工程热力学第六章

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4) 将燃烧过程看成是工质从高温热源可逆吸热过程， 将排气过程看成是工质向低温热源可逆放热过程。
5) 忽略工质的动、位能变化。
活塞式内燃机理想混合加热循环（萨巴德循 环）
由两个可逆绝热过程、两个可逆定容过程及一 个可逆定压过程组成
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1-2：可逆绝热压缩过程；2-3：可逆定容加热过程； 3-4：可逆定压加热过程；4-5：可逆绝热膨胀； 5-1：可逆定容放热过程。
1
T1 1
v4 由可逆定压过程3-4得 ： T4 T3 T1 1 v3
v4 由可逆绝热过程4-5得 ： T5 v5
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由可逆定容过程2-3得 ： p3 T3 T2 T1 1 p2
1
T4 T1
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(2)活塞式内燃机理想循环
对实际循环加以合理的抽象、概括和简化： 1) 忽略实际过程中进、排气阀的节流损失；进气与 排气过程互相抵消；认为废气与吸入的新鲜空气状态 相同；忽略喷入的油量，假设一定量的工质在气缸中 进行封闭循环。 2) 假定工质是化学成分不变、比热容为常数的理想 气体—空气。 3) 忽略工质、活塞、气缸壁之间的热交换及摩擦阻 力，认为工质的膨胀和压缩过程是可逆绝热的。
工程热力学
Engineering Thermodynamics
第六章 气体动力循环
主 要 内 容
• 1.活塞式内燃机循环
• 2.活塞式内燃机各种循环比较 • 3.燃气轮机装置的循环
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§6.1 活塞式内燃机循环
气体动力循环分类：
按结构
活塞式： 汽车，摩托，小型轮船
航空，大型轮船，移动电站 叶轮式： 汽油机： 小型汽车，摩托
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（2）定容加热循环 （奥图Otto循环)
定压预胀比：
1
t 1
1
汽油机和煤气机的理想循环 循ห้องสมุดไป่ตู้热效率：
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1
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（3）定压加热循环 （狄塞尔循环)
定容升压比：
1 循环热效率： t 1 1 1 早期低速柴油机的理想循环，现已被淘汰。
q2V q2 m q2 p 放热量：
q1V q1m q1 p 吸热量：
三种理想循环的热效率
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t V tm t p
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（2）进气状态、最高压力、吸热量彼此相同
放热量：
q2 p q2 m q2V
吸热量：
q1 p q1m q1V
三种理想循环的热效率：t p t m t V
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1
t
1

1
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第六章小结
（ 1 ）了解活塞式内燃机的循环工作过 程、三种理想循环的构成及影响循环热 效率的主要因素。
（ 2 ）了解燃气轮机的循环工作过程、 以及燃气轮机的定压循环热效率。
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燃气轮机工作过程的P-v图和T-S图
定压循环也称为Brayton循环
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燃气轮机定压循环与外界的能量交换
1、循环定压吸热量
q1 h3 h2 c p (T3 T2 )
2、循环定压放热量
q2 h1 h4 c p (T1 T4 )
3、燃气轮机作功量：
wT h3 h4 c p (T3 T4 )
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4、压气机耗功量：
wC h2 h1 c p (T2 T1 )
5、燃气轮机定压循环热效率 q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2 p2 定义循环增压比 p1 则
1
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1
3、影响理想循环热效率的主要因素
（1） 压缩比 的影响

t
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提高压缩比是提高内燃机循环热效率的 主要途径之一 。 汽油燃点低，易爆燃，压缩比受限制。 一般汽油机： 一般柴油机：
5 10
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柴油机热效率一般高于汽油机，但汽油 机小巧。
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2、活塞式内燃机理想循环分析
为了说明内燃机的工作过程对循环热效 率的影响，引入下列内燃机的特性参数：
压缩比： 升压比：
v1 v2
p3 p 2
预胀比：
v 4 v3
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（1） 混合加热循环
单位质量工质的吸热量：
q1 cv T3 T2 cp T4 T3
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（2）绝热指数 的影响

t
值大小取决
于工质的种类 和温度 。
潜艇用氦气： 1.66
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（3）升压比 和预胀比 的影响
当压缩比 和绝热指数 一定时，


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t t
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4、三种活塞式内燃机理想循环比较
（1）进气状态、最高压力、最高温度彼此相 同 用下角标V(‘)、m、 p(“)分别代表定容加 热循环、混合加热循 环、定压加热循环。
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将各点温度代入循环 热效率表达式： T5 T1 t 1 T3 T2 T4 T3
1 1 1 1 1
由上式可见，混合加热循环的热效率与 多种因素有关，当压缩比 增加、升压比 增加以及预胀比 减少时，都会使混合加热 循环的热效率提高。
单位质量工质的放热量：
q2 cv T5 T1
wnet q1 q2 q2 1 循环热效率： t q1 q1 q1
T5 T1 1 T3 T2 T4 T3
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各点温度可由以下过程求得 ： 由可逆绝热过程1-2得 ：
v1 T2 T1 v2
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2）压缩冲程1-2：活塞到达下死点1时，进气 阀关闭；活塞上行，压缩空气。 1-2’ 为多变压缩： p2’= 3~5MPa ， t2’=600~800℃， 2’ 点开始喷进柴油， 柴油自燃温度约 205℃。
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3）动力冲程2-3-4-5 ： 2-3 柴油迅速燃烧，活 塞在上死点移动甚微， 近似定容燃烧，压力 迅速升至5~9 MPa 。 3-4 活塞下行，继续喷 油、燃烧、近似定压 膨胀， 4点喷油停止， 温度达1700~1800 ℃。
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§6.2 燃气轮机循环
燃气轮机是以连续流动的气体为工 质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转 变为有用功的内燃式动力机械，是一种 旋转叶轮式热力发动机。
可用于发电，作为汽车、船和飞机 的动力。
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燃气轮机工作过程
• 压气机的压缩过程 可以理想化为定熵压缩过程 • 燃烧室中燃料燃烧放热 可以理想化为定压吸热过程 • 燃气轮机中的膨胀做功过程 可以理想化为定熵膨胀过程 • 废气排出过程 可以理想化为定压放热过程
中、大型汽车，火车，轮船， 柴油机： 按燃料 移动电站 航空 煤油机： 点燃式、压燃式 按点燃方式： 按冲程数：二冲程、四冲程
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以四冲程柴油机为例分析其实际工作循环
单缸汽油机构造示意图
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1、活塞式内燃机实际循环与理想循环
(1) 活塞式内燃机实际循环
柴油机工作的4个冲程： 1）进气冲程0-1：活 塞从汽缸上死点下行， 进气阀开启，吸入空 气。由于进气阀的节 流作用，气缸内气体 的压力约低于大气压 力。
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4-5 燃气膨胀作功，压力、温度下降，活塞到5点时， 压力约 0.3~0.5 MPa，温度约500 ℃。
4）排气冲程5-0： 活塞到下死点5时，排 气阀打开，部分废气排 出，而活塞移动极微， 接近定容降压过程。活 塞开始上行，将气缸中 剩余气体排出，完成一 个实际循环。
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