12 气体动力循环
热工基础第12章气体动力循环
冲程 四冲程 (进气,压缩,燃烧膨胀,排气) 二冲程 (进气-压缩-燃烧膨胀,排气)
四冲程柴油机的工作过程
内燃机的整个工作过程存在着诸多不可逆因 素，因此实际内燃机的工作循环是不可逆的。
P
0-1：吸气过程。由于阀门的阻力，吸入
3 4 气缸内空气的压力略低于大气压力。
1-2：压缩过程
2
2－3－4－5：燃烧和膨胀
混合加热循环
内燃机按加热方式 定容加热循环
定压加热循环 (一) 混合加热循环
特征参数：
p3
4
压缩比：压缩前的比体积与
压缩后的比体积之 2
比，它是表征内燃
5
v1 机工作体积大小的
1
v2 结构参数。
0
v
混和加热理想循环
定容升压比：
p
定容加热后的压力与加热前
3
的压力之比，它表示内燃机
2
定容燃烧情况的特性参数。
第一节 活塞式内燃机的理想循环
内燃机一般都是活塞式
Hale Waihona Puke 活塞式内燃机的分类：（特或点称是往用复燃式烧）的的产，物其作共为同工
使用燃料
煤气机 质推动活塞作功，燃料的燃
烧过程以及工质的膨胀和压
汽油机 缩都在同一个带活塞的气缸
柴油机
中进行，再由连杆带动曲轴 转动。
点火方式 点燃式 （汽油机、煤气机）
压燃式 （柴油机）
1 T1 T2
1
1
1
定容加热理想循环
定容加热理想循环的热效率:
t
1
1
1
混合加热理想循环的热效率:t
1
1[(
1 1) (
气体动力循环2011_B
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
气体动力循环
§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
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。
气体动力循环演示
T3 1 T2 T3 1 T2
k
T4 T1 1 T1 T t 1 1 1 kT2 T3 kT2 1 T2
T1 v2 T2 v1
k 1
T3 1 T2 T3 1 T2
p 3
T 3
2
s
2
v
4
s
4 1 1
v
v
s
定容加热循环的计算
吸热量 q1 cv T3 T2 放热量 q2 cv T4 T1 循环净功 w0 q1 q2
w0 q2 1 循环热效率 t q1 q1 T4 T1 tV 1 T3 T2
2
T
3
v
T5 1 T1 tp 1 T3 T4 T2 T3 1 k 1 T1 T2 T1 T3
4
T
3
p
v
2
5
而
s24 s23 s34 s15
T5 s15 cv ln T1
1
v
s
k T3 T3 T3 T4 T4 T4 s24 cv ln c p ln cv ln k ln cv ln T2 T3 T3 T T T2 2 3
第十三章 气体动力循环
工质—燃气（理想气体） 循环—热机循环
按工作方式不同可分为 叶轮式燃气轮机 喷气发动机
活塞式内燃机
活塞式内燃机
点燃式内燃机
汽油机 煤气机
压燃式内燃机 —柴油机
第一节
汽油机的实际循环和理想循环
一、汽油机的实际工作循环
1、实际循环
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
工程热力学第12章答案
第12章 气体动力装置循环12-1 某燃气轮机装置理想循环，已知工质的质量流量为15kg/s ，增压比π=10，燃气轮机入口温度T 3=1200K ，压气机入口状态为0.1MPa 、20℃，假设工质是空气，且比热容为定值，c p =1.004kJ/（kg ·K ），k =1.4。
试求循环的热效率、输出的净功率及燃气轮机排气温度。
解：−−4.114.11kk（1）极限回热时 =×===−−4.114.11126615.298kk T T T π497.47K=⎟⎠⎞⎜⎝⎛×=⎟⎠⎞⎜⎝⎛==−−4.114.113456115.12731kk T T T π763.05K循环吸热量 )(531T T c q p −= 循环放热量 ()162T T c q p −= 循环热效率=−−−=−−−=−=05.76315.127315.29847.497111162T T T T q q t η60.9%t=×===−−4.114.1126515.293kk L T T T π464.30K=⎟⎠⎞⎜⎝⎛×=⎟⎠⎞⎜⎝⎛==−−4.114.11455115.11731kk H T T T π740.71K循环吸热量 ()17.43471.74015.1173004.1)(531=−×=−=T T c q p kJ/kg 循环放热量 ()162T T c q p −=4.114.118−−kk t π12-5 某理想燃气-蒸汽联合循环，假设燃气在余热锅炉中可放热至压气机入口温度(即不再向环境放热)，且放出的热量全部被蒸汽循环吸收。
高温燃气循环的热效率为28%，低温蒸汽循环的热效率为36%。
试求联合循环的热效率。
解：假设高温燃气循环中热源提工１００ｋＪ热量。
在燃气轮机中作功为 28%281001=×=w ｋＪ燃气在余热锅炉中吸热为 72112=−=w q ｋＪ 在蒸汽轮机中作功为 92.25%36722=×=w ＫＪ 联合循环的热效率为 %92.5310092.2528=+=t η12-6 有人建议利用来自海洋的甲烷气体来发电，甲烷气作为燃气蒸汽联合循环的燃料。
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第十二章气体动力循环
一、是非题
1．各种气体动力循环中的各个过程尽管与实际设备中燃气过程不完全相同，但它们在热力效果(过程热量、功量及工质状态变化)上是基本一致的，所以气体循环的热力学分析对实际气体动力装置具有实用意义。
（）
2．因为增压比π愈大，燃气轮机定压加热循环热效率愈高，所以燃气轮机装置的增压比愈大愈好。
（）
3．在燃气轮机动力装置中，由于压气机和气轮机中的摩擦都使循环功量减小，所以它们对循环热效率的影响是完全相同的。
（）
4．在燃气轮机动力装置中，由于压缩过程摩擦消耗的功量中有一部分转变为工质的火用，故火用效率比压气机的绝热效率高。
（）
5．工质在回热器中的吸热（或放热）是工质吸收（或放出）热量的一部分，所以在计算循环热效率时应计入循环的吸热量q1(或放热量q2)。
（）
6．采用回热是同时达到提高吸热平均温度和降低放热平均温度的有效方法。
（）
7．采用多级压缩、中间冷却的压气机和多级膨胀、中间再热的燃气轮机可提高整个燃气轮机装置循环的热效率。
（）
8．点燃式内燃机中热力过程可理想化成定容加热循环，而定容加热循环热效率随压缩比的增大而提高，故对于点燃式内燃机值取得愈大愈有利。
（）
9．在喷气式发动机理想循环中，燃气轮机所输出的功总是等于压气机所消耗的功量。
（）
10．蒸汽-燃气联合循环具有较高的吸热平均温度和较低的放热平均温度，循环热效率介于单纯的蒸汽动力循环和燃气轮机循环之间。
（）
二、思考题
1．试证明燃气轮机装置定压加热理想循环（图12-4）中采用极限回热（）时，理想循环热效率的公式为
γγπη1311--=T T t
2．燃气轮机装置定压加热理想循环中，压缩过程若采用定温压缩，则可减少压气机耗功量，从而增加循环净功。
在不采用回热的情况下，这种循环1--3-4-1（图12-18）的热效率比采用绝热压缩的循环1-2-3-4-1是增高了还是降低了？为什么？
图 12-18 图 12-19
3．在图12-19所示的内燃机定容加热循环中，如果绝热膨胀过程不是在点4结束，而一直延续到与进气压力相等的点5（p 5=p 1），试从T-s 图上比较循环1-2-3-4-1和1-2-3-5-1的热效率谁大谁小。
4．试证明，在有相同压缩比(
21
v v =ε)的条件下，活塞式内燃机定容加热循环和燃气轮机装置定压加热循环有相同的热效率。
5．燃气轮机装置采用回热以提高循环热效率的前提是什么？活塞式内燃机能否采用回热措施来提高热效率？
6．燃气轮机装置循环和内燃机循环的热效率低于对应温度范围内卡诺循环热效率的原因何在？提高热效率的措施有哪些？
三、习 题
12-1 燃气轮机装置的定压加热理想循环中，工质视为空气，进入压气机的温度
t 1=27℃、压力p 1=0.1MPa ，循环增压比 412==
p p π。
在燃烧室中加入热量q 1=333kJ/kg ，经绝热膨胀到p 4=0.1MPa 。
设比热容为定值，试求：（1）循环的最高温度；（2）循环的净功量；（3）循环热效率；（4）吸热平均温度及放热平均温度。
12-2 上题中，为提高循环热效率采用极限回热，设T 4=T 5，T 2=T 6（图12-4）。
试求具有回热的燃气轮机定压加热装置理想循环的热效率。
12-3 设上题装置中的压气机绝热效率为0.85，燃气轮机的相对内效率为0.90，求燃气轮机装置的实际循环效率。
若采用极限回热，实际循环效率是否提高？
图12-20
12-4 具有回热的燃气轮机装置采用两级压缩、中间冷却和两级膨胀、中间再热(图12-
7)。
工质视为空气，经过每级燃气轮机和压气机的压力比为2。
进入每级压气机时温度t 1=t 3=27℃，初压p 1=0.1MPa 。
进入每级燃气轮机时温度t 6=t 3=504.6℃，膨胀终压为
0.1MPa 。
求在极限回热情况下，该燃气轮机装置理想循环的热效率，并与习题12-1的结果相比较。
12-5 两个内燃机理想循环，一为定容加热循环1-2-3-4-1，另一为定压加热循环1--3-
4-1，如图12-20所示。
已知下面两点的参数：
p 1=0.1MPa t 1=60℃
p 3=2.45MPa t 3=1100℃
工质视为空气，比热容为定值。
试求此两循环的热效率，并将此两循环表示在p-v 图上。
12-6 一内燃机混合加热循环，工质视为空气。
已知p 1=0.1MPa ，t 1=50℃， 3.1,8.1,15342321======v v p p v v ρλε，比热容为定值。
求此循环的吸热量及循环热效率。
12-7 一内燃机混合加热循环，已知t 1=90℃, t 2=400℃, t 3=590℃, t 5=300℃，如图12-9所示。
工质视为空气，比热容为定值。
求此循环的热效率，并与同温度范围内卡诺循环的热效率相比较（提示：根据各过程的熵变化量，先求出t 4）。
12-8 参见图12-19，求循环1-2-3-5-1的热效率，并比较循环1-2-3-4-1与循环1-2-3-5-1的热效率，1、2、3各点的状态参数与例题12-3中的数值相同。
12-9 以空气为工质实现卡诺循环。
初态为p1=0.1MPa、T1=298K，循环中加入的热量q1=780kJ/kg，循环最高温度为1772.4K。
试确定循环的最高压力和循环热效率，并将此循环表示在p-v图及T-s图上。
应用热力学理论并以工程实用的观点与例题12-3所给的循环相比较。