冷卻和多級(jí)膨脹，中間再熱。14.3 具有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)一、回?zé)釟怏w工質(zhì)在燃?xì)廨啓C(jī)中膨脹做功后的溫度還較高，為減少直接排放的損失，可用于壓氣機(jī)壓縮后的空氣預(yù)熱。這種回?zé)岬臉O限：壓縮空氣溫度上升到，排氣溫度下降到。極限回?zé)崾遣豢赡苓_(dá)到的，因燃?xì)馀c空氣的換熱需要一定的溫差。實(shí)際的回?zé)岢潭确Q為回?zé)岫?通常顯然，回?zé)崽岣吡宋鼰崞骄鶞囟龋档土朔艧崞骄鶞囟?，熱效率?/p>

7、以提高。Ts12435678但這種回?zé)嶂荒芤詾樯舷?，為下限。若想進(jìn)一步提高熱效率，須使壓縮后空氣溫度下降，膨脹后的燃?xì)鉁囟壬仙?，以進(jìn)一步提高吸熱平均溫度，降低放熱平均溫度。這可通過(guò)：多級(jí)壓縮，中間冷卻 和 多級(jí)膨脹，中間再熱 實(shí)現(xiàn)。Ts12435678245614.4 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)利用高溫燃?xì)庠趪姽苤信蛎浖铀伲纬傻母咚贇饬飨蛲鈬娚渌a(chǎn)生的反作用力來(lái)推動(dòng)物體向前運(yùn)動(dòng)。圖14-3 噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)原理示意圖空氣壓縮機(jī)燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)廢氣噴管燃料噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，采用燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)作為其運(yùn)行基礎(chǔ)，如圖14-3所示。然而與燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)不同的是，噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程都是分為兩部分進(jìn)行：

8、空氣首先在入口的擴(kuò)壓管內(nèi)增壓后，再進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的壓縮；在燃燒室中燃燒后產(chǎn)生的高溫燃?xì)馐紫冗M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)膨脹做功，通過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功的大小應(yīng)該恰好能夠提供驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)所需的動(dòng)力，經(jīng)過(guò)燃?xì)廨啓C(jī)的氣體通過(guò)尾噴管膨脹加速來(lái)獲得足夠動(dòng)能，推動(dòng)飛行器飛行。假設(shè)燃料的質(zhì)量忽略不計(jì)，有興趣的同學(xué)可以試著用如下噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力循環(huán)的p-v圖與T-s圖，計(jì)算出它的凈推力。 5vp12341234Ts圖14-4 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)尾噴管6進(jìn)氣擴(kuò)壓管壓氣機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)氣機(jī)56噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、功率大。當(dāng)高速飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率隨著速度的增加而增大，因此噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于飛機(jī)和火箭等高速飛行

9、的飛行器上。(空天飛機(jī)-沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介)14.5 往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán)3456102Vp圖14-5 柴油機(jī)循環(huán)往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)經(jīng)吸氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣諸過(guò)程，完成一個(gè)工作循環(huán)，這些都是在一個(gè)帶有活塞的氣缸中進(jìn)行，因此結(jié)構(gòu)緊湊、被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸中。按照使用的燃料不同，活塞式內(nèi)燃機(jī)可分為汽油機(jī)、柴油機(jī)、煤氣機(jī)等；按照燃料的點(diǎn)火方式不同，又可分為點(diǎn)燃式和壓燃式。汽油機(jī)和煤氣機(jī)是點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)，吸入的燃料和空氣的混合物，經(jīng)壓縮后被電火花點(diǎn)燃；柴油機(jī)是壓燃式內(nèi)燃機(jī)，空氣經(jīng)壓縮至溫度升高到燃料的自燃溫度后，噴入燃料使其自燃。下面以四沖程柴油機(jī)為例，說(shuō)明內(nèi)燃機(jī)的工作原理。通過(guò)示功器記錄的四沖程柴

10、油機(jī)實(shí)際循環(huán)的pV關(guān)系示于圖14-5中。0-1線為吸氣沖程，進(jìn)氣閥開(kāi)啟，活塞從左止點(diǎn)右行到右止點(diǎn)，由于閥門的節(jié)流作用，進(jìn)入氣缸的空氣壓力略低于大氣壓。1-2為壓縮沖程，進(jìn)氣閥關(guān)閉，活塞自右止點(diǎn)返行到左止點(diǎn)附近，消耗外功，壓縮氣體，氣體的壓力升高，壓縮終了時(shí)，氣體溫度超過(guò)燃料的自燃溫度。2-3-4為燃燒過(guò)程，壓縮終了前，一部分燃料預(yù)先通過(guò)高壓油泵噴入氣缸，并迅猛燃燒，此時(shí)，活塞在左止點(diǎn)附近，位置變化很小，可近似為定容燃燒，燃?xì)鈮毫E增（2-3）；隨后，噴入的燃料繼續(xù)燃燒，活塞向右移動(dòng)，壓力幾乎維持不變（3-4）。4-5為膨脹沖程，氣缸內(nèi)高溫高壓氣體膨脹做功，活塞自左向右移動(dòng)。5-6-0為排氣沖程

11、，此時(shí)活塞移至右止點(diǎn)附近，排氣閥開(kāi)啟，排除部分廢氣，氣缸內(nèi)壓力驟降至略高于大氣壓（5-6）；活塞向左返行，將剩余廢氣排出（6-0）。這樣活塞往返兩次（四個(gè)沖程）完成一個(gè)循環(huán)。實(shí)際的循環(huán)是一個(gè)開(kāi)式的不可逆循環(huán)，為了便于理論分析，需要忽略次要因素，對(duì)實(shí)際循環(huán)進(jìn)行合理的抽象和假定： 忽略實(shí)際過(guò)程的摩擦阻力以及進(jìn)氣閥和排氣閥的節(jié)流損失，假定進(jìn)氣壓和排氣壓都等于大氣壓，因此進(jìn)氣所得的推進(jìn)功與排氣所耗的推進(jìn)功相互抵消，即圖14-5中的0-1線和6-0線重合，這樣就把一個(gè)開(kāi)式循環(huán)理想化為閉式循環(huán)； 燃料燃燒過(guò)程可以簡(jiǎn)化為從高溫?zé)嵩次諢崃康目赡孢^(guò)程，2-3是定容加熱過(guò)程，3-4為定壓加熱過(guò)程； 在壓縮和膨脹

12、過(guò)程中，忽略工質(zhì)與氣缸之間的熱交換和內(nèi)摩擦，假定1-2為定熵壓縮過(guò)程，4-5為定熵膨脹過(guò)程； 用活塞在右止點(diǎn)位置的定容放熱過(guò)程代替排氣過(guò)程5-6； 工質(zhì)為理想氣體，且比熱容為常數(shù)。pv12354Ts12345圖14-6 混合加熱循環(huán)經(jīng)過(guò)上述假定，就得到了圖14-6所示的理想循環(huán)，這是一個(gè)封閉的可逆循環(huán)。由于加熱過(guò)程由定容加熱過(guò)程2-3和定壓加熱過(guò)程3-4兩個(gè)部分組成，因此循環(huán)123451稱為混合加熱理想循環(huán)，又稱薩巴德循環(huán)?；旌霞訜嵫h(huán)的吸熱量是定容吸熱量和定壓吸熱量之和：循環(huán)放熱量為定容放熱過(guò)程5-1中放出的熱量：因此，混合加熱循環(huán)的熱效率表示為：（A）在分析氣體動(dòng)力循環(huán)時(shí)，通常引入一些反映

13、循環(huán)特性的參數(shù)。混合加熱循環(huán)的特性參數(shù)有壓縮比、定容升壓比和定壓預(yù)脹比。對(duì)于定熵壓縮過(guò)程1-2，有，（B）對(duì)于定容加熱過(guò)程2-3，（C）對(duì)于定壓加熱過(guò)程3-4，（D）由于，對(duì)于定熵膨脹過(guò)程4-5，有，（E）把以上各溫度熱效率公式（A），可得，（14-5）分析上式，可得：混合加熱循環(huán)的熱效率隨壓縮比和定容升壓比的增大而增大，隨著定壓預(yù)脹比的增大而減小。早期的低速柴油機(jī)在壓縮終了時(shí)用高壓空氣將柴油噴入氣缸，隨噴隨燃，此時(shí)活塞已經(jīng)向右移動(dòng)，氣缸內(nèi)的壓力基本保持不變。這種循環(huán)可以理想化為定壓加熱的理想循環(huán)，又稱笛塞爾循環(huán)。如圖14-7所示，笛塞爾循環(huán)由定熵壓縮過(guò)程1-2、定壓加熱過(guò)程2-3、定熵膨脹過(guò)

14、程3-4和定容放熱過(guò)程4-1組成。定壓加熱循環(huán)可以看作混合加熱循環(huán)的一個(gè)特例，即定容升壓比，由混合加熱循環(huán)的效率（14-5）式，可得定壓加熱循環(huán)的熱效率為：（14-6）pv圖14-7 定壓加熱理想循環(huán)Ts12343241圖14-8 定容加熱循環(huán)pv1234Ts1234點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)（汽油機(jī)、煤氣機(jī)）壓縮的是燃料和空氣的可燃混合物。壓縮終了時(shí)，活塞處于左止點(diǎn)處，火花塞產(chǎn)生火花點(diǎn)燃可燃混合物，由于燃燒迅速，此時(shí)活塞位移極小，近似在定容情況下燃燒，因此可按定容加熱理想循環(huán)（又稱奧托循環(huán)）來(lái)分析。如圖14-8所示，該循環(huán)由定熵壓縮過(guò)程1-2、定容加熱過(guò)程2-3、定熵膨脹過(guò)程3-4和定容放熱過(guò)程4-1組成。定容加熱循環(huán)可以看作混合加熱循環(huán)在定壓預(yù)脹比時(shí)的特例，因此由式（14-5）可得定容加熱循環(huán)的熱效率為：（14-7）由上式可以得到，定容加熱理想循環(huán)的熱效率隨著壓縮比的增大而增大。但是由于壓縮的工質(zhì)是燃料與空氣的可燃混合物，必然要受到氣體自燃溫度的限制。壓縮比過(guò)大，會(huì)發(fā)生“爆燃”現(xiàn)象，使發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作?；钊絻?nèi)燃機(jī)各種循環(huán)的熱效率比較，取決于循環(huán)實(shí)施時(shí)的條件。在不同條件下進(jìn)行比較可以得到不同結(jié)果。 因壓縮的是空氣，不受燃點(diǎn)的限制，