工程熱力第十章

工程熱力第十章第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日1§10–1分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法一.分析動(dòng)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。二.分析動(dòng)力循環(huán)的一般步驟1）實(shí)際循環(huán)（復(fù)雜不可逆）抽象、簡(jiǎn)化可逆理論循環(huán)分析可逆循環(huán)影響經(jīng)濟(jì)性的主要因素和可能改進(jìn)途徑實(shí)際循環(huán)指導(dǎo)改善2）分析實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的偏離程度，找出實(shí)際

損失的部位、大小、原因及改進(jìn)辦法。第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日2三.分析動(dòng)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。熵分析法用分析法熵產(chǎn)作功能力損失用損用效率第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日3四.空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)(theair-standardhypothesis)氣體動(dòng)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(jì)TsT1T0WnetWcWnet,act五、內(nèi)部熱效率(internalthermalefficiency)i——不可逆過程中實(shí)際作功量和循環(huán)加熱量之比。第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4以燃?xì)鉃楦邷責(zé)嵩?，環(huán)境為低溫?zé)嵩磿r(shí)卡諾循環(huán)的熱效率。與實(shí)際循環(huán)相當(dāng)?shù)膬?nèi)可逆循環(huán)的熱效率。相對(duì)熱效率(relativethermalefficiency)，反映該內(nèi)部可逆循環(huán)因與高、低溫?zé)嵩创嬖跍夭睿ㄍ獠坎豢赡妫┒斐傻膿p失。相對(duì)內(nèi)部效率(internalengineefficiency)反映內(nèi)部摩擦引起的損失。第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日5§10–2活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡(jiǎn)化一.活塞式內(nèi)燃機(jī)(internalcombustionengine)簡(jiǎn)介分類：

按燃料：煤氣機(jī)(gasengine)、汽油機(jī)(gasolineengine;petrolengine)、柴油機(jī)(dieselengine)

按點(diǎn)火方式：點(diǎn)燃式(sparkignitionengine)、壓燃式(compressionignitionengine)

按沖程：二沖程(two-stroke)、四沖程(four-stroke)第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日6活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)特點(diǎn)：

開式循環(huán)(opencycle)；

燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為不可逆；

各環(huán)節(jié)中工質(zhì)質(zhì)量、成分稍有變化。第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日7二、平均有效壓力--meaneffectivepressure循環(huán)凈功與活塞排量的比值。第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日8三.活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡(jiǎn)化汽油機(jī)第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日901吸氣12壓縮23噴油、燃燒34燃燒45膨脹作功50排氣簡(jiǎn)化：引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)燃燒2-3等容吸熱+3-4定壓吸熱排氣5-1等容放熱壓縮、膨脹1-2及4-5等熵過程吸、排氣線重合、忽略燃油質(zhì)量忽略燃?xì)獬煞指淖兒雎圆裼蜋C(jī)第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日10§10–3活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)一.混合加熱理想循環(huán)（dualcombustioncycle）1.p-v圖及T-s圖12等熵壓縮；23等容吸熱；34定壓吸熱；45等熵膨脹；51定容放熱特性參數(shù)：壓縮比—compressionratio定容增壓比—pressureratio定壓預(yù)脹比—cutoffratio注意：第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日112.循環(huán)熱效率第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日12第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日13兩式相除，考慮到把T2、T3、T4和T5代入求第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日14討論：歸納：a.吸熱前壓縮氣體，提高平均吸熱溫度是提高熱

效率的重要措施，是卡諾循環(huán)，第二定律對(duì)實(shí)際循環(huán)的指導(dǎo)。

b.利用T-s圖分析循環(huán)較方便。c.同時(shí)考慮q1和q2或T1m和T2m平均。第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日15二.定壓加熱理想循環(huán)—Dieselcycle第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日16討論：C)

重負(fù)荷（，q1

）時(shí)

內(nèi)部熱效率下降，除

外還有因溫度上升而使

，造成熱效率下降。第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日17三.定容加熱理想循環(huán)—Ottocycle第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日18第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日19討論：C)

重負(fù)荷（q1

）時(shí)內(nèi)部熱效率下降，因溫度上升使

，造成熱效率下降。第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日20已知某柴油機(jī)混合加熱理想循環(huán)p1=0.17MPa、t1=60℃，壓縮比ε=14.5，氣缸中氣體最大壓力10.3Mpa，循環(huán)加熱量q1=900kJ/kg。設(shè)其工質(zhì)為空氣，比熱容為定值并取cp=1004J/（kg.K），cV=718J/（kg.K），κ=1.4；環(huán)境溫度t0=20℃，壓力p0=0.1Mpa。試分析該循環(huán)并求循環(huán)熱效率及傭效率。

解：由已知條件：p1=0.17kPa、T1=333.15K點(diǎn)1：

點(diǎn)2：

第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日211-2是定熵過程，有

點(diǎn)3：

第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日22點(diǎn)4：

=10.3Mpa，所以

點(diǎn)5：

第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日23或在吸熱過程中空氣熵增為

第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日24所以平均吸熱溫度為

循環(huán)吸熱量中的可用能：

循環(huán)火用效率

第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日25§10–4活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較一.壓縮比相同，吸熱量相同時(shí)的比較或第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日26二.循環(huán)pmax，Tmax相同時(shí)的比較或第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日27（*）若使活塞式內(nèi)燃機(jī)按卡諾循環(huán)運(yùn)行，并設(shè)其溫度界限與下圖所示混合循環(huán)相同，試從工程實(shí)踐角度比較兩個(gè)循環(huán)，已知：p1=0.17MPa，T1=333k，p4=10.3MPa，T4=1985k，v2=0.0387m3/kg第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日28解：第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日29從工程實(shí)用角度出發(fā)：1）pa=87.9MPa，壓力太高；2）pb=0.0199MPa，壓力太低，真空狀態(tài)難以維持；3）4）活塞從ab移動(dòng)距離太長(zhǎng)，摩擦損耗太大，所以雖然每循環(huán)理論wnet增大，但實(shí)際收效甚少。第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日30§10-6燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)一.燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbine)裝置簡(jiǎn)介第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日31第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日32構(gòu)成：

壓氣機(jī)(compressor)

燃燒室(combustionchamber)

燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbine)特點(diǎn)：1.開式循環(huán)(opencycle)，工質(zhì)流動(dòng)2.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，連續(xù)輸出功3.啟動(dòng)快，達(dá)滿負(fù)荷快4.壓氣機(jī)消耗了燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生功率

的絕大部分，但重量功率比(specificweightofengine)仍較大用途：飛機(jī)、艦船的動(dòng)力載荷機(jī)組，電站峰荷機(jī)組(peak-loadset)，等。第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日33二.定壓加熱理想循環(huán)—constant-pressurecombustioncycle;Braytoncycle1-2等熵壓縮（壓氣機(jī)內(nèi)）2-3定壓吸熱（燃燒室內(nèi)）3-4等熵膨脹（燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)）4-1定壓放熱（排氣，假想換熱器）循環(huán)增壓比—pressureratio

循環(huán)增溫比—temperatureratio31TTt=第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日34三.定壓加熱理想循環(huán)分析1.熱效率ηt注意：式中T1，T2并非指高溫

熱源，低溫?zé)嵩?。第三十五頁，共五十八頁，編輯?023年，星期日352.分析？第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日36第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日37可見：1）對(duì)于每一τ，均有其wnet,max。2）τ上升，即T3上升，使取得wnet,max

的π

上升，ηt上

升，所以提高T3

能帶動(dòng)

wnet,max

及ηt同時(shí)升高。第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日38§10–7燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實(shí)際循環(huán)一.定壓加熱的實(shí)際循環(huán)1-2不可逆絕熱壓縮；2-3定壓吸熱；3-4不可逆絕熱膨脹；4-1定壓放熱。第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日39二.壓氣機(jī)絕熱效率(adiabaticcompressorefficiency)

ηCS和燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率(adiabaticturbineefficiency)ηT第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日40三.燃?xì)廨啓C(jī)裝置的內(nèi)部熱效率(internalthermalefficiency)ηi

整理后可得：第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日41討論：增大τ是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能（wnet，ηi）的方向。第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日42§10–8提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)熱效率的措施一.回?zé)帷猺egeneration討論2）極限回?zé)岬谒氖?，共五十八頁，編輯?023年，星期日433）回?zé)岫取猺egeneratoreffectiveness注意：π達(dá)一定值，回?zé)岵荒苓M(jìn)行4）實(shí)際循環(huán)的回?zé)岬谒氖捻?，共五十八頁，編輯?023年，星期日44分級(jí)壓縮，中間冷卻—multistagecompressionandinterveningcooling第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日45二.分級(jí)壓縮，中間冷卻采用分級(jí)壓縮，中間冷卻后ηt？循環(huán)12341：循環(huán)1567341：循環(huán)12341循環(huán)67256循環(huán)67256：回?zé)峄A(chǔ)上分級(jí)壓縮中間冷卻回?zé)峄A(chǔ)上第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日46三.回?zé)峄A(chǔ)上分級(jí)膨脹，中間加熱循環(huán)12389101=循環(huán)127101-循環(huán)37983若無回?zé)崛艋責(zé)?/p>

循環(huán)12389101與循環(huán)12341

比較T1m上升，T2m下降注意：

當(dāng)分級(jí)壓縮中間冷卻；分級(jí)膨脹中間再熱，級(jí)數(shù)趨向無窮多時(shí)，定壓加熱理想循環(huán)趨于概括性卡諾循環(huán)。第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日47氣體動(dòng)力循環(huán)熱效率分析歸納：

基礎(chǔ)：方法：

在T-s圖上疊加、拆分等；

在T-s圖上與同溫限卡諾循環(huán)比較；

利用ηt=f(x,y,z···)的數(shù)學(xué)特性。第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日48某燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)，循環(huán)增壓比π=7，增溫比τ=4，壓氣機(jī)吸入空氣壓力p1=0.8MPa，t1=17°c。壓氣機(jī)絕熱效率ηcs=0.90，燃機(jī)輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率ηT=0.92，若空氣取定比熱，其cp=1.03kJ/kg·K，Rg=0.287kJ/kg·K，κ=1.3863求：1）裝置內(nèi)部熱效率ηi，循環(huán)吸熱量q1和放熱量q2；2