工程热力学 第九章 图文
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工程热力学第8-9章
n-1 2 n
∂w c =0 ∂p2
p2 = p1 p3 p2 p3 = p1 p2
pm+1 pm
π1 = π2 =⋅⋅⋅ = πi =⋅⋅⋅ = πm = m
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
优 点：
（1）减小耗功; 减小耗功; 每级功耗相等，利于曲轴平衡； （2）每级功耗相等，利于曲轴平衡； 每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； （3）每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； 每级排热相同； （4）每级排热相同； 提高容积效率。 （5）提高容积效率。
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
wC,s h2s − h1 QηC,s = = ′ wC h2 − h1 1 h2 = h1 + h2s − h1
′ ∴wC =
1
QηT =
′ wt,T
ηC,s
(
)
ηC,s
(h
2s
− h1
)
wt,T
′ ∴ wt,T = ηT h3 − h4s
(
h3 − h4 = h3 − h4s
h4 = h3 − ηT h3 − h4s
(
)
)
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
′ wnet ηi = ′ q1
′ ′ ′ wnet = wt,T − wC = ηT h3 − h4s −
(
)
1
ηCs
(h
2s
− h1
)
′ q1 = h3 − h2 = h3 − h1 −
整理
ηi = ηT ( h3 − h4 ) −
燃烧室 废 气
燃 燃 气 空 气 气 轮 机
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
∂w c =0 ∂p2
p2 = p1 p3 p2 p3 = p1 p2
pm+1 pm
π1 = π2 =⋅⋅⋅ = πi =⋅⋅⋅ = πm = m
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
优 点：
（1）减小耗功; 减小耗功; 每级功耗相等，利于曲轴平衡； （2）每级功耗相等，利于曲轴平衡； 每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； （3）每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； 每级排热相同； （4）每级排热相同； 提高容积效率。 （5）提高容积效率。
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
wC,s h2s − h1 QηC,s = = ′ wC h2 − h1 1 h2 = h1 + h2s − h1
′ ∴wC =
1
QηT =
′ wt,T
ηC,s
(
)
ηC,s
(h
2s
− h1
)
wt,T
′ ∴ wt,T = ηT h3 − h4s
(
h3 − h4 = h3 − h4s
h4 = h3 − ηT h3 − h4s
(
)
)
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
′ wnet ηi = ′ q1
′ ′ ′ wnet = wt,T − wC = ηT h3 − h4s −
(
)
1
ηCs
(h
2s
− h1
)
′ q1 = h3 − h2 = h3 − h1 −
整理
ηi = ηT ( h3 − h4 ) −
燃烧室 废 气
燃 燃 气 空 气 气 轮 机
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
工程热力学第九章lm
dp dv k 0 p v
p0
cdc vdp
T
0
p1
1
2
p2
s
喷管设计
喷管形式选择：
pc 2 p1 k 1
k k 1
pb pc pb pc
亚音速，渐缩喷管 超音速，渐缩渐扩喷管
喷管尺寸计算：
f min
l d 2 d min 2 tan
mmax vc cc
2 c12 c2 h0 h1 h2 2 2
h c pT
c12 T0 T1 2c p
T 0 1 2 s p0 p1 p2
c12 T0 T1 2c p
p0
T0 p1 T 1
T1 1 T 0
k k 1
pv const
k
v0 v ( )
T
p1 1 p2 2’
c2 ' 速度系数 c2
喷管效率
2
（0.94～0.98）
s
2 c2' 2 h1 h2' 2 2 c2 h1 h2 2
（0.9～0.95）
引射器原理
气流速度增加，压力减小 气流速度降低，压力增加
p1
pb
pb > pm
p1<pm<pb
应用实例：飞机环控系统
水蒸气流速及流量
1. 首先计算pc，判断喷管内气体流动状态
pc 2 p1 k 1
k k 1
过热蒸汽：k＝1.3 干饱和蒸汽：k=1.135
pc 0.546 p1 pc 0.577 p1
2. 根据喷管内气体流动状态，进行流速和流量计算 出口流速： 2 44.72 h1 h2 c
p0
cdc vdp
T
0
p1
1
2
p2
s
喷管设计
喷管形式选择：
pc 2 p1 k 1
k k 1
pb pc pb pc
亚音速，渐缩喷管 超音速，渐缩渐扩喷管
喷管尺寸计算：
f min
l d 2 d min 2 tan
mmax vc cc
2 c12 c2 h0 h1 h2 2 2
h c pT
c12 T0 T1 2c p
T 0 1 2 s p0 p1 p2
c12 T0 T1 2c p
p0
T0 p1 T 1
T1 1 T 0
k k 1
pv const
k
v0 v ( )
T
p1 1 p2 2’
c2 ' 速度系数 c2
喷管效率
2
（0.94～0.98）
s
2 c2' 2 h1 h2' 2 2 c2 h1 h2 2
（0.9～0.95）
引射器原理
气流速度增加，压力减小 气流速度降低，压力增加
p1
pb
pb > pm
p1<pm<pb
应用实例：飞机环控系统
水蒸气流速及流量
1. 首先计算pc，判断喷管内气体流动状态
pc 2 p1 k 1
k k 1
过热蒸汽：k＝1.3 干饱和蒸汽：k=1.135
pc 0.546 p1 pc 0.577 p1
2. 根据喷管内气体流动状态，进行流速和流量计算 出口流速： 2 44.72 h1 h2 c
《工程热力学》第九章 气体动力循环 (2)
27
一、概述--燃气轮机工作过程
燃料 燃烧室 2 压气机 发电机
3
空气
1
4
废气
开式装置示意图
28
闭式燃气轮机装置示意图
空气 2 加热器 压气机 燃料
3
Ws
1
冷却器
4
29
二、定压加热理想循环(Bryden Cycle)
1、定压加热理想循环组成 2、定压加热参数计算 3、循环热效率计算及其提高途径 4、轴功计算及其最大值与增温比关系
1、汽油机的实际工作循环 2、对汽油机的工作循环的简化及抽象--定容加 热循环 Otto Cycle 3、定容加热循环参数计算 定容加热循环参数关系 热效率计算及分析 循环净功计算 提高循环热效率的途径
15
定容加热循环 Otto Cycle
P 3
T 1-2：绝热压缩过程 2-3：定容燃烧过程 3-4：绝热膨胀过程 4-1：定容放热过程 4
1、三种循环压缩比ε 相同，放热量q2相 同 （书中以吸热量q1相同分析） η t，V> η t,C> η t,P
2、循环最高压力Pmax> η , η t，P> η t,C及最高温度Tmax相同 t V
以P-V图、T-S图分析！
23
9-5 活塞式热气发动机及循环
自学
24
作业: 9-5,9-11
C P 0 (T3 T4 ) C P 0 (T2 T1 )
1 ( k 1) / k w0 C P 0 T3 (1 ( k 1) / k ) T1 ( 1)
当W0达最大，可有增压比选择
max, w 0
T3 ( ) T1
k 2 ( k 1)
工程热力学与传热学9)_气体动力循环PPT课件
1压缩 2-3：定容吸热 3-4：定压吸热
4-5：绝热膨胀
5-1：定容放热
三、柴油机理想循环及其热效率
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量
p
3
4
T
4 3
2
2
5
5
1 1
v
s
定义几个柴油机特性参数
p
3
2
压缩比 v1
反映 气缸
4
v2 容积
5
定容升压比
p3 p2
1 定压预胀比 v4
工程热力学研究方法，先对实际动力循 环进行抽象和理想化，形成各种理想循 环进行分析，最后进行修正。
§9-1 柴油机实际循环和理想循环
一、四冲程柴油机实际工作循环
进气
压缩 燃烧和膨胀
排气
温度370~400 K， 压力
0.07~0.09MPa
进气行程
排气门关闭
下止点 上止点
活塞
P
进气门开启
大气压力线 r a
下止点 上止点
活塞
Z P
c
大气压力线 r
作功终了：温度 1300~1600 K， 压 力0.3~0.5 MPa
示功图
b
a V
下止点 上止点
活塞
进气门关闭 排气行程
排气门打开
Z P
残余废气
c b
大气压力线 r
V 示功图
温度900~1200 K 压力 0.105~0.115 MPa
温度300-370K 压力0.0785～ 0.0932MPa
第九章 气体动力循环
动力循环研究目的和分类
动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的 热量的一部分转换成对外的净功
工程热力学(沈维道_童钧耕主编)第四版-全书完整课件_第九章
2. cV
定容过程 dv=0
若为理想气体
cV
u T
v
u u(T )
u T
v
du dT
cV
du dT
du
cVdT
cV cV (T ) 温度的函数
7
3. cp
据一般表达式
cp
u T
v
u v
T
第三章 气体和蒸气的性质
Properties of gas and vapor
3-1 理想气体 3-2 理想气体的比热容 3-3 理想气体的热力学能、焓和熵 3-4 饱和状态、饱和温度和饱和压力
3-5 水的定压加热汽化过程 3-6 水和水蒸气状态参数 3-7 水蒸气图表和图
1
3-1 理想气体
一、理想气体(perfect gas or ideal gas)的基本假设
加热，使温度升高如 t'，保持定 值，系统建立新的动态平衡。与之 对应，p变成ps'。
所以 Ts ps 一一对应，只有一个独立变量，即 ts f ps
如
ps
ts 100
4
ps atm ts C
28
t/ ℃ p/ MPa
0
20
50
100
120
0.0 006 112 0.0 023 385 0.0 123 446 0.1 013 325 0. 198 483
20
讨论： 如图：
Tb Tc Td
uab uac uad hab hac had
工程热力学第九章_第23-24节讲解
一般取10°~12 °
l
2 tan
2
背压变化的影响
假定入口参数不变
渐缩喷管
渐缩渐扩喷管
膨胀不足
过度膨胀
突击压缩 膨胀不足
具有摩擦的绝热流动
h1
h2
1 2
(c22
c12 )
T
实际焓降小于理论焓降，实际出口小于理论
出口速度。通常用速度系数或喷管效率描述
实际过程与理想过程之间的差异
p1 1
cc
2
k k 1
p1v1
k 2 k 1 RT1
cc 44.72 h1 hc
流量与临界流量
m
稳态稳流，各截面流量均相等： c m max b
m1 m2 ....... m const
对于渐缩喷管：出口处M≤1
p2 pc M 1
0
pc / p1
m
f 2 c2 v2
dc>0 dc < 0
dp < 0 dp > 0
管道截面变化规律
a
( p )
s
v
2
p v
s
cdc vdp
连续性方程： dc df dv 0 cfv
c2 dc 1 v
a2
c
v
p
s
dp
Mc a
M 2 dc dv cv
由于局部阻力，使流体压力降低的一种特殊的流动过程。
稳态稳流能量方程：
q
dh
1 2
dc2
gdz
ws
dh 0
工程热力学(喷管)
c22 c22 c22
12
N
h1 h2 h1 h2
2
工程热力学 Thermodynamics 二、第二定律分析
s sg 0 I qmT0sg
s
cp
T2 T1
Rg
ln
p2 p1
s2 s1
理想气体 蒸气
T2 c2 2cp T1 T2 c2
s2 h2 , p2查 h2 c2 c2
1、绝热滞止：气体在绝热流动过程中，因受某种物体的阻碍，或 经扩压管后，气体流速降低为零的过程称为绝热滞止过程。
2、滞止参数：气流速度在绝热滞止过程中滞止为0的状态称 为滞止状态，其状态参数称为滞止参数。
h0
h1
c12 2
T0
T1
c12 2cp
p0
工程热力学 Thermodynamics
工程热力学 Thermodynamics
1、比体积 ：比体积就是单位质量的工质所占的体积。即
v V m3 /kg m
2、压力 ：压力即物理学中的压强，单位是Pa。
绝对压力：p
大气压力：pb
pe ：表压力 pv ：真空度
p pb pe p pb pv
工程热力学 Thermodynamics
三、研究步骤
1、*定熵流动的基本规律； 2、有黏性摩阻的流动。
工程热力学 Thermodynamics
第一节 一维稳定流动的基本方程
一、连续性方程
qm1
qm2
A1c1 v1
A2c2 v2qm NhomakorabeaAc v
const
dA dc dv 0 Ac v
工程热力学 Thermodynamics
解：a) 确定出口压力：
工程热力学讲义第9章[1].doc
![工程热力学讲义第9章[1].doc](https://img.taocdn.com/s3/m/5dcde12e53ea551810a6f524ccbff121dd36c5a5.png)
工程热力学讲义第9章[1].doc第9章气体和蒸汽的流动基本要求：1．深入理解喷管和扩压管流动中的基本关系式和滞止参数的物理意义，熟练运用热力学理论分析亚音速、超音速和临界流动的特点。
2．对于工质无论是理想气体或蒸汽，都要熟练掌握渐缩、渐缩渐扩喷管的选型和出口参数、流量等的计算。
理解扩压管的流动特点，会进行热力参数的计算。
3．能应用有摩擦流动计算公式，进行喷管的热力计算。
4．熟练掌握绝热节流的特性，参数的变化规律。
基本知识点：9．1 绝热流动的基本方程一、稳态稳流工质以恒定的流量连续不断地进出系统，系统内部及界面上各点工质的状态参数和宏观运动参数都保持一定，不随时间变化。
二、连续性方程由稳态稳流特点， ====m m m .......21const而 vfc m =得：0=-+vdv fdf cdc 该式适用于任何工质可逆与不可逆过程三、绝热稳定流动能量方程sw gdz dcq dh δδ---=221对绝热、不作功、忽略位能的稳定流动过程得：dh cd-=22说明：增速以降低本身储能为代价。
四、定熵过程方程由可逆绝热过程方程 k pv =const得：0=+vdv kpdp五、音速与马赫数音速：微小扰动在流体中的传播速度。
定义式： sp a )(ρ=注意：压力波的传播过程作定熵过程处理。
特别的，对理想气体：kRTa = 只随绝对温度而变马赫数（无因次量）：流速与当地音速的比值ac M =M>1，超音速M=1 临界音速 M<1 亚音速9．2 定熵流动的基本特性一、气体流速变化与状态参数间的关系对定熵过程，由dh=vdp ，得到：vdpcdc -= 适用于定熵流动过程。
分析：1。
气流速度增加(dc>0)，必导致气体的压力下降(dp<0)。
2。
气体速度下降(dc<0)，则将导致气体压力的升高(dp>0)。
二、管道截面变化的规律联立vdp cdc -=、连续性方程、可逆绝热过程方程得到：cdc Mfdf )1(2-=分析：对喷管：当M<1，因为dc>0，则喷管截面缩小df<0，称渐缩喷管。
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5
开口闭口循环 3. 燃烧外界加热
p0 0
1’ 1
4. 排气向外界放热
5. 多变绝热
V
6. 不可逆可逆
7. 开式循环闭口循环
1、理想混合加热循环（萨巴德循环）
p
T
4
3
4
3
2
5
2
5
1 1
vห้องสมุดไป่ตู้
s
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量?
混合加热理想循环热力分析
t
wnet q1
1 q2 q1
q2 cV (T5 T1 )
q1 q1,V q1, p cV (T3 T2 ) c p (T4 T3 )
tm
1
cv (T3
cv (T5 T1 ) T2 ) c p (T4
T3 )
1
(T3
T5 T1 T2 ) k(T4
T3 )
混合加热理想循环热力分析
tm
1
cv (T3
cv (T5 T1 ) T2 ) c p (T4
燃烧室(combustion chamber)
燃气轮机(gas turbine)
特点
1.开式循环(open cycle)，工质流动； 2.运转平稳，连续输出功； 3.启动快，达满负荷快； 4.压气机消耗了燃气轮机产生功率
分析循环的步骤：
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。
4. 探讨提高循环效率的途径 5. 对理想循环的计算结果引入必要的修正
分析动力循环的一般方法
t
1
q2 q1
1 T2 T1
q2p q2m q2v
T
2p 2m 2v 1
3p 3m 3v 4v
4p4m
tp tm tv
s
q ？？Tmax和 1相同，图示 tp ,tm ,t大v 小
9-3 燃气轮机装置循环
一、燃气轮机装置简介
用途： 航空发动机/尖峰电站/移动电站/大型舰船
构成
压气机(compressor)
方法： 1）第一定律分析法
数量的角度 2）第二定律分析法
品质的角度
以气体动力循环为例：
熵分析法 火用分析法
工作流体 气体性质
理想气体 燃烧 与空气相同 排气
从高温热源吸热 向低温热源放热
9-2 活塞式内燃机循环
活塞式内燃机分类：
按燃料：煤气机、汽油机和柴油机； 按点火方式：点燃式和压燃式； 按冲程：四冲程和二冲程
四冲程高速柴油机工作过程
0—1 吸入空气
p3
1—2′多变压缩
2
一般n =1.34~1.37
2'
p2′=3~5MPa t2'=600~800℃
柴油自燃t =335℃
p0
0
1
2′ 喷入柴油
V
2 开始燃烧
2—3 迅速燃烧，近似 V
p↑5~9MPa
四冲程高速柴油机工作过程
3—4 边喷油，边膨胀
p3 4
近似 p 膨胀
二、分析动力循环的一般步骤
1. 实际循环（复杂不可逆） 抽象、简化 可逆理论循环
分析可逆循环 影响经济性的主要因素和可能改进途径
指导改善 实际循环
2. 分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际 损失的部位、大小、原因及改进办法
分析循环的步骤：
1. 将实际循环抽象和简化为理想循环
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…
结 论： ε,
2.定压加热理想循环 （Diesel循环）
例如：高增压柴油机，船用柴油机
只有等压燃烧， 没有定容燃烧
定压加热理想循环热力分析
q1 c p (T3 T2 )
q2 cV (T4 T1)
tp
1
cv (T4 cp (T3
T1) T2 )
tp
1
k 1 k1k ( 1)
结论：ε,
ε=v1/v2 ρ＝v4/v3
3. 定容加热理想循环 （Otto循环）
例如煤气机、汽油机
燃烧过程在接近 定容的过程下完成
没有一边燃烧 一边膨胀的定压过 程
定容加热理想循环热力分析
q1 cV (T3 T2 ) q2 cV (T4 T1)
tv
1
(T4 (T3
T1) T2 )
tv
1
1
k 1
tv tm tp
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
Tmax 和 pmax 保持不变
T
3
q2 相等
2p
t
1
q2 q1
1 T2 T1
2m 2v
4
1
q1p q1m q1v
tp tm tv
s
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
tv tm tp
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
pmax 和 q1 相同
结论：ε
ε=v1/v2
定容加热理想循环热力分析
t
1 T2m T1m
循环最高温度不变， ε
ε不变， 不变
q1wnet
汽油机的常用压比
Typical Compression Ratios for Gasoline Engines
汽油机，受预混燃料空气混合物爆燃条件的限 制。采用5~12级压缩：轻型机械
第九章 气体动力循环
能源与动力学院 毛军逵
研究目标：
分析以气体为工质的内燃机循环、 燃气轮机循环的热力性能，揭示能量利 用的完善程度与影响其性能的主要因素， 给出评价和改进这些装置热力性能的方 法与措施。
9－1 循环分析的目的与 一般方法
一、分析循环的目的：
在热力学基本定律的基础上分析循环过程 中能量转换的经济性，寻求提高经济性的方向 及途径。
2
t4可达1700~1800℃
2'
5
4 停止喷柴油
p0
1'
4—5 多变膨胀
0
1
p5=0.3~0.5MPa t5500℃
V
5—1′ 开阀排气， V 降压
1′—0 活塞推排气,完成循环
四冲程高速柴油机的理想化
1.工质定比热、 理想气体、
p3 4
工质数量不变
2
P-V图p-v图
2’
2. 0-1和1’-0抵消
T3 )
1
(T3
T5 T1 T2 ) k(T4
T3 )
压缩比：ε=v1/v2 定容增压比：λ=P3/p2 定压预胀比：ρ＝v4/v3
反映气缸容积 反映供油规律
tm
1
k 1[(
k 1 1) k(
1)]
推推看？
混合加热理想循环热力分析
tm
1
k 1[(
k 1 1) k(
1)]
ε=v1/v2 λ=P3/p2 ρ＝v4/v3
柴油机的常用压比
k=1.4
柴油机，不受空气压缩的限制。采用 14~20级压缩：重型机械
活塞式内燃机各种理想循环热力比较
q1 和 相同
t
1
q2 q1
1 T2 T1
q2v q2m q2p
T 2
1
3v 3m 3p 4p
4m
4v
tv tm tp
s
平均温度法
活塞式内燃机各种理想循环热力比较