工程热力学-10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。
沈维道《工程热力学》(第4版)名校考研真题-蒸汽动力装置循环(圣才出品)
第10章蒸汽动力装置循环一、选择题在蒸汽动力循环中，为达到提高循环热效率的目的，可采用回热技术来提高工质的（）[宁波大学2008研]A．循环最高温度B．循环最低温度C．平均吸热温度D．平均放热温度【答案】C【解析】在蒸汽动力循环中，采用回热技术可以提高工质的平均吸热温度，从而达到提高循环热效率的目的。
二、判断题1．回热循环的热效率比郎肯循环高，但比功比朗肯循环低。
（）[天津大学2004研] 【答案】对2．抽气回热循环由于提高了效率，所以单位质量的水蒸气做功能力增加。
（）[同济大学2006研]【答案】错【解析】抽气回热循环中部分未完全膨胀的蒸汽从汽轮机中抽出，去加热低温冷却水，这样就使得相同的工质情况下，抽气回热循环做功小于普通朗肯循环，因而单位质量的水蒸气做功能力降低。
3．实际蒸汽动力装置与燃气轮装置，采用回热后平均吸热温度与热效率均提高。
（）[湖南大学2007研]【答案】对【解析】对实际的蒸汽的动力装置于燃气轮机装置来说，采用回热后，平均吸热温度升高，于是热效率也得到提高。
三、简答题1．朗肯循环采用回热的基本原理是什么？[天津大学2004研]解：基本原理是提高卡诺循环的平均吸热温度来提高热效率。
2．画出朗肯循环和蒸汽压缩制冷循环的T-s图，用各点的状态参数写出：（1）朗肯循环的吸热量、放热量、汽轮机所做的功及循环热效率。
（2）制冷循环的制冷量、压缩机耗功及制冷系数。
[西安交通大学2004研]解：画出朗肯循环和蒸汽压缩制冷循环的T-s图如图10-1所示。
郎肯循环蒸汽压缩制冷循环图10-1（1）参考T-s图，可以得到：朗肯循环的吸热过程为4→1的定压加热过程，吸热量：；郎肯循环的放热过程为2→3的过程，在冷凝器中进行，放热量：；汽轮机中，做功过程为绝热膨胀过程1→2，做工量：；在水泵中被绝热压缩，接受功量为，相对于汽轮机做功来说很小，故有热效率：（2）参考上面的T-s图，可以得到：蒸汽压缩制冷循环的吸热量为：；压缩机耗功为：；制冷系数为：。
工程热力学思考题答案
第九章气体动力循环1、从热力学理论看为什么混合加热理想循环的热效率随压缩比ε和定容增压比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和定容增压比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和定容增压比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，这是否是必然的答：不是必然的，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和卡诺循环的热效率一样答：卡诺定理的内容是：在相同温度的高温热源和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的热源和同为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和卡诺循环一样高。
4、根据卡诺定理和卡诺循环，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。
定压加热理想循环的循环增温比τ高，循环的最高温度就越高，但为什么定压加热理想循环的热效率与循环增温比τ无关而取决于增压比π答：提高循环增温比，可以有效的提高循环的平均吸热温度，但同时也提高了循环的平均放热温度，吸热和放热均为定压过程，这两方面的作用相互抵消，因此热效率与循环增温比无关。
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。
工程热力学第十章 动力循环
h3)
(h1 h6 ) (h1 h2 ) (h1 h3) (h1 h6 )
第三节 热电循环
一、背压式热电循环 排汽压力高于大气压力的汽轮机称为背压式汽轮机
二、调节抽气式热电循环
第四章 内燃机循环
气体动力循环按热机的工作原理分类，可分为内燃 机循环和燃气轮机循环两类。内燃机的燃烧过程在热机 的汽缸中进行，燃气轮机的燃烧过程在热机外的燃烧室 中进行燃气轮机主要有三部分组成：燃气轮机、压气机和燃烧 室
工质的吸热量 放热量
循环的热效率
q1 c p (T3 T2 )
q 2 c p (T4 T1 )
t
1
q2 q1
1 T4 T1 T3 T2
1
T1 (T4 T2 (T3
T 1 1) T 2 1)
二、定压加热循环
工质吸热、放热和循环热效率：
q1 cp(T3 T2), q2 cv(T4 T1)
t
1q2 q1
1cp(T4 T1) cv(T3 T2)
11 T1(T4T11)
T2(T3T2 1)
T1 T2
v2 v1
1
1 1
,
T4 T1
v3 v2
t,p
1
1 ( 1) 1
1cv(T4T1) 1T1(T4T11)
cv(T3T2)
T2(T3T21)
v3=v2，v4=v1，故
T2 T1
vv121
T3 T4
vv431
T2 T3 , T1 T4
T4 T3 T1 T2
t
1 T1 T2
1 1
T2 T1
1
1
v1 v2
1
1
1 k1
v1 v2
工程热力学__第五章气体动力循环
k 1 k
p2 p1
k 1 k
T2 T1
T1 1 1 1 1 1 k 1 T2 T2 p2 k T1 p1
T
2 1
3
4
t,C
T1 1 T3
热效率表达式似乎与卡诺循环一样
s
勃雷登循环热效率的计算
热效率：
t 1
p
2 3 2 4 T 3
4
1 1
v s
定压加热循环的计算
吸热量
q1 cp T3 T2
放热量(取绝对值）
T 2
1
3
4
q2 cv T4 T1 热效率
w q1 q2 q2 t 1 q1 q1 q1
s
定压加热循环的计算
k 1 热效率 t 1 k 1 k ( 1) t
T1
s
燃气轮机的实际循环
压气机： 不可逆绝热压缩 燃气轮机：不可逆绝热膨胀 T
定义：
3 2 1
2’
4’
压气机绝热效率
h2 h1 c h2' h1
4
燃气轮机相对内效率
oi
h3 h4' h3 h4
s
燃气轮机的实际循环的净功
净功
' w净 h3 h4' h2' h1
oi h3 h4
h2 h1
T
2 1
2’
3
4’
c
' opt w净 oic
k 2 k 1
4
吸热量
q h3 h2' h3 h1
' 1
工程热力学思考题答案
第十章蒸汽动力装置循环1、干饱和蒸汽朗肯循环（图10-1 中循环6-7-3-4-5-6）与同样初压力下的过热蒸汽朗肯循环（图10-1 中循环1-2-3-4-5-6-1）相比较，前者更接近卡诺循环，但热效率却比后者低，如何解释此结果？答：循环6-7-3-4-5-6局限于饱和区，吸热温度受到水的临界温度的制约，其平均吸热温度较低，故其热效率较循环1-2-3-4-5-6-1低。
2、本世纪二三十年代，金属材料的耐热性仅达400℃，为使蒸汽初压提高，用再热循环很有必要。
其后，耐热合金材料有进展，加之其他一些原因，在很长一段时期内不再设计制造按再热循环工作的设备。
但近年来随着初压提高再热循环再次受到注意。
请分析其原因。
答：朗肯循环中提高新蒸汽压力和温度都可以提高循环的热效率，在本世纪二三十年代，材料的耐热性较差，通过提高蒸汽的温度而提高热机的效率比较困难，因此采用再热循环来提高蒸汽初压。
随着耐热材料的研究通过提高蒸汽的温度而提高热机的效率就可以满足工业要求。
因此很长一段时期不再设计制造再热循环工作设备。
近年来使用的蒸汽初压大大提高，由于初压的提高使得乏气干度迅速降低，引起气轮机内部效率降低，另外还会侵蚀汽轮机叶片缩短汽轮机寿命，所以乏气干度不宜太低，必须提高乏气干度，就要使用再热循环。
3、图10-13 所示回热系统中采用的是混合式回热器，靠蒸气与水的混合达到换热的目的。
另有一种表面式换热器，如图10-26 所示，蒸汽在管外冷凝，将凝结热量传给管内的水，这种布置可减少系统中高压水泵的数量。
试分析这种系统在热力学分析上与混合式系统有否不同？图10-26答：回热循环的计算最重要的是计算抽气量：对于混合式回热加热器：其热平衡方程为：()()()1'1'100041h h h h -=--αα 可得：404011'h h h h --=α对于表面式换热器：热平衡方程为：假设在理想换热情况下，没有热损失。
武汉理工大学轮机工程工程热力学与传热学气体动力循环作业答案
5 1为定容过程，故T5 =T1
p5 p1
对于1 2和4 5可逆绝热压缩过程，有p1v1 p2v2、p4v4 p5v5
同时结合v1 v5，p4 =p3，v2 v3
得
p5 p1
=
p4 p2
v4 v2
v1 v5
=
p3 p2
v4 v3
=
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
所以T5 =T1
t3)
1（590-400）＋3010.4-9（0728.10-590）
0.452
45.2%
对于同温限间的卡诺循环，高温热源温度为T4，低温热源温度为T1
则对应卡诺循环的热效率c
1 T1 T4
1
90 273.15 1001.25
0.637=63.7%
可见，此混合加热循环的热效率低于同温限间卡诺循环的热效率。
根据热效率的定义t
w0 q1
1
1 1
1
1 51.41
0.475=47.5%
（上式根据奥拓循环热效率的计算公式得到，可推导得到的结果与定容升压比无关，只
跟压缩比有关。）
据题，1kg空气对应的汽油质量是1/15kg ，假设单位质量的空气作功量是w1kg空气
则t
w0 q1
w1kg空气 1 kg汽油的发热值
w1kg空气 v1 v2
13931000 Pa=2.1MPa 0.827 0.165
6.已知内燃机混合加热循环，t1 90C，t2 400C，t3 590C，t5 300C，工质视 为空气，比热容为定值。求此循环的热效率，并与同温度范围内的卡诺循环的热效 率相比较。
解：先画出示意图
解：根据热效率的定义t
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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)
循环净功 w0 q23 q34 q51
1
1
1
(
1 1) (
1)
f (,, ,)
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第九章 气体动力循环
7
混合加热循环热效率 thermal efficiency
t
1
q2 q1
1
1
1
(
1 1) (
1)
Question：How to improve the thermal efficiency ?
（1）压缩比的影响
①压缩比相同、放热量相同
Tm1,V Tm1 Tm1, p Tm2,V Tm2 Tm2, p
t,V t t, p
②最高压力相同、最高温度相同
Tm1, p Tm1 Tm1,V
Tm2,V Tm2 Tm2, p
t, p t t,V
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
12
例9-1 (p160-162) 本章作业 9-1, 9-2, 9-5
第九章 气体动力循环
9-1 活塞式内燃机的理想循环 9-2 燃气轮机装置循环 9-3 增压内燃机及其循环 9-4 自由活塞燃气轮机装置及其循环 9-5 喷气式发动机及其循环 9-6 活塞式热气发动机及其循环 本章作业及小结
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第九章 气体动力循环
1
9-1 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热循环（萨巴特循环）
第九章 气体动力循环
4
特性参数：
压缩比 compression ratio
v1
v2
升压比 pressure step-up ratio
p3
p2
预胀比 pre-expand ratio
v4
v3
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第九章 气体动力循环
5
参数分析：
T1, p1 ε
T2 T1 k1
T3 T2 T1 k1
10
三、定压加热循环（笛塞尔循环， Diesel Cycle ）
1
t
1
1
1
1 ( 1)
w0
p1v1 [ 1( 1
1)] (
1)]
可见： , t
, w0
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第九章 气体动力循环
11
四、活塞式内燃机各种理想循环的比较
t 1
q2 q1
1 Tm2 Tm1
所以 w0 (ws )T (ws )c
c
p0
T3
1
1
( 1) /
T1
( 1) /
1
( 1) /
当
max, w0
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第九章 气体动力循环
13
9-2 燃气轮机装置循环
一、定压加热燃气轮机循环
燃气轮机装置循环（勃雷登循环）的组成： ①绝热压缩过程（压气机） ②定压加热过程（燃烧室、加热器） ③绝热膨胀过程（燃气轮机、气轮机） ④定压放热过程（大气、冷却器）
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
14
循环特性：
增压比——π=p2/p1
最高温度——T3
升温比——τ= T3/T1
参数关系：
T2 T1
p2 p1
( 1) /
p3 p4
( 1) /
T3 T4
( 1) /
循环加热量：
q1 h3 h2 cp0 (T3 T2 )
循环放热量：
q2 h4 h1 cp0 (T4 T1)
循环热效率：
t
1
q2 q1
1
cp0 (T4
T1)
1
T1
T4 T1
1
cp0 (T3 T2 )
T2
T3 T2
1
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第九章 气体动力循环
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整理上式，有
t
1
1
( 1) /
可见，↑π，热效率↑。
功量—燃气轮机轴功： (ws )T h3 h4 cp0 (T3 T4 )
压气机耗功： (ws )c h2 h1 cp0 (T2 T1)
如果λ与ρ不变，提高ε可提高混合加热循环的 热效率，但随着压缩比的逐渐增大，热效率增长 的速率逐渐减缓。
实际上，当压缩比数值较高时，提高压缩比 不仅热效率增长较少，而且由于压缩终了压力及 燃烧终了压力太高，发动机的机件摩擦消耗的功 太多，以致发动机的实际效率无明显增加，甚至 反而减小。因此，一般压燃式内燃机的压缩比主 要按燃料可靠地起燃和正常燃烧来确定。
柴油机的压缩比一般在14～20之间。
2020年8月4日
第九章 气体动力循环
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混合加热循环热效率
t
1
q2 q1
1
1
1
(
1 1) (
1)
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第九章 气体动力循环
9
二、定容加热循环（奥托循环, Otto Cycle ）
1
w0
p1v1 ( 1
1)( 1
1)
t
1
1
1
f (,)
1 T1 T2
Why? t 但ε= 6.5～11 .
随着压缩比的提高，点燃式内燃机的热效率增大。 实际上，当压缩终了的温度及压力超过一定的限度时，点燃式内 燃机如汽油机等会产生不正常的爆燃现象，因此压缩比不能过高， 一般汽油发动机的压缩比在6.5～11之间。
2020年8月4日
第九章 气体动力循环