工程熱力學(xué)機(jī)械第09章

1、第九章 氣體動力循環(huán)1一、分析動力循環(huán)的目的在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上，分析循環(huán)能量轉(zhuǎn)化的 經(jīng)濟(jì)性，尋求提高經(jīng)濟(jì)性的方向及途徑。91 分析動力循環(huán)的一般方法分析動力循環(huán)的一般步驟實(shí)際循環(huán)（復(fù)雜不可逆） 吸熱、放熱、作功、熱效率實(shí)際循環(huán)指導(dǎo)改善可逆理論循環(huán)抽象、簡化分析4 分析動力循環(huán)的方法1. 第一定律分析法以第一定律為基礎(chǔ)，以能量的數(shù)量守恒為立足點(diǎn)。2. 第二定律分析法綜合第一定律和第二定律從能量的數(shù)量和質(zhì)量分析。熵分析法火用分析法熵產(chǎn)作功能力損失火用損火用效率5內(nèi)部熱效率i(internal thermal efficiency )不可逆過程中實(shí)際作功量和循環(huán)加熱量之比其中 與實(shí)際循環(huán)相當(dāng)?shù)?/p>

2、內(nèi)可逆循環(huán)的熱效率相對內(nèi)部效率(internal engine efficiency) 反映內(nèi)部摩擦引起的損失分析動力循環(huán)的一般方法：內(nèi)燃機(jī)采用燃燒前壓縮技術(shù),以提高平均吸熱溫度所用燃料為液體或氣體加熱按定容、定壓或介于定容定壓之間的過程循環(huán)采用四沖程或兩沖程點(diǎn)火方式為點(diǎn)燃式或壓燃式空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)(the air-standard hypothesis)氣體動力循環(huán)中工作流體理想氣體空氣定比熱燃燒和排氣過程吸熱和放熱過程燃料燃燒造成各部分氣體成分及質(zhì)量改變忽略不計按加熱方式分類的各類循環(huán)：1. 定容加熱循環(huán)2. 定壓加熱循環(huán)3. 混合加熱循環(huán)分析動力循環(huán)主要采用兩種方法：1. 以熱力學(xué)第一定律為

3、基礎(chǔ)的“第一定律分析法”以能量數(shù)量為立足點(diǎn),以熱效率為指標(biāo)。2.以熱力學(xué)第一定律和第二定律為依據(jù)、從能量的數(shù)量和品質(zhì)來分析，以“作功能力損失和火用效率為其指標(biāo)的第二定律分析法”。煤氣機(jī)(gas engine)汽油機(jī)(gasoline engine; petrol engine)柴油機(jī)(diesel engine) 分類：二沖程(two-stroke )四沖程(four-stroke ) 點(diǎn)燃式(spark ignition engine)壓燃式(compression ignition engine)92 活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡化按燃料：按點(diǎn)火方式：按沖程：10壓燃式柴油機(jī)空氣和燃料 (柴油

4、 )分別壓縮,自行發(fā)火式發(fā)動機(jī)。 柴油機(jī)： 0-1 吸氣 1-2-2 壓縮 2噴油 2-3 定容加熱(燃燒) 3-4 定壓加熱(燃燒) 4-5 膨脹 5-0 排氣 柴油機(jī)實(shí)際工作循環(huán)（1）不計吸氣和排氣過程，將內(nèi)燃機(jī)的工作過程看作是氣缸內(nèi)工質(zhì)進(jìn)行狀態(tài)變化的封閉循環(huán)。（2）把燃燒過程看作是外界對工質(zhì)的加熱過程，并認(rèn)為23是定容加熱過程，34是定壓加熱過程。（3）略去壓縮過程和膨脹過程中工質(zhì)與氣缸壁之間的熱量交換,近似地認(rèn)為是絕熱過程。（4）用定容放熱過程來代替廢氣排入大氣中的實(shí)際放熱過程。（二）實(shí)際工作循環(huán)的抽象與簡化簡化原則為: 活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡化（三）活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡化01 吸氣 1

5、2 等熵壓縮 23 定容加熱 34 定壓加熱 45 等熵膨脹 51 排氣10 排氣排氣51 等容放熱吸氣01排氣線10重合略去，封閉循環(huán)燃油質(zhì)量忽略燃?xì)獬煞指淖兒雎赃M(jìn)一步說明 工質(zhì)為空氣定比熱二、平均有效壓力 mean effective pressure 一、混合加熱理想循環(huán)12 等熵壓縮；23 等容吸熱； 34 定壓吸熱；45 等熵膨脹； 51 定容放熱該循環(huán)由于兼有定容和定壓加熱過程，所以稱為“混合加熱循環(huán)”，也稱“薩巴太循環(huán)”。93 活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)1、p-v圖及T-s圖二、內(nèi)燃機(jī)的特性參數(shù)及混合加熱理想循環(huán)各典型點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)（1）壓縮比compression ratio ：壓縮

6、前的比體積與壓縮后的比體積之比，它是表征內(nèi)燃機(jī)工作體積大小的結(jié)構(gòu)參數(shù)。（2）定容升壓比pressure ratio : 定容加熱后的壓力與加熱前的壓力之比，它是表示內(nèi)燃機(jī)定容燃燒情況的特性參數(shù)。（3）定壓預(yù)脹比 cutoff ratio : 定壓加熱后的比體積與加熱前的比體積之比，它是表示內(nèi)燃機(jī)定壓燃燒情況的特性參數(shù)。循環(huán)熱效率三、混合加熱循環(huán)的能量分析和性能分析，求出得討論：把T2、T3、T4和T5代入循環(huán)凈功和凈熱分別為 在循環(huán)特性參數(shù)（、及）一定的條件下，提高初態(tài)參數(shù)，對熱效率雖然并無影響，但可以提高凈功。因此可以采用“增壓”等措施來提高柴油機(jī)的凈功。四、定壓加熱理想循環(huán)Diesel c

7、ycle熱效率 熱效率隨著壓縮比的增大,預(yù)脹比的減小和采用高值的氣體而增大。五.定容加熱理想循環(huán)Otto cycle熱效率圖101所示的定容加熱活塞式內(nèi)燃機(jī)理想循環(huán)，工質(zhì)為空氣，比熱容為定值并取已知壓縮比試求循環(huán)各點(diǎn)的溫度、壓力、比體積，循環(huán)熱效率及平均有效壓力。解：由已知條件：例：一.壓縮比相同，吸熱量相同時的比較或 94 活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較或二.循環(huán)pmax，Tmax相同時的比較一.燃?xì)廨啓C(jī)裝置簡介9-5 燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)(gas turbine) 特點(diǎn)：1.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，連續(xù)輸出功 2.啟動快，達(dá)滿負(fù)荷快 3.重量功率比 仍較大用途： 飛機(jī)、艦船的動力載荷機(jī)組， 電站峰荷機(jī)

8、組(peak-load set)，等。優(yōu)點(diǎn)： 其熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程是在燃?xì)廨啓C(jī)中實(shí)現(xiàn)，它是一種旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)速可設(shè)計很高，且工作過程連續(xù)?？稍谠O(shè)備重量小，尺寸小的條件下發(fā)出很大功率。缺點(diǎn)：葉片材料、設(shè)計、加工、裝配要求很高。燃?xì)廨啓C(jī)裝置是一種以空氣及燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的熱動力設(shè)備小型燃?xì)廨啓C(jī)軸流式燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)簡圖：燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)簡圖燃燒室為定壓燃燒，壓縮、膨脹過程與絕熱相近。故定壓燃燒燃?xì)廨啓C(jī)裝置的理想循環(huán)組成如下： 絕熱壓縮、定壓吸熱、絕熱膨脹、定壓放熱燃燒室燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)q1321圖 1016二. 定壓加熱理想循環(huán)定壓燃燒燃?xì)廨啓C(jī)裝置流程示意圖如下:二.定壓加熱理想循環(huán)過程1-2 等熵

9、壓縮（壓氣機(jī)內(nèi)）過程2-3 定壓吸熱（燃燒室內(nèi)）過程3-4 等熵膨脹（燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)）過程4-1 定壓放熱循環(huán)增壓比pressure ratio 循環(huán)增溫比temperature ratio1.熱效率t注意：式中T1，T2并非指高溫 熱源，低溫?zé)嵩?。?定壓加熱理想循環(huán)分析2.分析一.定壓加熱的實(shí)際循環(huán) 96 燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實(shí)際循環(huán)1-2a 不可逆絕熱壓縮； 2-3 定壓吸熱； 3-4a 不可逆絕熱膨脹； 4-1 定壓放熱。二、壓氣機(jī)絕熱效率 adiabatic compressor efficiency三、燃?xì)廨啓C(jī)相對內(nèi)效率 adiabatic turbine efficiency三、燃?xì)?/p>

10、輪機(jī)裝置的內(nèi)部熱效率 (internal thermal efficiency)i 整理回?zé)醨egeneration 97 提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置熱效率的熱力學(xué)措施1）極限回?zé)?）回?zé)岫萺egenerator effectiveness 注意：達(dá)一定值，回?zé)岵荒苓M(jìn)行3） 98 噴氣發(fā)動機(jī)(jet engine)簡介12 擴(kuò)壓管壓縮 23 壓氣機(jī)壓縮34 定壓燃燒45 膨脹作功 56 噴管加速 定壓燃燒噴氣式發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)及實(shí)際循環(huán)與燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)相同理想循環(huán)注意：壓縮和膨脹過程 都分兩段作業(yè)：91, 5, 15第九章 完End of Preface定容加熱理想循環(huán)中，如果絕熱膨脹不在4點(diǎn)停下，而使之繼續(xù)膨脹到，5