第九章 气体动力循环
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第九章工程热力学思考题答案
第九章气体动力循环1、从热力学理论瞧为什么混合加热理想循环的热效率随压缩比ε与定容增压比λ的增大而提高,随定压预胀比ρ的增大而降低？答:因为随着压缩比ε与定容增压比λ的增大循环平均吸热温度提高,而循环平均放热温度不变,故混合加热循环的热效率随压缩比ε与定容增压比λ的增大而提高。
混合加热循环的热效率随定压预胀比ρ的增大而减低,这时因为定容线比定压线陡,故加大定压加热份额造成循环平均吸热温度增大不如循环平均放热温度增大快,故热效率反而降低。
2、从内燃机循环的分析、比较发现各种理想循环在加热前都有绝热压缩过程,这就是否就是必然的？答:不就是必然的,例如斯特林循环就没有绝热压缩过程。
对于一般的内燃机来说,工质在气缸内压缩,由于内燃机的转速非常高,压缩过程在极短时间内完成,缸内又没有很好的冷却设备,所以一般都认为缸内进行的就是绝热压缩。
3、卡诺定理指出两个热源之间工作的热机以卡诺机的热效率最高,为什么斯特林循环的热效率可以与卡诺循环的热效率一样？答:卡诺定理的内容就是:在相同温度的高温热源与相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环,其热效率都相同,与可逆循环的种类无关,与采用哪一种工质无关。
定理二:在温度同为T1的热源与同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环,其热效率必小于可逆循环。
由这两条定理知,在两个恒温热源间,卡诺循环比一切不可逆循环的效率都高,但就是斯特林循环也可以做到可逆循环,因此斯特林循环的热效率可以与卡诺循环一样高。
4、根据卡诺定理与卡诺循环,热源温度越高,循环热效率越大,燃气轮机装置工作为什么要用二次冷却空气与高温燃气混合,使混合气体降低温度,再进入燃气轮机？答:这就是因为高温燃气的温度过高,燃气轮机的叶片无法承受这么高的温度,所以为了保护燃气轮机要将燃气降低温度后再引入装置工作。
同时加入大量二次空气,大大增加了燃气的流量,这可以增加燃气轮机的做功量。
5、卡诺定理指出热源温度越高循环热效率越高。
气体动力循环2011_B
4 v
3
P 4
2
1
P
s
Brayton循环分析
v1 v2
k 1
T2 T1
p2 p1
k 1
k
k 1
k
增压比
p 23
p2
p1
T3 v3 T4 v4 T2 v2 T1 v1
SS
1
4
v
v4 v1
k 1
T3 T4
p3 p4
k 1
k
p2 p1
k 1
k
k 1
k
T2 T1
第九章 气体动力循环
§ 9-4. 斯特林(Stirling)循环 § 9-5. 燃气轮机装置 § 9-6. 定压加热理想(Brayton)循环 § 9-7. Brayton循环的改进 § 9-8. 喷气发动机理想循环
斯特林(Stirling)循环
能不能使内部可逆循环的热效率
等于卡诺循环的热效率？
regeneration
T
2
3
T
回热器
?
2
3
C V
V
R
qR V
1
4
1
4
s
s
q12 u2 u1 u3 u4 q43 qR Stirling循环
1816年提出，近20年才实施(核潜艇，制冷…)
活塞外燃式Stirling热机
热端
冷端
有缝
T
2
3
V
R
qR V
1
4
位移活塞A
动力活塞B 2 3
回热器
p 3’ 3 4
② 涡轮轴功近似等于 压气机轴功
5’
5
2’
wT45 wi45 wT32 wi32
3
P 4
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P
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Brayton循环分析
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第九章 气体动力循环
§ 9-4. 斯特林(Stirling)循环 § 9-5. 燃气轮机装置 § 9-6. 定压加热理想(Brayton)循环 § 9-7. Brayton循环的改进 § 9-8. 喷气发动机理想循环
斯特林(Stirling)循环
能不能使内部可逆循环的热效率
等于卡诺循环的热效率？
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回热器
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q12 u2 u1 u3 u4 q43 qR Stirling循环
1816年提出，近20年才实施(核潜艇，制冷…)
活塞外燃式Stirling热机
热端
冷端
有缝
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qR V
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位移活塞A
动力活塞B 2 3
回热器
p 3’ 3 4
② 涡轮轴功近似等于 压气机轴功
5’
5
2’
wT45 wi45 wT32 wi32
第九章 气体动力循环
热能动力装置： 能够将燃料燃烧释放出来的热 量的一部分，连续不断的转换成机械能的整套热工 设备，称为热能动力装置，简称热机。
热机的分类
•根据运动机构的运动形式分
压燃式:
点燃式 四冲程
往复式
二冲程 回转式 利用高速流动的工质在叶轮内膨胀，推动叶轮 转动而工作的。 是连续的，但由于受叶轮材 料热强度的影响，其工质的最高温度不能太高， 这就限制了其热效率的进一步提高。
o
s
该循环由于兼有定容和定压加热过程，所以称为 “混合加热循环”，也称“萨巴特循环”。
2.内燃机的特性参数
压缩比：压缩前的比体积与压缩后的比体积之比。它是
表征内燃机工作体积大小的结构参数。
v1 v2
定容升压比: 定容加热后的压力与加热前的压力之比。 它表示定容加热量的多少，与前期喷油量有关。前期喷
2
2 4
4
v4 v1
o
1
v
o
1
s
v3 k 1 v2 k 1 1 k 1 T4 ( ) ( ) ( ) T3 v4 v1
T4 T3 ( )
1
k 1
T1
v3 k p4 1 k ( ) ( ) p3 v4
p4 p3 ( ) p1
k
1
3、定容加热循环的能量分析和热效率
第九章
学习目标：
气体动力循环
•掌握将实际循环抽象和简化为理想循环的一般方法， 并能分析各种循环的热力过程的组成； •掌握热机循环的分析方法，能够按照循环的热力过 程性质，确定参数间的关系，分析和计算各种循环 的吸热量、放热量、做功量及热效率； •会分析影响各种循环热效率的主要因素及提高各种 循环能量利用经济性的具体方法和途径。
工程热力学-09 气体动力循环
第九章
气体动力循环
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
吉恒松
混和加热循环 活塞式内燃机 定容加热循环
定压加热循环
燃气轮机装置
定压加热燃气轮机循环 回热循环 采用多级压缩中间冷却的回热循环
目的
按照循环过程性质，确定参数间的关系 写出循环热效率关系式 分析参数变化对循环热效率的影响
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
T2
T1
(
v1 v2
) k 1
T1 k1
T3
T2
p3 p2
T2
T1 k1
T4
T3
v4 v3
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T5
T4
(
v4 v5
)k 1
T4
(
v3 v1
)k 1
T4
(
)k
1
T1 k
t
1
1
k 1
(
k 1 1) k(
3 Ws
汽轮机 4
燃气轮机装置示意图
闭式燃气轮机装置示意图
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
13
一、定压加热燃气轮机循环
2
1、循环的四个过程
①可逆绝热压缩过程1-2 （压气机） 压气机 ②可逆定压加热过程2-3 （燃烧室） ③可逆绝热膨胀过程3-4 （燃气轮机）1 ④可逆定压放热过程4-1 （大气中） 空气
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
20
1)
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5
t
1
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气体动力循环
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
吉恒松
混和加热循环 活塞式内燃机 定容加热循环
定压加热循环
燃气轮机装置
定压加热燃气轮机循环 回热循环 采用多级压缩中间冷却的回热循环
目的
按照循环过程性质，确定参数间的关系 写出循环热效率关系式 分析参数变化对循环热效率的影响
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
T2
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汽轮机 4
燃气轮机装置示意图
闭式燃气轮机装置示意图
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一、定压加热燃气轮机循环
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1、循环的四个过程
①可逆绝热压缩过程1-2 （压气机） 压气机 ②可逆定压加热过程2-3 （燃烧室） ③可逆绝热膨胀过程3-4 （燃气轮机）1 ④可逆定压放热过程4-1 （大气中） 空气
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5
t
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k 1
(
工程热力学复习参考题-第九章
第九章气体动力循环一、选择题1。
燃气轮机装置，采用回热后其循环热效率显著升高的主要原因是 CD A．循环做功量增大B．循环吸热量增加C．吸热平均温度升高D．放热平均温度降低2.无回热等压加热燃气轮机装置循环的压气机，采用带中冷器的分级压缩将使循环的 BCDA．热效率提高 B．循环功提高C．吸热量提高 D．放热量提高3.无回热定压加热燃气轮机装置循环，采用分级膨胀中间再热措施后，将使BCA．循环热效率提高B．向冷源排热量增加C．循环功增加D．放热平均温度降低4。
燃气轮机装置采用回热加分级膨胀中间再热的方法将ACA．降低放热平均温度B．升高压气机的排气温度C．提高吸热平均温度D．提高放热的平均温度5。
燃气轮机装置等压加热实际循环中，燃气轮机装置的内部效率的影响因素有ABCDiA．燃气轮机的相对内效率B．压气机的压缩绝热效率C．压缩比D．升温比6.采用分级压缩中间冷却而不采取回热措施反而会使燃气轮机装置的循环热效率降低的原因是ABA．压气机出口温度降低B．空气在燃烧室内的吸热量增大C．燃气轮机做功量减少D．燃气轮机相对内效率降低7.采用分级膨胀中间再热而不采用回热措施，会使燃气轮机装置循环热效率降低的原因是BDA．压气机出口温度降低B．循环吸热增大C．循环做功量减少D．循环放热量增加8。
目前燃气轮机主要应用于 BD A ．汽车B ．发电站C ．铁路轨车D ．飞机二、填空题1。
最简单的燃气轮机装置的主要设备有压气机，燃烧室，燃气轮机。
2.燃气轮机装置的理想循环由绝热压缩，定压加热，绝热膨胀，定压放热四个可逆过程组成。
3。
燃气轮机装置循环中，压气机的绝热压缩过程工质的终态压力与初态压力之比称为增压比。
4。
工程上把燃气轮机的实际做功量与理想做功量之比称为相对内效率. 5.燃气轮机装置中，最高温度与最低温度之比称为升温比。
6。
工程上，把在回热器中实际吸收的热量与极限回热条件下可获得的热量之比称为回热度。
三、简答题1．实际简单燃气轮机装置循环的热效率与哪些因素有关？ t η=1—κκπ11-κ取决于燃料的成分及空气的增压比情况 增压比π越大，热效率越高2．提高燃气轮机装置循环的热效率的措施有哪些？ 回热。
工程热力学-10气体动力循环
柴油机的实际示功图
实际循环：
0-1 进气过程 1-2 压缩过程 2-3-4 燃烧过程 4-5 膨源自(作功)过程 5-1 自由排气过程
＋强制排气过程
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
2
实际循环的理想化： 1. 把热力过程理想化→理论示功图 ①进气过程→0-1定压吸气 ②压缩过程→1-2定熵压缩 ③燃烧过程→2-3定容加热＋3-4定压加热 ④膨胀过程→4-5定熵膨胀 ⑤排气过程→5-1定容排气＋1-0定压排气
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
6
w0 q23 34 q51
p1v1 { 1[( 1) ( 1)] ( 1)} 1
可见 , , w0
混合加热循环热效率 thermal efficiency
t
1
q2 q1
1
cp0 (T5 T1)
cV 0 (T3 T2 ) cp0 (T4 T3)
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
3
2. 把工质看做理想气体 3. 把开口系统简化为闭口系统 （进排气功近似相等，相互抵消）
混合加热循环 （萨巴特循环）
混合加热循环的热效率：
t
1
q2 q1 q1
cV 0 (T3
cV 0 (T5 T1) T2 ) cp0 (T4
T3 )
2020年8月4日
ρ
T4 T3 T1k1
T5
T4
(
)k 1
T1
k1(
)k 1
T1 k
能量分析：
吸热量 q23 u23 cV 0(T3 T2) q34 h34 cp0(T4 T3)
q1 q23 q34
放热量 q2 q51 u51 cV 0(T1 T5)
9第九章 气体动力循环
T－s图分析吸热量的分配对热效率的影响 压缩比不变，单位质量加热量不变，热量分配比例改变
T
3’ 3 2 1 a 5’
4’
4
5
如图：增加定容加热量（定容 升压比增加），减少定压加热
量（定压预胀比降低），总加 热量不变，而放热量减少，则 热效率增加。
b’ b s
t
总结
t
k 1.4 k 1.3 1.5 k 1.2 2 3
热效率
T5 T1 q2 w q1 q2 1 1 t q1 T3 T2 k T4 T3 q1 q1
s
理想混合加热循环的热效率计算
热效率
T5 T1 t 1 T3 T2 k T4 T3
v1 T2 T1 v2
各因素对混合加热循环热效率的影响
1 t 1 k 1 1 k 1 1、当 、 不变：即
k
T
3’ 2’ 2 1 3
4’
4
5 5’
单位质量加热量不变， 热量分配不变，压缩比 t 对热效率的影响
k
t
受气缸材料限制 一般柴油机 12 22
tv tm tp
4m
4v
平均温度法
循环最高温度和最高压力 ：定容>混合>定压 1
在压缩比和加热量相同的情况下，定容加热循 s 环经济性最高，但定压加热循环安全性最高。
第二节
定容加热理想循环和定压加热理想循 环
现代柴油机与汽油机动力循环图示
p
3 2 5 4
p
3 2
1
4
1
v 柴油机，压燃式
二、定压加热循环
西安交大工程热力学 第九章 气体动力循环
ηt = 1 −
ηt = 1 −
ρ −1 ε k ( ρ − 1)
k k −1
a ) ε ↑ ηt ↑ wnet ↑
b ) ρ ↑ ηt ↓ wnet ↑
λρ k − 1 − ε k −1 λ 1 + k λ ( ρ − 1)
λ =1
c) 重负荷（ 重负荷（ρ↑，q1 ↑ ）时 内部热效率下降， 内部热效率下降，除ρ↑ 外还有因温度上升而使 κ↓，造成热效率下降
p 3 2 2’ p0 5 1’ 1 V 4 p
3 2 5 1 4
0
0
v
理想混合加热循环（ 理想混合加热循环（萨巴德循环） 萨巴德循环）
分析循环吸热量 分析循环吸热量， 放热量，热效率和 热效率和功量 吸热量，放热量， p
3 2 5 1 4 2 1
汽油机动力循环 汽油机动力循环
T
3
4 5
v
s
4
柴油机与汽油机动力循环图示 柴油机与汽油机动力循环图示
9-3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热循环（ 混合加热循环（萨巴德循环） 萨巴德循环）-高速柴油机 分析循环吸热量 分析循环吸热量， 吸热量，放热量， 放热量，热效率和 热效率和功量 p
3 2 5 1 4 2 1
T
3
4 5
v
s
5
理想混合加热循环的计算
吸热量 T
3 2 1 5
定义几个指标性参数
4
气体动力循环分类
按点燃方式： 按点燃方式：点燃式 压燃式 按冲程数： 按冲程数： 二冲程 四冲程 汽油机 柴油机
吸入燃料和空气混合物， 吸入燃料和空气混合物，压缩后， 压缩后，由电 火花点燃。 火花点燃。 吸入空气， 吸入空气，压缩后， 压缩后，空气的温度上升到 燃料自燃的温度， 燃料自燃的温度，再喷入燃料燃烧。 再喷入燃料燃烧。 进气、 进气、压缩、 压缩、燃烧、 燃烧、膨胀和排 气，完成一个工作循环所需要 的冲程数量。 的冲程数量。
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图9-1 四冲程柴油机的示功图
0-1：吸气过程。 由于阀门阻力，吸入气缸内空气 的压力略低于Pb。 1:下止点，进气阀关闭 1-2：压缩过程，由于缸壁夹层中 有水冷却，所以压缩过程是个多 变过程，平均多变指数在1.34-1. 37。 2’ ：柴油喷入高压高温的气缸内 1 V 2：经过一段滞燃期后开始燃烧；
简化结果
p
T
定压吸热
3 4
T
定压吸热
3
4
p
定容吸热
2
绝热膨胀
s s
定容吸热
v
2 5 5
绝热膨胀
绝热压缩
绝热压缩 定容放热
1 1
V
v
定容放热
s
S
v
图9-4 混合加热循环的状态参数图
•
经过抽象和概括，现代柴油机的实际循环被理想化为混合加热理想可 逆循环，又称萨巴德循环，如图9-4所示。
9-3
活塞式内燃机的理想循环
9-1 分析动力循环的一般方法
分析动力循环的目的是在热力学基本定律的基础上分析动力循 环的能量转换的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。 方法与步骤： 1、将实际循环抽象和简化成理想循环
任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的，且十
分复杂。为了进行热力分析，需要建立实际循环相对应的 热力学模型，即可用理想的可逆循环代替实际不可逆循环。 如将实际不可逆的燃烧过程简化为可逆的吸热过程…
量的影响，进而分析对循环热效率（或工作系数）的影响， 提出提高循环热效率（或工作系数）的主要措施。 平均温度分析法：
T2 t 1 T1
5、对理想循环的计算结果引入必要的修正 考虑实际存在的不可逆性对理想循环的结果进行修正。
•
目前，分析热能动力装置循环主要采用热力学第一定律为基础的“第
一定律分析”法。这种方法从能量转换的数量关系来评价循环的经济 性，以热效率为其指标。另一种方法是综合热力学第一定律、第二定 律作为依据，从能量的数量和质量来分析，以“作功能力损失和火用 效率”为其指标的“第二定律分析”法。两类方法所揭示的不完善部 位及损失的大小是不同的。为了全面地反映循环的真实经济性，在分 析热能动力装置循环时，不仅要考虑能的数量，还应考虑能的质量。
目录
第九章 气体动力循环
9-1 分析动力循环的一般方法
9-2
9-3 9-4 *9-5 9-6 9-7
活塞式内燃机实际循环的简化
活塞式内燃机的理想循环 活塞式内燃机各种理想循环的比较 活塞式热气发动机及其循环 燃气轮机装置循环 燃气轮机装置的定压加热实际循环 提高燃气轮机装置循环热效率的措施
* 9-8
•
• •
3）吸、排气过程→忽略摩擦及节流损失，认为进、排气推动功相抵消， 即图9-1中0-1和1’-0重合，加之把燃烧改成加热后，不必考虑燃烧耗 氧问题，因而开式循环就可抽象为闭式循环；
• •
4）膨胀和压缩过程→可逆绝热（等熵）过程。
通过上述简化，整个循环理想化为以空气为工质的混合加热可逆循环。 此抽象和概括的方法同样适用于其它以气体为工质的热机循环。
v
2
5
v
1
v4 v3
s 图9-4 混合加热理想循环
一、混合加热理想循环 Sabathe cycle
q1 q23 q34 cV (T3 T2 ) cp (T4 T3 ) 吸热量：
放热量：
p
3 4
q2 q51 cV (T5 T1 )
2
s s
5 1
循环净功： wnet
2、将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上 3、对理想循环进行分析计算 计算循环中有关状态点（如最高压力点、最高温度 点）的参数，与外界交换的热量、功量以及循环热效率 或工作系数。
wnet q2 1 动力循环的热效率：t q1 q1
4、定性分析各主要参数对理想循环的吸热量、放热量及净功
一、几种活塞式内燃机简介
•
活塞式内燃机的燃料燃烧、工质膨胀、压缩等过程都是在同一带 有活塞的气缸内进行的，因此结构比较紧凑。
按燃料分： 煤气机 汽油机 柴油机
则是压燃式内燃机
花点燃 吸入的仅仅是空气，经压缩后使空气的温度 上升到燃料自燃的温度，再喷入燃料燃烧
一般是点燃式内燃机
按点火方式分：
点燃式 吸入燃料和空气的混合物，经压缩后，由电火
0
Atmosphere
v
火花塞
p
举例:汽油机的工作循环
0
Atmosphere
v
火花塞
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举例:汽油机的工作循环
0
1'
Atmosphere
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火花塞
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举例:汽油机的工作循环
0
1'
Atmosphere
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p
举例:汽油机的工作循环
0
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Atmosphere
v
火花塞
续3
件下，提高初态参数，对热效率虽然并无 影响，但可以提高净功。因此可以采用 “增压”等措施来提高柴油机的净功。
ρ=v4/v3↑,T4↑，但T5也↑
λ=p3/p2↑,T3↑ 3
v
2
平均吸热温度升高
v
5
ε=v1/v2↑, T2↑
1
s
二、定压加热理想循环 Diesel cycle
近年来，有些高增压柴油机及船用高速柴油机，它们的燃烧过程主要在活塞 离开上止点后的一段行程中进行，这时燃料燃烧和燃气膨胀同时进行，气缸 内压力基本保持不变→简化成定压加热理想循环，可以看成混合加热理想循
•
•
进行燃烧的燃料质量相对于空气质量也很小，所以可以认为在不同部位燃气 的成分变化不大，且燃气和空气的热物性相近，在作理论分析时假定工质全
部由空气构成通常不会造成很大的误差。但空气标准假设不能在水蒸气动力
装置的循环中应用！
循环的经济性评价（内部热效率）：
ηc为卡诺循环热效率＝1-(T0/T1)
i t T c o T
压燃式
按完成一个循环所需要的冲程分：
4冲程 2冲程
内燃机装置
两冲程内燃机工作过程 (two-stroke cycle engine)
四冲程内燃机工作过程 (four-stroke cycle engine)
二、实际循环的示功图（p-V图）
下面以四冲程柴油机为例，讨论如何从实际循环抽象、概括得出理论循环。 通过一种叫示功器的设备记录四冲程柴油机实际循环中压力和容积变化的关系如 图9-1所示。下图是四冲程柴油机（混合加热）的示功图 P
ηt为实际循环相 应的内部可逆循 环的热效率
ηT为循环相对内部效率， （9-1） 反映内部摩擦引起的损失
ηo为相对热效率，反映内部可逆理论循环因与 高、低温热源存在温差而造成的损失
最高效率为卡诺循环效率（ ηc ），考虑存在温差的外部不可逆损 失（ηo），再考虑内部摩擦等不可逆损失（ηT）。
9-2 活塞式内燃机实际循环的简化
2 3-5MPa，600-800℃ 0.3-0.5MPa，≈500℃ 5 Pb 0 1’ 1
活塞式内燃机循环的简化
•
为了便于从理论上分析，忽略一些次要因素，引用空气标准假设对实 际循环加以合理的抽象和概括。主要有： 1）燃烧过程→可逆定容或（和）定压吸热过程；把排气过程→向低温 热源可逆定容放热过程； 2）工质→定值比热的理想气体（空气）；
6、对实际循环进行热力学第二定律分析
熵分析：作功能力损失
空气标准假设
•
气体动力循环在简化时常应用所谓“空气标准”假设：①假定工
作流体是一种理想气体；②假设它具有与空气相同的热力性质； ③将排气过程和燃烧过程用向低温热源的放热过程和自高温热源 的吸热过程取代。
实际气体循环中工质主要是燃气，且在循环的不同部位其成分不同。用空气 替代燃气是否会造成很大的误差？ A: 会有一定的误差，但过量的空气中占绝大部分的氮气没有参与燃烧反应，
k
k
2
s s
5 1
v
由于5-1是定容过程，所以:
p5 k T5 T1 T1 p1
v1 T2 T1 v2
k 1
1-2是定熵过程，有:
T1 k 1
2-3是定容过程，有:
p3 T3 T2 T2 T1 k 1 p2
v4 T4 T3 T3 T1 k 1 v3
p
3 4
一、混合加热理想循环 Sabathe cycle
（1）压缩比：压缩前、后比体积之比，表 征内燃机工作体积大小。
2
s s
1
5
v1 v2
（2）定容升压比: 定容加热后与加热前压
T
v
3
力之比，表示内燃机定容燃烧情况。
p
4
p3 p 2
（3）定压预胀比: 定压加热后与加热前比 体积之比，表示内燃机定压燃烧情况。
* 9-9
喷气发动机简介
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教学目标：掌握分析动力循环的一般方法；了解活塞式 内燃机实际循环的分析方法；了解燃气轮机循环的分析 方法。 知识点：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机实际 循环的简化；活塞式内燃机的理想循环；活塞式内燃机 各种理想循环的热力学比较；燃气轮机装置循环；燃气 轮机装置的定压加热实际循环。 重 点：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机循 环分析;燃气轮机装置循环的分析方法，提高燃气轮机 装置循环效率的方法和途径。 难 点：实际循环简化成理想循环的方法；提高内燃 机和燃气轮机装置循环效率的方法和途径。
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通常把气体动力循环的热效率表示为循环特性参数（压缩比ε、 定容升压比λ、定压预胀比ρ）的函数。因为1-2与4-5是定熵过 程，故有: k k k k 1 1 2 2 4 4 5 5
0-1：吸气过程。 由于阀门阻力，吸入气缸内空气 的压力略低于Pb。 1:下止点，进气阀关闭 1-2：压缩过程，由于缸壁夹层中 有水冷却，所以压缩过程是个多 变过程，平均多变指数在1.34-1. 37。 2’ ：柴油喷入高压高温的气缸内 1 V 2：经过一段滞燃期后开始燃烧；
简化结果
p
T
定压吸热
3 4
T
定压吸热
3
4
p
定容吸热
2
绝热膨胀
s s
定容吸热
v
2 5 5
绝热膨胀
绝热压缩
绝热压缩 定容放热
1 1
V
v
定容放热
s
S
v
图9-4 混合加热循环的状态参数图
•
经过抽象和概括，现代柴油机的实际循环被理想化为混合加热理想可 逆循环，又称萨巴德循环，如图9-4所示。
9-3
活塞式内燃机的理想循环
9-1 分析动力循环的一般方法
分析动力循环的目的是在热力学基本定律的基础上分析动力循 环的能量转换的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。 方法与步骤： 1、将实际循环抽象和简化成理想循环
任何实际热力装置中的工作过程都是不可逆的，且十
分复杂。为了进行热力分析，需要建立实际循环相对应的 热力学模型，即可用理想的可逆循环代替实际不可逆循环。 如将实际不可逆的燃烧过程简化为可逆的吸热过程…
量的影响，进而分析对循环热效率（或工作系数）的影响， 提出提高循环热效率（或工作系数）的主要措施。 平均温度分析法：
T2 t 1 T1
5、对理想循环的计算结果引入必要的修正 考虑实际存在的不可逆性对理想循环的结果进行修正。
•
目前，分析热能动力装置循环主要采用热力学第一定律为基础的“第
一定律分析”法。这种方法从能量转换的数量关系来评价循环的经济 性，以热效率为其指标。另一种方法是综合热力学第一定律、第二定 律作为依据，从能量的数量和质量来分析，以“作功能力损失和火用 效率”为其指标的“第二定律分析”法。两类方法所揭示的不完善部 位及损失的大小是不同的。为了全面地反映循环的真实经济性，在分 析热能动力装置循环时，不仅要考虑能的数量，还应考虑能的质量。
目录
第九章 气体动力循环
9-1 分析动力循环的一般方法
9-2
9-3 9-4 *9-5 9-6 9-7
活塞式内燃机实际循环的简化
活塞式内燃机的理想循环 活塞式内燃机各种理想循环的比较 活塞式热气发动机及其循环 燃气轮机装置循环 燃气轮机装置的定压加热实际循环 提高燃气轮机装置循环热效率的措施
* 9-8
•
• •
3）吸、排气过程→忽略摩擦及节流损失，认为进、排气推动功相抵消， 即图9-1中0-1和1’-0重合，加之把燃烧改成加热后，不必考虑燃烧耗 氧问题，因而开式循环就可抽象为闭式循环；
• •
4）膨胀和压缩过程→可逆绝热（等熵）过程。
通过上述简化，整个循环理想化为以空气为工质的混合加热可逆循环。 此抽象和概括的方法同样适用于其它以气体为工质的热机循环。
v
2
5
v
1
v4 v3
s 图9-4 混合加热理想循环
一、混合加热理想循环 Sabathe cycle
q1 q23 q34 cV (T3 T2 ) cp (T4 T3 ) 吸热量：
放热量：
p
3 4
q2 q51 cV (T5 T1 )
2
s s
5 1
循环净功： wnet
2、将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上 3、对理想循环进行分析计算 计算循环中有关状态点（如最高压力点、最高温度 点）的参数，与外界交换的热量、功量以及循环热效率 或工作系数。
wnet q2 1 动力循环的热效率：t q1 q1
4、定性分析各主要参数对理想循环的吸热量、放热量及净功
一、几种活塞式内燃机简介
•
活塞式内燃机的燃料燃烧、工质膨胀、压缩等过程都是在同一带 有活塞的气缸内进行的，因此结构比较紧凑。
按燃料分： 煤气机 汽油机 柴油机
则是压燃式内燃机
花点燃 吸入的仅仅是空气，经压缩后使空气的温度 上升到燃料自燃的温度，再喷入燃料燃烧
一般是点燃式内燃机
按点火方式分：
点燃式 吸入燃料和空气的混合物，经压缩后，由电火
0
Atmosphere
v
火花塞
p
举例:汽油机的工作循环
0
Atmosphere
v
火花塞
p
举例:汽油机的工作循环
0
1'
Atmosphere
v
火花塞
p
举例:汽油机的工作循环
0
1'
Atmosphere
v
火花塞
p
举例:汽油机的工作循环
0
1'
Atmosphere
v
火花塞
续3
件下，提高初态参数，对热效率虽然并无 影响，但可以提高净功。因此可以采用 “增压”等措施来提高柴油机的净功。
ρ=v4/v3↑,T4↑，但T5也↑
λ=p3/p2↑,T3↑ 3
v
2
平均吸热温度升高
v
5
ε=v1/v2↑, T2↑
1
s
二、定压加热理想循环 Diesel cycle
近年来，有些高增压柴油机及船用高速柴油机，它们的燃烧过程主要在活塞 离开上止点后的一段行程中进行，这时燃料燃烧和燃气膨胀同时进行，气缸 内压力基本保持不变→简化成定压加热理想循环，可以看成混合加热理想循
•
•
进行燃烧的燃料质量相对于空气质量也很小，所以可以认为在不同部位燃气 的成分变化不大，且燃气和空气的热物性相近，在作理论分析时假定工质全
部由空气构成通常不会造成很大的误差。但空气标准假设不能在水蒸气动力
装置的循环中应用！
循环的经济性评价（内部热效率）：
ηc为卡诺循环热效率＝1-(T0/T1)
i t T c o T
压燃式
按完成一个循环所需要的冲程分：
4冲程 2冲程
内燃机装置
两冲程内燃机工作过程 (two-stroke cycle engine)
四冲程内燃机工作过程 (four-stroke cycle engine)
二、实际循环的示功图（p-V图）
下面以四冲程柴油机为例，讨论如何从实际循环抽象、概括得出理论循环。 通过一种叫示功器的设备记录四冲程柴油机实际循环中压力和容积变化的关系如 图9-1所示。下图是四冲程柴油机（混合加热）的示功图 P
ηt为实际循环相 应的内部可逆循 环的热效率
ηT为循环相对内部效率， （9-1） 反映内部摩擦引起的损失
ηo为相对热效率，反映内部可逆理论循环因与 高、低温热源存在温差而造成的损失
最高效率为卡诺循环效率（ ηc ），考虑存在温差的外部不可逆损 失（ηo），再考虑内部摩擦等不可逆损失（ηT）。
9-2 活塞式内燃机实际循环的简化
2 3-5MPa，600-800℃ 0.3-0.5MPa，≈500℃ 5 Pb 0 1’ 1
活塞式内燃机循环的简化
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为了便于从理论上分析，忽略一些次要因素，引用空气标准假设对实 际循环加以合理的抽象和概括。主要有： 1）燃烧过程→可逆定容或（和）定压吸热过程；把排气过程→向低温 热源可逆定容放热过程； 2）工质→定值比热的理想气体（空气）；
6、对实际循环进行热力学第二定律分析
熵分析：作功能力损失
空气标准假设
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气体动力循环在简化时常应用所谓“空气标准”假设：①假定工
作流体是一种理想气体；②假设它具有与空气相同的热力性质； ③将排气过程和燃烧过程用向低温热源的放热过程和自高温热源 的吸热过程取代。
实际气体循环中工质主要是燃气，且在循环的不同部位其成分不同。用空气 替代燃气是否会造成很大的误差？ A: 会有一定的误差，但过量的空气中占绝大部分的氮气没有参与燃烧反应，
k
k
2
s s
5 1
v
由于5-1是定容过程，所以:
p5 k T5 T1 T1 p1
v1 T2 T1 v2
k 1
1-2是定熵过程，有:
T1 k 1
2-3是定容过程，有:
p3 T3 T2 T2 T1 k 1 p2
v4 T4 T3 T3 T1 k 1 v3
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一、混合加热理想循环 Sabathe cycle
（1）压缩比：压缩前、后比体积之比，表 征内燃机工作体积大小。
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s s
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v1 v2
（2）定容升压比: 定容加热后与加热前压
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力之比，表示内燃机定容燃烧情况。
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p3 p 2
（3）定压预胀比: 定压加热后与加热前比 体积之比，表示内燃机定压燃烧情况。
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喷气发动机简介
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教学目标：掌握分析动力循环的一般方法；了解活塞式 内燃机实际循环的分析方法；了解燃气轮机循环的分析 方法。 知识点：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机实际 循环的简化；活塞式内燃机的理想循环；活塞式内燃机 各种理想循环的热力学比较；燃气轮机装置循环；燃气 轮机装置的定压加热实际循环。 重 点：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机循 环分析;燃气轮机装置循环的分析方法，提高燃气轮机 装置循环效率的方法和途径。 难 点：实际循环简化成理想循环的方法；提高内燃 机和燃气轮机装置循环效率的方法和途径。
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通常把气体动力循环的热效率表示为循环特性参数（压缩比ε、 定容升压比λ、定压预胀比ρ）的函数。因为1-2与4-5是定熵过 程，故有: k k k k 1 1 2 2 4 4 5 5