工程熱力第十章第1頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1§10–1分析動(dòng)力循環(huán)的一般方法一.分析動(dòng)力循環(huán)的目的

在熱力學(xué)基本定律的基礎(chǔ)上分析循環(huán)能量轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)性，尋求提高經(jīng)濟(jì)性的方向及途徑。二.分析動(dòng)力循環(huán)的一般步驟1）實(shí)際循環(huán)（復(fù)雜不可逆）抽象、簡(jiǎn)化可逆理論循環(huán)分析可逆循環(huán)影響經(jīng)濟(jì)性的主要因素和可能改進(jìn)途徑實(shí)際循環(huán)指導(dǎo)改善2）分析實(shí)際循環(huán)與理論循環(huán)的偏離程度，找出實(shí)際

損失的部位、大小、原因及改進(jìn)辦法。第2頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2三.分析動(dòng)力循環(huán)的方法1）第一定律分析法以第一定律為基礎(chǔ)，以能量的數(shù)量守恒為立足點(diǎn)。2）第二定律分析法綜合第一定律和第二定律從能量的數(shù)量和質(zhì)量分析。熵分析法用分析法熵產(chǎn)作功能力損失用損用效率第3頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3四.空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)(theair-standardhypothesis)氣體動(dòng)力循環(huán)中工作流體理想氣體空氣定比熱燃燒和排氣過(guò)程吸熱和放熱過(guò)程燃料燃燒造成各部分氣體成分及質(zhì)量改變忽略不計(jì)TsT1T0WnetWcWnet,act五、內(nèi)部熱效率(internalthermalefficiency)i——不可逆過(guò)程中實(shí)際作功量和循環(huán)加熱量之比。第4頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4以燃?xì)鉃楦邷責(zé)嵩?，環(huán)境為低溫?zé)嵩磿r(shí)卡諾循環(huán)的熱效率。與實(shí)際循環(huán)相當(dāng)?shù)膬?nèi)可逆循環(huán)的熱效率。相對(duì)熱效率(relativethermalefficiency)，反映該內(nèi)部可逆循環(huán)因與高、低溫?zé)嵩创嬖跍夭睿ㄍ獠坎豢赡妫┒斐傻膿p失。相對(duì)內(nèi)部效率(internalengineefficiency)反映內(nèi)部摩擦引起的損失。第5頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5§10–2活塞式內(nèi)燃機(jī)實(shí)際循環(huán)的簡(jiǎn)化一.活塞式內(nèi)燃機(jī)(internalcombustionengine)簡(jiǎn)介分類：

按燃料：煤氣機(jī)(gasengine)、汽油機(jī)(gasolineengine;petrolengine)、柴油機(jī)(dieselengine)

按點(diǎn)火方式：點(diǎn)燃式(sparkignitionengine)、壓燃式(compressionignitionengine)

按沖程：二沖程(two-stroke)、四沖程(four-stroke)第6頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一6活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)特點(diǎn)：

開(kāi)式循環(huán)(opencycle)；

燃燒、傳熱、排氣、膨脹、壓縮均為不可逆；

各環(huán)節(jié)中工質(zhì)質(zhì)量、成分稍有變化。第7頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一7二、平均有效壓力--meaneffectivepressure循環(huán)凈功與活塞排量的比值。第8頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一8三.活塞式內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的簡(jiǎn)化汽油機(jī)第9頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一901吸氣12壓縮23噴油、燃燒34燃燒45膨脹作功50排氣簡(jiǎn)化：引用空氣標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)燃燒2-3等容吸熱+3-4定壓吸熱排氣5-1等容放熱壓縮、膨脹1-2及4-5等熵過(guò)程吸、排氣線重合、忽略燃油質(zhì)量忽略燃?xì)獬煞指淖兒雎圆裼蜋C(jī)第10頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一10§10–3活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)一.混合加熱理想循環(huán)（dualcombustioncycle）1.p-v圖及T-s圖12等熵壓縮；23等容吸熱；34定壓吸熱；45等熵膨脹；51定容放熱特性參數(shù)：壓縮比—compressionratio定容增壓比—pressureratio定壓預(yù)脹比—cutoffratio注意：第11頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一112.循環(huán)熱效率第12頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一12第13頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一13兩式相除，考慮到把T2、T3、T4和T5代入求第14頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一14討論：歸納：a.吸熱前壓縮氣體，提高平均吸熱溫度是提高熱

效率的重要措施，是卡諾循環(huán)，第二定律對(duì)實(shí)際循環(huán)的指導(dǎo)。

b.利用T-s圖分析循環(huán)較方便。c.同時(shí)考慮q1和q2或T1m和T2m平均。第15頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一15二.定壓加熱理想循環(huán)—Dieselcycle第16頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一16討論：C)

重負(fù)荷（，q1

）時(shí)

內(nèi)部熱效率下降，除

外還有因溫度上升而使

，造成熱效率下降。第17頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一17三.定容加熱理想循環(huán)—Ottocycle第18頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一18第19頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一19討論：C)

重負(fù)荷（q1

）時(shí)內(nèi)部熱效率下降，因溫度上升使

，造成熱效率下降。第20頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一20已知某柴油機(jī)混合加熱理想循環(huán)p1=0.17MPa、t1=60℃，壓縮比ε=14.5，氣缸中氣體最大壓力10.3Mpa，循環(huán)加熱量q1=900kJ/kg。設(shè)其工質(zhì)為空氣，比熱容為定值并取cp=1004J/（kg.K），cV=718J/（kg.K），κ=1.4；環(huán)境溫度t0=20℃，壓力p0=0.1Mpa。試分析該循環(huán)并求循環(huán)熱效率及傭效率。

解：由已知條件：p1=0.17kPa、T1=333.15K點(diǎn)1：

點(diǎn)2：

第21頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一211-2是定熵過(guò)程，有

點(diǎn)3：

第22頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一22點(diǎn)4：

=10.3Mpa，所以

點(diǎn)5：

第23頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一23或在吸熱過(guò)程中空氣熵增為

第24頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一24所以平均吸熱溫度為

循環(huán)吸熱量中的可用能：

循環(huán)火用效率

第25頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一25§10–4活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的熱力學(xué)比較一.壓縮比相同，吸熱量相同時(shí)的比較或第26頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一26二.循環(huán)pmax，Tmax相同時(shí)的比較或第27頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一27（*）若使活塞式內(nèi)燃機(jī)按卡諾循環(huán)運(yùn)行，并設(shè)其溫度界限與下圖所示混合循環(huán)相同，試從工程實(shí)踐角度比較兩個(gè)循環(huán)，已知：p1=0.17MPa，T1=333k，p4=10.3MPa，T4=1985k，v2=0.0387m3/kg第28頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一28解：第29頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一29從工程實(shí)用角度出發(fā)：1）pa=87.9MPa，壓力太高；2）pb=0.0199MPa，壓力太低，真空狀態(tài)難以維持；3）4）活塞從ab移動(dòng)距離太長(zhǎng)，摩擦損耗太大，所以雖然每循環(huán)理論wnet增大，但實(shí)際收效甚少。第30頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一30§10-6燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)一.燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbine)裝置簡(jiǎn)介第31頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一31第32頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一32構(gòu)成：

壓氣機(jī)(compressor)

燃燒室(combustionchamber)

燃?xì)廨啓C(jī)(gasturbine)特點(diǎn)：1.開(kāi)式循環(huán)(opencycle)，工質(zhì)流動(dòng)2.運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，連續(xù)輸出功3.啟動(dòng)快，達(dá)滿負(fù)荷快4.壓氣機(jī)消耗了燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生功率

的絕大部分，但重量功率比(specificweightofengine)仍較大用途：飛機(jī)、艦船的動(dòng)力載荷機(jī)組，電站峰荷機(jī)組(peak-loadset)，等。第33頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一33二.定壓加熱理想循環(huán)—constant-pressurecombustioncycle;Braytoncycle1-2等熵壓縮（壓氣機(jī)內(nèi)）2-3定壓吸熱（燃燒室內(nèi)）3-4等熵膨脹（燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)）4-1定壓放熱（排氣，假想換熱器）循環(huán)增壓比—pressureratio

循環(huán)增溫比—temperatureratio31TTt=第34頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一34三.定壓加熱理想循環(huán)分析1.熱效率ηt注意：式中T1，T2并非指高溫

熱源，低溫?zé)嵩?。?5頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一352.分析？第36頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一36第37頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一37可見(jiàn)：1）對(duì)于每一τ，均有其wnet,max。2）τ上升，即T3上升，使取得wnet,max

的π

上升，ηt上

升，所以提高T3

能帶動(dòng)

wnet,max

及ηt同時(shí)升高。第38頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一38§10–7燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱實(shí)際循環(huán)一.定壓加熱的實(shí)際循環(huán)1-2不可逆絕熱壓縮；2-3定壓吸熱；3-4不可逆絕熱膨脹；4-1定壓放熱。第39頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一39二.壓氣機(jī)絕熱效率(adiabaticcompressorefficiency)

ηCS和燃?xì)廨啓C(jī)相對(duì)內(nèi)效率(adiabaticturbineefficiency)ηT第40頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一40三.燃?xì)廨啓C(jī)裝置的內(nèi)部熱效率(internalthermalefficiency)ηi

整理后可得：第41頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一41討論：增大τ是提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置性能（wnet，ηi）的方向。第42頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一42§10–8提高燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)熱效率的措施一.回?zé)帷猺egeneration討論2）極限回?zé)岬?3頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一433）回?zé)岫取猺egeneratoreffectiveness注意：π達(dá)一定值，回?zé)岵荒苓M(jìn)行4）實(shí)際循環(huán)的回?zé)岬?4頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一44分級(jí)壓縮，中間冷卻—multistagecompressionandinterveningcooling第45頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一45二.分級(jí)壓縮，中間冷卻采用分級(jí)壓縮，中間冷卻后ηt？循環(huán)12341：循環(huán)1567341：循環(huán)12341循環(huán)67256循環(huán)67256：回?zé)峄A(chǔ)上分級(jí)壓縮中間冷卻回?zé)峄A(chǔ)上第46頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一46三.回?zé)峄A(chǔ)上分級(jí)膨脹，中間加熱循環(huán)12389101=循環(huán)127101-循環(huán)37983若無(wú)回?zé)崛艋責(zé)?/p>

循環(huán)12389101與循環(huán)12341

比較T1m上升，T2m下降注意：

當(dāng)分級(jí)壓縮中間冷卻；分級(jí)膨脹中間再熱，級(jí)數(shù)趨向無(wú)窮多時(shí)，定壓加熱理想循環(huán)趨于概括性卡諾循環(huán)。第47頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一47氣體動(dòng)力循環(huán)熱效率分析歸納：

基礎(chǔ)：方法：

在T-s圖上疊加、拆分等；

在T-s圖上與同溫限卡諾循環(huán)比較；

利用ηt=f(x,y,z···)的數(shù)學(xué)特性。第48頁(yè)，共58頁(yè)，2023年，2月20日，星期一48某燃?xì)廨啓C(jī)裝置定壓加熱循環(huán)，循環(huán)增壓比π=7，增溫比τ=4，壓氣機(jī)吸入空氣壓力p1=0.8MPa，t1=17°c。壓氣機(jī)絕熱效率ηcs=0.90，燃機(jī)輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率ηT=0.92，若空氣取定比熱，其cp=1.03kJ/kg·K，Rg=0.287kJ/kg·K，κ=1.3863求：1）裝置內(nèi)部熱效率ηi，循環(huán)吸熱量q1和放熱量q2；2）壓氣