工程热力学-第九章 气体动力循环

? h4 h3 - hT (h3 - h4s )
实际循环的内部净功：
w' net
=
wT'
-
w
' c
=
hT (h3 -
h4s ) -
1 hc ,s
(h2s
-
h1 )
实际循环的吸热量：
q1' = h3 -
h2 = h3 -
h1 -
1 hc ,s
(h2s
-
h1 )
实际循环的内部热效率：
hi
=
w' net q1'
陶瓷基复合材料（CMC）燃烧室火焰筒
c) ,i 但有极值 提高循环最高温度和提高增压比。
9–8 提高燃气轮机装置热效率的热力学措施
一、回热 利用排气的热量来加热压缩后的空气
T
3
若使T4 如果T4>T2
p4 不可能
预热空气，回热
2
4
1 s
T4 在500oC以上
极限情况下： 压缩后的空气加热 T5 T4
9-2 活塞式内燃机实际循环的简化
1－2:绝热压缩过程；2－3:定容吸热过程； 3－4:定压吸热过程；4－5:绝热膨胀过程； 5－1:定容放热过程；
图9-2 定压燃烧柴油机示功图
边燃烧边膨胀： 压力保持不变 定压吸热过程
图9-3 定容燃烧汽油机示功图
定容吸热过程
9－3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热理想循环
e) 汽油机压缩的是燃料和 空气混合物，因此压比大 多在5～12；而柴油机压缩 的仅空气，因此压比可达 14～20
9-4 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 压缩比相同，1-2重合
吸热量相同，q1v q1m q1p
q2v < q2m < q2 p tv tm tp
cp
T3 T2
q2
h4
h1
c pm
t4 t1
T4 T1
cp T4 T1
t
1
q2 q1
1 T4 T1 T3 T2
1
Q
T4 T3
p4 p3
1
T1 T2
p1 p2
p4 p3
p1 p2
?
T4 T3
? T4 - T1 T3 - T2
T1 T2
?
T4 T1
T3 T2
T1(T4 /T1 - 1) = T1 T2 (T3 /T2 - 1) T2
定压预胀比
r
=
v3 v2
1 t
1
1
1
1
1
1
1
1
讨论：
a)循环1-2’-3’-4-1
压缩比 e ­ ht ­
Tm1 wnet
b)
t
1
1
1
t不变，但wnet
c) T t
d) 重负荷（q1 ）时，压 缩比不变，故理论上热效 率不变，实际内部热效率 下降，因温度上升使 ， 造成热效率稍下降
采用极限回热:
如果不采用回热时：热效率？
9-5 斯特林（Stirling)循环
1816年提出，近几十年才实施 加热器 回热器 冷却器
热气室
冷气室
1-2 T 压缩
2-3 V 吸热
3-4 T 膨胀
4-1 V 放热
A
B
斯特林循环图示 概括性卡诺循环
p 3 2 4
1
v
核潜艇，制冷
T
3
4
2 1
s
压气机绝热效率
c,s
wc,s wc'
实际压气机耗功
w
' c
=
h2 -
h1 =
1 hC ,s
(h2s
-
h1 )
? h2
h1 +
1 hC ,s
(h2s
-
h1 )
燃气轮机相对内效率：T
实际膨胀作出的功＝ wT' 理想膨胀作出的功 wT
燃气轮机实际做功：
w
' T
=
h3 -
h4 = hT (h3 -
h4s )
热效率
t
wnet q1
t
1
1
1
1
1
(9 7)
讨论：
v1 p3
v2
p2
v4
v3
a)循环1-2’-3’-4’-5-1
压缩比 e ­ Tm1 ­ t
b)循环1-2-3”-4”-5-1
定容增压比 l ­ Tm1 ­ t
c)循环1-2-3’”-4’”-5-1
定压预胀比 r ­ Tm1 ¯ t
定压预胀比 r ­ t wnet
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ c) 重负荷 上下止点一定时，压缩比一
定，功率增加， ，q1
d) 压缩比增加，热效率， 机械效率下降，因此需选 择恰当的压缩比
三、定容加热理想循环（奥托循环） 汽油机定容加热过程
压缩比 e
=
v1 v2
定容增压比 l = p3 p2
t
1
1
1
1
1
(9 7)
排气冷却 T6 T2 有回热时吸热过程为5－3 无回热时吸热过程为2－3 循环净功不变，热效率提高
实际循环1-2’-3-4’-1 极限情况下：
压缩后的空气加热 T5 T4' 排气冷却 T6 T2'
要满足极限回热，回热器 换热面积趋于无穷，无法实现
因此实际压缩后的空气加热 T7 T5 回热度 s = 实际利用的热量 = T7 - T2'
2）回热基础上分级膨胀、中间再热
分级膨胀、中间再热
T1" T1'
对外做功增多
回热基础上分级膨胀、中间再热可提高热效率
在回热的基础上分级压缩、中间冷却和分级膨胀、 中间再热
当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数 趋向无穷多时。
当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数 趋向无穷多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循 环。
又称萨巴德循环 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
特性参数：
压缩比(compression ratio) v1
v2 定容增压比(pressure ratio) p3
p2
定压预胀比 (cutoff ratio) v4
v3
反映气缸容积 反映供油规律
理论可利用的热量 T4' - T2'
二、在回热的基础上分级压缩、中间冷却和分级膨胀、 中间再热
1）分级压缩、中间冷却
循环1-2-3-4-1压气机耗功
wc h2 h1 h2 h8 面积2nm82
分级压缩中间冷却 1-5-6-7-3-4-1
wc 面积8765nm8 面积2nm82
级数趋向无限，压缩过程接近定温过程1-8 分级压缩、中间冷却可降低压气机耗功，提高热效率
1、开式循环，工质流动；
2、运转平稳，连续输出功；
3、启动快，达满负荷快；
4、压气机消耗了燃气涡轮产生功率的绝大部分，但 推力（功率）/重量比仍较大。
用途： 飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组等。
1-2 等熵压缩(压气机内)
2-3 定压吸热(燃烧室内) 3-4 等熵膨胀(燃气轮机内) 4-1 定压放热（排气，假想换热器）
其wnet→wnet,max
2）τ上升，即T3上升，使取 得wnet,max 的π 上升，ηt上升， 同时使wnet,max显著增大，所 以提高T3 能带动wnet,max 及ηt 同时升高。
9-7 燃气轮机装置的定压加热实际循环
实际压缩和膨胀过程中存在不可逆因素（高 速气流的摩擦）
1-2 不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀； 4-1 定压放热。
=
t
k- 1
hT
-
pk
t- 1
k- 1
-
pk -1
1 hc ,s
1 hc ,s
(9 - 23)
a)除、 外 i还与Cs、T有关 T Cs i 目前T 0.85 ~ 0.92，Cs 0.85 ~ 0.90
b) 一定时， ,i ，因此需提高循环最高温度
提高循环最高温度是提高燃气轮机装置性能 （wnet，ηi）的方向。
t
1 T1 T2
1 1 1
a) t
b)
一定
q1
wnet
不变
t
c) 一定， 取某值wnet wmax
T
T3
当 不变
太小 t w净
太大 t w净
T1
s
wnet q1 q2
cp T3 T2 T4 T1
=
c pT1 轾 犏 犏 犏 臌骣 çççç桫TT13 -
二、定压加热理想循环（狄塞尔循环） 柴油机定压加热过程
压缩比 e = v1 v2
定压预胀比
r
=
v3 v2
t
1
1
1
1
1
(9 7)
定容增压比 p3
p2
1 t
1
1
1
1
讨论：
a)循环1-2’-3’-4-1
压缩比 e ­ Tm1 ® ht ­ wnet
b)循环1-2-3”-4”-1
T2 T1
÷÷÷÷-
骣 çççç桫TT43
T3 T1
-
1÷÷÷÷
=
轾
c pT1 犏 犏 犏 臌t -
k- 1
pk -
骣 1- k çççç桫t p k -
1÷÷÷÷
δwnet 0