气体动力循环
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。
第五章气体动力循环
柴油机 14 21
一般柴油机效率高于汽油机的效率
但汽油机小巧
柴油机与低速柴油机循环图示
p 3
2
4 5
1
v 柴油机，压燃式
p
1
2
3
4
1
v 低速柴油机，压燃式
定压加热循环（狄塞尔循环)
p
T
3
2
3
4
1
2
4
1
v
s
定压加热循环的计算
吸热量
q1 cp T3 T2
T
3
放热量(取绝对值）
q2 cv T4 T1
3
2
2
5
5
1 1
v
s
理想混合加热循环的计算
吸热量
T
q1 cv T3 T2 cp T4 T3
4 3
放热量(取绝对值）
2
5
q2 cv T5 T1
1
热效率
蜒 q w
s
t
w q1
q1 q2 q1
1 q2 q1
1
T5 T1
T3 T2 k T4 T3
定义几个指标性参数
气体动力循环分类
按燃料
汽油机 小型汽车，摩托
柴油机 中、大型汽车，火车， 轮船，移动电站
煤油机 航空
气体动力循环分类
按点燃方式： 点燃式 压燃式
按冲程数： 二冲程 四冲程
动力循环研究方法
实际动力循环非常复杂 不可逆，多变指数变化，燃烧等
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。
T4
v4 v3
T3
T1
k 1
工程热力学-09 气体动力循环
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
T3
T1 k1
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)
能源与动力工程学院 新能源科学与工程系
5
t
1
1
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。
气体动力循环
1
T3
1
T4 T3
T2
(1
)
代入参数间的关系式 T2 T3 ，( 可1)/得
T1 T4
t
(
1)
/
1 ( 1)/
1
1
( 1) /
(1
)
( 1) /
2024年5月31日
第九章 气体动力循环
9
热效率影响因素分析
由 可见:
t
(
1)
/
1( ( 1)/
1)
1
( 1) /
(1
平均放热温度。因此，由等效卡诺循环的热效率公 式可知，采用回热措施能提高燃气轮机装置循环的 热效率。
2024年5月31日
燃气轮机回热循环热效率可表示为
t
1
w0 q1
(ws )T
(ws )c q1
(h3 h4 ) (h2 h1) h3 h6
比热容为定值时，有 t
T4
T3 T4
1
T1
T2 T1
3 b b' 2' 2 3代表燃气轮机所输出的轴功，根据喷气发动机
的工作原理，两轴功的数值相等，故两面积相等。 显然，喷气式发动机的热力循环和定压加热燃气轮机循环相同，
故可引用有关的结论来对其进行分析。
2024年5月31日
第九章 气体动力循环
15
9-3 活塞式热气发动机及其循环
活塞式热气发动机又称斯特林发动机，是一种外部加热的 闭式循环的发动机，只是在近几十年来才取得较大的进展。 突出优点： 采用外部加热，故废气的污染少，可以采用多种 燃料特别是劣质燃料，还可以利用核能。
过程的不可逆损失较大。
压气燃气轮机轴功：(ws )T T (h3 h4 )
工程热力学气体动力循环的概念与分类
工程热力学气体动力循环的概念与分类工程热力学是研究热能和功的转换与利用的学科。
在工程领域中，气体动力循环是广泛应用于发电、制冷、空调、石油化工等领域的一种热力学循环过程。
本文将介绍工程热力学气体动力循环的概念，并对其进行分类。
一、概念气体动力循环是通过工作物质在循环过程中吸热、膨胀、排热、压缩等热力学过程，将热能转化为功的循环过程。
这种循环过程通常由燃料燃烧产生热能，再通过与工作物质的热交换和机械工作转换来实现功的输出。
气体动力循环常用于热能转换设备，如内燃机、蒸汽轮机等。
二、分类根据气体动力循环的特点和工程应用需求，可以将其分为以下几类：1. 单级循环与多级循环单级循环是指在气体动力循环中，工作物质只经过一次膨胀和压缩过程，例如单级蒸汽轮机循环。
而多级循环则是指工作物质在循环过程中经过多次膨胀和压缩过程，例如多级蒸汽轮机循环。
多级循环相比于单级循环具有更高的效率和更好的经济性。
2. 热力循环与制冷循环热力循环主要用于能源利用，将热能转化为功。
典型的热力循环包括布雷顿循环和卡诺循环等。
而制冷循环则是将热能从低温区吸收，通过工作物质的循环过程将热能传递到高温区，从而实现制冷效果。
常见的制冷循环包括单级压缩制冷循环和多级压缩制冷循环等。
3. 气体组成循环气体动力循环中的工作物质可以是单一组分的气体，也可以是多组分混合气体。
气体组成对循环过程的热力学性质和性能有重要影响。
常见的气体组成循环包括理想气体循环、湿气循环和混合气体循环等。
4. 循环过程特点根据循环过程的特点，气体动力循环可分为恒定流量循环和恒定压力循环。
在恒定流量循环中，气体流量保持不变，例如湿蒸汽循环。
而在恒定压力循环中，工作物质的排热过程保持恒定压力，例如常压汽轮机循环。
总结：工程热力学气体动力循环是将热能转化为功的一种循环过程。
根据其特点和应用需求，可以将其分类为单级循环与多级循环、热力循环与制冷循环、气体组成循环以及循环过程特点等。
工程热力学14 气体动力循环
管膨胀加速来获得足够动能，推动飞行器飞行。假设燃料的质量忽略 不计，有兴趣的同学可以试着用如下喷气式发动机的动力循环的p-v图 与T-s图，计算出它的净推力。
图14-3 喷气式发动机原理示意图 空气 压缩机 燃烧室
燃气轮机机 废气 喷管 燃料
5 v p 1 2
3 4
1 2 3 4
T
s 图14-4 喷气发动机循环 尾喷管 6 进气扩压管 压气机 燃气轮机气机 5 6
喷气发动机的特点是结构简单、重量轻、体积小、功率大。当高
速飞行时，发动机的功率随着速度的增加而增大，因此喷气发动机主 要应用于飞机和火箭等高速飞行的飞行器上。(空天飞机-冲压发动机简 介)
机和煤气机是点燃式内燃机，吸入的燃料和空气的混合物，经压缩后 被电火花点燃；柴油机是压燃式内燃机，空气经压缩至温度升高到燃 料的自燃温度后，喷入燃料使其自燃。
下面以四冲程柴油机为例，说明内燃机的工作原理。通过示功器记 录的四冲程柴油机实际循环的p－V关系示于图14-5中。0-1线为吸气冲 程，进气阀开启，活塞从左止点右行到右止点，由于阀门的节流作 用，进入气缸的空气压力略低于大气压。1-2为压缩冲程，进气阀关 闭，活塞自右止点返行到左止点附近，消耗外功，压缩气体，气体的 压力升高，压缩终了时，气体温度超过燃料的自燃温度。2-3-4为燃烧 过程，压缩终了前，一部分燃料预先通过高压油泵喷入气缸，并迅猛 燃烧，此时，活塞在左止点附近，位置变化很小，可近似为定容燃 烧，燃气压力骤增（2-3）；随后，喷入的燃料冲程，气缸内高温高压气 体膨胀做功，活塞自左向右移动。5-6-0为排气冲程，此时活塞移至右 止点附近，排气阀开启，排除部分废气，气缸内压力骤降至略高于大 气压（5-6）；活塞向左返行，将剩余废气排出（6-0）。这样活塞往 返两次（四个冲程）完成一个循环。
06_第六章 气体动力循环
6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
预胀比 表示定压燃烧时气体比体积增大的倍率。
(6-3)
2)循环热效率
混合加热循环在温熵图中如图6-3所示。它的热效率为 (a)
6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
假定工质是定比热容理想气体,则 (b)
将式(b)代入式(a)得 (c)
6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
6-4 活塞式内燃机各种循环的比较
2、在迚气状态以及最高温度(Tmax)和最高压 力(pmax)相同的条件下迚行比较
图6-13示出了三种理论循：
123451为循环加热循环
12’451为定容加热循环
12”451为定压加热循环
三种循环放出的热量相同： q2p = q2 = q2v = 面积 71567
图 6-7
6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环
1、活塞式内燃机定容加热循环分析
有些活塞式内燃机 (如煤气机和汽油机) , 燃料是预先和空 气混合好再迚入气缸的 , 然后在压缩终了时用点火花点燃。 一经点燃, 燃烧过程迚行得非常迅速,几乎在一瞬间完成, 活塞基本上提留在上止点未动, 因此这一燃烧过程可以看 作定容加热过程。其它过程则和混合加热循环相同。 定容加热循环(又称奥托循环)在热力学分析上可以看作 混合加热循环当预胀比 时的特例。
6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环
图 6-8
图 6-9
6-3 活塞式内燃机的定容 加热循环和定压加热循环
2、活塞式内燃机定压加热循环分析
有些柴油机的燃烧过程主要在活塞离开上止点的一段行 程中迚行,一面燃烧, 一面膨胀,气缸内气体的压力基本保 持不变,相当于定压加热。这种定压加热循环(又称狄塞 尔循环)也可以看作混合加热循环的特例。 状态3和状态2重合,混合加热循环便成 了定压加热循环(图6-10、图6 -11)。令式(6-4)中 , 即可得定压加 热循环的理论热效率计算式：
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§10–4 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较
一.压缩比相同，吸热量相同时的比较
q1v q1m q1 p
q2 v q2 m q2 p
得 T5 T1
把T2、T3、T4和T5代入
1 t 1 1 1 1
讨论：
a) t
b) t
c) t
v1 二、定压加热理想循环 —Diesel cycle v2 v1 v3 v2 v2
二. 实际工作循环的抽象与简化
简化原则为:
（1）不计吸气和排气过程，将内燃机的工作过程看作是 气缸内工 质进行状态变化的封闭循环。 （2）把燃烧过程看作是外界对工质的加热过程，
并认为2－3是定容加热过程，3－4是定压加热过程。
（3）略去压缩过程和膨胀过程中工质与气缸壁之间的热量 交换,近似地认为是绝热过程。
——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。
§10–2 活塞式内燃机实际循环的简化
分类： 按燃料：煤气机(gas engine)
汽油机(gasoline engine; petrol engine)
柴油机(diesel engine) 按点火方式：点燃式(spark ignition engine) 压燃式(compression ignition engine) 按冲程：二冲程(two-stroke ) 四冲程(four-stroke )
气体而增大。
三.定容加热理想循环—Otto cycle
v1 v2
p3 p2
热效率
q1 cV T3 T2
v1 v2
q2 cV T4 T1
q2 T4 T1 t 1 1 q1 T3 T2
p3 p2
1 t 1 1 1 1
工质为空气定比热
二、平均有效压力 mean effective pressure
MEP = 循环净功 / 活塞排量 = 循环净功 / 活塞面积×冲程 相同尺寸的发动机性能比较时， MEP较大的机器可产生更多的 净输出功
§10–3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热理想循环 1、p-v图及T-s图
积大小的结构参数。
v1 v2
（2）定容增压比—pressure ratio : 定容加 热后的压力与加热前的压力之比，它是表示 内燃机定容燃烧情况的特性参数。
p3 p 2
（3）定压预胀比— cutoff ratio : 定压加热后的比体积与加热 前的比体积之比，它是表示内燃机定压燃烧情况的特性参数。
四冲程汽油机
四冲程柴油机
二冲程汽油机
活塞式内燃机循环特点：
开式循环(open cycle)； 燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆； 各环节中工质质量、成分稍有变化。
(一)活塞式内燃机实际工作循环 （以柴油机为例） 压燃式柴油机——空气和燃料 (柴油 )分别压 缩,自行发火式发动机。 0-1 吸气 1-2 压缩 喷油 2-3 定容加热(燃烧) 3-4 定压加热(燃烧) 4-5 膨胀 5-0 排气
二、分析动力循环的一般步骤
实际循环（复杂不可逆）
抽象、简化
分析
可逆理论循环 吸热、放热、作功、热效率
实际循环
指导改善
三、分析动力循环的方法 1）第一定律分析法
以能 量的数量守恒为立足点。 评价指标：热效率
2）第二定律分析法 从能量的数量和质量分析。 “作功能力损失和火用效率为其指标
热效率
T0 卡诺循环热效率 c 1 T1
T1—燃气温度（定值）
内可逆循环的热效率
wnet t q1
反映该内部可逆循环因与高、低温热源 存在温差（外部不可逆）而造成的损失
相对热效率
t o c
wnet
相对内部效率 T
wnet,act
反映内部摩擦引起的损失
内部热效率i
i
wnet,act q1
T wnet
q1
Tt coT
12 等熵压缩；23 等容吸热； 34 定压吸热；45 等熵膨胀； 51 定容放热 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 “萨巴德循环”。
2、内燃机的特性参数 （1）压缩比—compression ratio ：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
v3 v2
热效率
q2 t 1 q1
q1 c p T3 T2
q2 cV T4 T1
T4 T1 t 1 T3 T2
1 t 1 1 1 1
热效率随着压缩比ε 的增大,预胀比ρ 的减小和采用高ｋ值的
v4 v3
3、混合加热循环的能量分析和性能分析
循环热效率
wnet t q1
wnet qnet q1 q2
q1 q23 q34 cV T3 T2 c p T4 T3
q2 q51 cV T5 T1
T5 T1 q2 t 1 1 T3 T2 T4 T3 q1
（4）用定容放热过程来代替废气排入大气中的实际放热过程。
三.活塞式内燃机循环的简化
01 12 23 34 45 51 10
吸气 等熵压缩 定容加热 定压加热 等熵膨胀 排气 排气
进一步说明 排气51 等容放热
吸气01排气线10重合略去， 封闭循环 燃油质量忽略
有 v1 1 T2 T1 T1 v2 p3 T3 T2 T1 1 p2 v4 T4 T3 T1 1 v3 p5 p5 T5 T1 ，求出 p1 p1
1
23 有 34 有 5 1 有