14 气体动力循环
14.1 燃气轮机装置与定压加热循环
燃气轮机装置是以燃气为工质的热动力装置，最简单的燃气轮机装置示意图如图14-1所示，由压气机、燃烧室和燃气轮机三个基本部分组成。
在燃气轮机循环中，空气不断地被压气机吸入，经压缩升压后，送入燃烧室；
压缩空气在燃烧室中和供入的燃料在定压下燃烧，形成高温燃气；高温燃气与来自燃烧室夹层通道中的压缩空气混合，使混合气体的温度降到燃气轮机叶片所能承受的温度范围后，进入燃气轮机的喷管；燃气在喷管中膨胀加速，形成高速气流，冲击叶轮对外输出功量；做功后的废气排入环境。燃气轮机做出的功量除一部分带动压气机外，其余部分（循环净功）对外输出。
显然，上述燃气轮机循环是一个不可逆的开式循环，而且循环中工质的成分、
质量都有变化。为了便于分析，需要把实际循环作理想化的假设： ① 燃烧室中喷入的燃料质量忽略不计；
② 忽略阻力的影响，燃烧过程压力变化不大，可以把燃料燃烧的化学过程假
定为工质从高温热源吸收热量的定压吸热过程；
③ 燃气轮机
排出的废气压力和压气机吸入的气体压力都非常接近大
气压力，可以把废气的排放假定为 工质向冷源放热后，再返回到压气机的定压放热过程；
④ 工质在压气机和燃气轮机中向外散热很少，可以理想化为可逆绝热过
程，即定熵过程；
⑤ 工质为理想气体，比热容为定值。
通过上述假定，燃气轮机循环就被简化为定量工质完成的可逆的封闭循环。该循环由定熵压缩过程（1-2）、定压加热过程（2-3）、定熵膨胀过程（3-4）
和定压放热过程（4-1）四个可逆过程组成，称为燃气轮机装置的定压加热理想循环，又称布雷顿循环，其p-v 图和T-s 图如图14-2所示。
对组成布雷顿循环的各过程进行能量分析计算，可以得出其热效率如下：
吸热量（2-3）：
()2323T T c h h q p H -=-=
放热量（4-1）：
()1414T T c h h q p L -=-=
按照循环热效率的定义，可得：
()()
2
3142314111T T T T T T c T T c q q p p H
L t ---
=---
=-
=η
（14-1）
由于1-2以及3-4是定熵过程，并且23p p =,14p p =,可得，
κ
κκ
κπ
11
1214234312--=???
? ??=--==p p T T T T T T T T
把上式代入式（14-1），可得，
κ
κπ
η1
1
1--
=t （14-2）
从这里可以看出，燃气轮机装置的定压加热理想循环的热效率完全取决于参数
1
2p p =
π，这一参数定义为循环增压比，并随着π的增大而增大。
但是对于增压比的选择还必须考虑单位质量工质所作的净功量的影响。燃气
轮机输出的功量
()?
???
? ??-=-=-=-κκπ13434311T c T T c h h w p p T
而压气机所消耗的功量，
()???
?
??-=-=-=-1111212κκπT c T T c h h w p p C
因此，循环净功量的计算式为
???? ??--????
? ??-=-=--1111113κκκκππT c T c w w w p p C T
（14-3）
上式表明，在一定温度范围1T 、3T 内，循环的净功量也完全取决于增压
比。当净功量达到最大时的增压比称为最佳增压比opt π，其数值可以通
过对（14-3）式求导得到，
()
()
121213--=???
?
??=κκ
κκτ
πT T opt
（14-4）
这里定义循环增温比1
3T T =
τ。由于工质的最高温度3T 受材料耐热性能的
限制，而最低温度1T 受环境大气温度的限制，因此最佳增压比也必然受到一定的限制。
【例14.1】在如图14-2所示的理想燃气轮机循环中，工质为空气，进入压气机时的压力
MPa 1.01=p ，201=t ℃，循环的增压比6=π，循环最高温度为800℃，假定空气的比
热容kJ/(kg.K)004.1=p c ，4.1=κ，试求循环净功量及循环热效率 解：（1）假定空气为理想气体，首先确定各点的状态参数， 点1:
MPa 1.01=p ，201=t ℃，/kg m 8409.010
1.0)
20273(28736111=?+?==
p T R v g 点2: MPa 6.01.0612=?==p p π，()()K 9.48862934.114.1112=?==--κκπT T
/kg m 2339.010
6.09.4882873
6222=??==
p T R v g 点3:
MPa 6.023==p p ，8003=t ℃
()/kg m 5133.010
6.08002732873
6333=?+?==
p T R v g 点4: MPa 1.014==p p ，
()()()K 1.6436
8002734
.114.113
4=+=
=
--κ
κπ
T T ，即1.37027344
=-=T t
℃
/kg m 8457.110
1.01.6432873
6444=??==
p T R v g （2） 燃气轮机所做功量
()()kJ/kg 6.4311.370800004.143=-?=-=t t c w p T
压缩机所消耗的功
()()[]kJ/kg 7.196202739.488004.112=--?=-=t t c w p C
因此循环净功量
kJ/kg 9.2347.1966.431=-=-=C T w w w
（3）循环的吸热量
()()[]kJ/kg 4.5862739.488800004.123=--?=-=t t c q p H
循环热效率
4006.04
.5869.234==
=
H
t q w η
热效率也可以用式（14-2）直接计算得到，两者的计算结果一致。
14.2 燃气轮机装置的实际循环
因流经叶轮式压气机和燃气轮机的流体流速很高，各种摩擦（流体之间、流体与通道间）不能忽略，考虑实际的膨胀压缩不可逆损失，需引入如下修正：
① 压气机的绝热效率
1
21
21212,,T T T T h h h h w w c s c s c --=--='=
''η ② 燃气轮机的相对内效率
4
3434343T T T T h h h h w w T T T --=--='=
''η 则燃气轮机装置实际输出净功
())(1
12,43h h h h w w w s
c T c T
---='-'='ηη
实际吸热量
)(1
12,13231
h h h h h h q s
c ---=-=''η
实际循环的热效率
()()s
c s
c T s
c s
c T s
c s
c T t T T T T T T T T h h h h h h h h q w ,1,112,1312,4312,1312,431
1
1
1
1
)
(1
)
(1
)
(1
)
(1
ηπ
τηηπτ
ηηηηηηηκ
κκ
κ-
---
=--
---
-=
--
---
-=
''
='--
讨论：
① 循环增温比↑'↑→t ητ， 1T 受限于环境，故尽量使↑3T ，可考虑用陶瓷取代金属作为发动机材料，但须克服其脆性，正研制功能梯度材料。 ② 当T s c ηητ,,，一定，t η'随π变化有一极大值。
T
s
③ ↑→↑T s c ηη,,↑'t η，目前 s
c ,η90.080.0-，T
η92.085.0-
以上讨论均为改进热力学参数以提高热效率，还可以从改进循环结构入手，即：
采用回热，并在此基础上的多级压缩，中间冷却和多级膨胀，中间再热。
14.3 具有回热的燃气轮机装置循环
一、回热
气体工质在燃气轮机中膨胀做功后的温度4T 还较高，为减少直接排放的损失，可用于压气机压缩后的空气预热。
这种回热的极限：压缩空气温度上升到45T T =，排气温度下降到26T T =。 极限回热是不可能达到的，因燃气与空气的换热需要一定的温差。 实际的回热程度称为回热度 2
52
72527T T T T h h h h --=--=
σ 通常7.0~5.0=σ 显然，回热提高了吸热平均温度，降低了放热平均温度，热效率得以提高。
但这种回热只能以4T 为上限，2T 为下限。若想进一步提高热效率，须使压缩后空气温度下降，膨胀后的燃气温度上升，以进一步提高吸热平均温度，降低放热平均温度。这可通过：多级压缩，中间冷却 和 多级膨胀，中间再热
实
T
s
现。
14.4 喷气发动机简介
喷气式发动机利用高温燃气在喷管中膨胀加速，形成的高速气流向外喷射所产生的反作用力来推动物体向前运动。
喷气式发动机，采用燃气轮机循环作为其运行基础，如图14-3所示。
然而与燃气轮机循环不同的是，喷气式发动机的压缩过程和膨胀过程都
是分为两部分进行：空气首先在入
口的扩压管内增压后，再进入压缩机内进行进一步的压缩；在燃烧室中燃烧后产生的高温燃气首先进入燃气轮机膨胀做功，通过燃气轮机输出功的大小应该恰好能够提供驱动压缩机所需的动力，经过燃气轮机的气体
通过尾喷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。
T
s
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)
14.5 往复活塞式内燃机理想循环
往复活塞式内燃机经吸气、压缩、燃烧、膨胀、排气诸过程，完成一个工作循环，这些都是在一个带有活塞的气缸中进行，因此结构紧凑、被广泛应用于交通运输中。
按照使用的燃料不同，活塞式内燃机可分为汽油机、柴油机、煤气机等；按照燃料的点火方式不同，又可分为点燃式和压燃式。汽油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，喷入的燃料继续燃烧，活塞向右移动，压力几乎维持不变（3-4）。4-5为膨胀冲程，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。
实际的循环是一个开式的不可逆循环，为了便于理论分析，需要忽略次要因素，对实际循环进行合理的抽象和假定：
① 忽略实际过程的摩擦阻力以及进气阀和排气阀的节流损失，假定进气压和排气压都等于大气压，因此进气所得的推进功与排气所耗的推进功相互抵消，即图14-5中的0-1线和6-0线重合，这样就把一个开式循环理想化为闭式循环；
② 燃料燃烧过程可以简化为从高温热源吸收热量的可逆过程，2-3是定容加热过程，3-4为定压加热过程；
③ 在压缩和膨胀过程中，忽略工质与气缸之间的热交换和内摩擦，假定1-2为定熵压缩过程，4-5为定熵膨胀过程；
④ 用活塞在右止点位置的定容放热过程代替排气过程5-6； ⑤ 工质为理想气体，且比热容为常数。
经过上述假定，就得到了图14-6所示的理想循环，这是一个封闭的可逆循环。由于加热过程由定容加热过程2-3和定压加热过程3-4两个部分组成，因此循环123451称为混合加热理想循环，又称萨巴德循环。
混合加热循环的吸热量H q 是定容吸热量Hv q 和定压吸热量Hp q 之和：
()()3423T T c T T c q q q p v Hp Hv H -+-=+=
循环放热量为定容放热过程5-1中放出的热量：
()15T T c q v L -=
因此，混合加热循环的热效率表示为：
()()()
()()
34231
5342315111T T T T T T T T c T T c T T c q q p v v H
L t -+---
=-+---
=-
=κη（A ）
在分析气体动力循环时，通常引入一些反映循环特性的参数。混合加热循环的特性参数有压缩比2
1v v =
ε、定容升压比2
3p p =
λ和定压预胀比3
4v v =
ρ。
对于定熵压缩过程1-2，有，
111
2112--=??
?
? ??=κκεT v v T T
（B ）
对于定容加热过程2-3，
1123-==κλελT T T
（C ）
对于定压加热过程3-4，
1134-==κλρερT T T
（D ）
由于15v v =，23v v =，对于定熵膨胀过程4-5，有，
κκκκκλρερ11
41
213441
1441
5445T T v v v v T v v T v v T T =?
?
? ??=???
?
??=??
?
? ??=??
?
? ??=---- （E ）
把以上各温度热效率公式（A ），可得，
()()[]
111
11
-+---
=-ρκλλε
λρηκκt （14-5）
分析上式，可得：混合加热循环的热效率随压缩比ε和定容升压比λ的增大而增大，随着定压预胀比ρ的增大而减小。
早期的低速柴油机在压缩终了时用高压空气将柴油喷入气缸，随喷随
燃，此时活塞已经向右移动，气缸内的压力基本保持不变。这种循环可以理想化为定压加热的理想循环，又称笛塞尔循环。如图14-7所示，笛塞尔循环由定熵压缩过程1-2、定压加热过程2-3、定熵膨胀过程3-4和定容放热过程4-1组成。定压加热循环可以看作混合加热循环的一个特例，即定容升压比1=λ，由混合加热循环的效率（14-5）式，可得定压加热循环的热效率为：
()
1111
---
=-ρκε
ρηκκt （14-6）
点燃式内燃机（汽油机、煤气机）压缩的是燃料和空气的可燃混合物。压缩终了时，活塞处于左止点处，火花塞产生火花点燃可燃混合物，由于燃烧迅速，此时活塞位移极小，近似在定容情况下燃烧，因此可按定容加热理想循
环（又称奥托循环）来分析。如图14-8所示，该循环由定熵压缩过程1-2、
定容加热过程2-3、定熵膨胀过程3-4和定容放热过程4-1组成。定容加热循环可以看作混合加热循环在定压预胀比1=ρ时的特例，因此由式（14-5）可得定容加热循环的热效率为：
1
1
1--
=κε
ηt （14-7）
由上式可以得到，定容加热理想循环的热效率随着压缩比ε的增大而增
大。但是由于压缩的工质是燃料与空气的可燃混合物，必然要受到气体自燃温
度的限制。压缩比过大，会发生“爆燃”现象，使发动机不能正常工作。
活塞式内燃机各种循环的热效率比较，取决于循环实施时的条件。在不同条
件下进行比较可以得到不同结果。
因压缩的是空气，不受燃点的限制，柴油机的压缩比18~13=ε高于 汽油机 9~5=ε，故而效率较高，马力较大。
【例14-2】内燃机定容加热循环的工质为空气，其初始状态为MPa 1.01=p 、201=t ℃。压缩比8=ε，对每千克工质加入的热量为kJ/kg 800=H q 。试计算：（1）循环的最高压力与最高温度；（3）循环的热效率；（2）循环的净功量。 解：循环的p -v 图与T -s 图如图14-8所示。 （1） 首先计算压缩的终点温度2T 和压力2p
()K 1.67382027314.1112=?+==--κεT T MPa 84.181.04.112=?==κεp p
由定容加热过程吸热量的计算式，可得循环的最高温度3T
K 9.1788717
.08001.67323=+
=+
=v
H c q T T
根据定容过程，可以得到循环的最高压力3p
MPa 89.484.11
.6739.178822
33=?=
=
p T T p
（2） 循环热效率可以由式（11-13）得到
5647.08
111
11
4.11
=-
=-
=--κε
ηt
（3） 因此循环的净功量为
kJ/kg 8.4518005647.0=?==H t q w η
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。但是提高增压比，p1不变，即平均放热温度不变，p2提高，即循环平均吸热温度提高，因此循环的热效率提高。 6、以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例，总结分析动力循环的一般方法。 答：分析动力循环的一般方法：首先，应用“空气标准假设”把实际问题抽象概括成内可逆理论循环，分析该理论循环，找出影响循环热
工程热力学13---动- 力-循-环
动 力 循 环 一、动力循环的分析方法 1．热力学第一定律分析方法（以热效率t η为指标）： 热力学第一定律效率= 投入系统的能量 有效利用的能量 动力循环 Q W t = η 121212111T T S T S T Q Q Q W t -=??-=-==η （S TdS T ?≡?? ） 理想 1 2 1T T C -=η 循环完善性 充满系数= ABCDA abcda 面积面积对应卡诺循环功量实际循环功量= 2．热力学第二定律分析方法（以火用效率ex η为指标）： 热力学第二定律效率= 投入系统的可用能 有效利用的可用能 T
动力循环 sup ,x t ex E W = η 或 sup ,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=η sup ,x E 核算起点不同，可有两种结果： ① 以投入的燃料的化学能为起点 Q E E F x x ==,sup , ② 以释放热量的可用能为起点 ??? ? ?-==T T Q E E Q x x 0,sup ,1 两种分析法，一个考虑能量的“数量”，一个考虑能量的“质量”。各有侧重，相辅相成，不可偏废。两者的结合才能全面反映能量的经济性。 如书上本章*10-6 对蒸气动力循环的火用分析， 用热一律分析： 乏汽排热能量损耗最大，冷凝器散热损失约占总热量的 54.26%， 但因放热温度低，火用损失并不大，约占总火用的2.22%； 用热二律分析：锅炉的燃烧与传热火用损失最大，约占总火用的58.91% /35.84%；但其热损失仅为10%。 13 蒸汽动力循环 13.1 朗肯循环 根据热力学第二定律，在一定温度范围内卡诺循环的效率最高。 如果采用
15． 制冷循环 15.1制冷与逆卡诺循环 将物体冷却到低于周围环境的温度，并且维持这一低温，称为制冷。为实现这一目的，需要将热量从低温物体（如冷藏室）移向高温物体（如环境）。由热力学第二定律可知，这一过程不能自发实现，必须消耗外部可用能，通常是消耗机械能或高温热源所提供的热能。因此制冷循环是一种逆向循环。如果循环的目的是从低 温物体取走热量，以维持物体的低温状态，称之为制冷循环。 前已述及，在两个恒温热源间的动力循环中，卡诺循环的热效率最高。按照 图15-1，由两个定温过程和两个定熵过程按照与卡诺循环相反方向（逆时针）运行的循环称为逆卡诺循环。可以证明在两个恒温热源间，逆卡诺循环的制 冷系数最大，为 L H L T T T -= max ε （15-1） 式中，H T 和L T 分别是高温热源与低温热源的温度。 L H L L Q Q Q W Q -== ε ← L L H H T Q T Q ≤ 从式中可以看出，和卡诺循环一样，逆卡诺循环的制冷系数也只与高温热源与低 温热源的温度有关。 15.2 空气压缩式制冷循环 利用空气作为制冷工质构成空气压缩制冷循环——逆布雷顿循环。和下节将要讲到的蒸汽制冷循环不同的是：在空气制冷循环中，工质不会发生相变，而是依靠显热在定压情况下吸收和放出热量，因此制冷量较小，偏离逆卡诺循环较远，经济性较低。
鉴于空气定温吸热、放热不易实现，改用两个定压过程代替，因而压缩空气制冷循环实为逆向的布雷顿循环。 分析：低温热源（冷库）吸热 412h h q -= 高温热源（环境）放热 321 h h q -= 耗功 ()()413221h h h h q q w ---=-= 制冷系数 ()()()()1 14 1324132414132412---=----=----== T T T T T T T T T T h h h h h h w q ε 过程1-2、 3-4 定熵， 43112 12T T p p T T =??? ? ??=-κ κ → κκπ1 1 24132-==--T T T T T T 故 1 1 1-= -κ κπ ε （15-2） 可见 ↑→ ↓ επ 减小增压比，可使 制冷系数提高， 但这会使 膨胀温降减小，制冷量下降。 压缩空气制冷循环的 优点：工质易得，安全。 缺点：制冷量不大。（空气热容小，增加↑π → ↓ε） 故一般在普冷（50->℃）很少用(除了用于飞机空调，直排)，在深冷（100-<℃）可用于导弹内红外探测器的冷却，不计成本效率）。 为增大制冷量须增大流量，活塞式的压气机、膨胀机让位于 叶轮式的压气
第五章 气体动力循环 5-1 压缩比为8.5的奥图循环，工质可视为空气，k =1.4，压缩冲程的初始状态为100kPa ，27℃，吸热量为920kJ/kg ，活塞排量为4300cm 3。试求(1)各个过程终了的压力和温度；(2) 循环热效率；(3) 平均有效压力。 5-5 某狄塞尔循环，压缩冲程的初始状态为90kPa ，10℃，压缩比为18，循环最高温度是2100℃。试求循环热效率以及绝热膨胀过程的初、终状态。 5-7 混合加热理想循环，吸热量是1000kJ/kg ，定容过程和定压过程的吸热量各占一半。压缩比是14，压缩过程的初始状态为100kPa ，27℃。试计算(1)输出净功，(2)循环热效率。 5-8 混合加热循环，如图5-2所示，t 1=90℃，t 2=400℃，t 3=590℃，t 5=300℃。工质可视为空气，比热为定值。求循环热效率及同温限卡诺循环热效率。 图5-2 5-11 用氦气作工质的勃雷登实际循环，压气机入口状态是400kPa ，44℃，增压比为3，燃气轮机入口温度是710℃。压气机效率85%c η=，燃气轮机的效率为90%oi η=。当输出功率为59kW 时，氦气的质量流率为多少kg/s?氦气k =1.667。 5-12 如题5-11，若想取得最大的循环输出净功，试确定最佳的循环增压比opt π并计算此时氦气的质量流率。实际勃雷登循环的最佳增压比()()21k k oi c πηητ-= 5-14 某燃气轮机装置动力循环，压气机的绝热效率为80%，燃气轮机的为85%，循环的最高温度是1300K ，压气机入口状态是105kPa ，18℃。试计算1kg 工质最大循环作功量及作出3000kW 功率时的工质流率。 5-15 如果在题5-14中采用回热度为92%的回热设备，问提供给循环的热量可以节省多少？
7 动力循环（Power Cycles） 热能向机械能转换需要通过工质地循环,理想地循环是卡诺循环,但卡诺循环并不实用,其中地等温过程就难以实现.利用相变过程固然可以实现等温过程,但在吸热温度、压力方面却不遂人愿,所以实际循环与卡诺循环地差异比较大.但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有,实际循环与卡诺循环一样,也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成,其中吸热常常伴随燃料燃烧放热. 为了提高动力循环地能量转换地经济性,必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析,以寻求提高经济性地方向及途径. 实际动力循环都是不可逆地,为提高循环地热经济性而采取地各种措施又使循环变得非常复杂.为使分析简化,突出热功转换地主要过程,一般采用下述手段：首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环,分析该理论循环,找出影响其循环热效率地主要因素和提高热效率地可逆措施；然后分析实际循环与理论循环地偏离之处和偏离程度,找出实际损失地部位、大小、原因及改进办法.本课程主要关心循环中地能量转换关系,减少实际损失是具体设备课程地任务,因此我们主要论及前者. 7.1 内燃动力循环 内燃机地燃料燃烧（吸热）、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行地,结构紧凑.由于燃烧是在作功设备
内进行地,所以称为内燃机. 汽车最常用地动力机是内燃机,但是随着技术地进步、环境保护标准地提高与石油天然气资源紧缺,使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池地电动汽车已经呼之欲出.目前提到汽车发动机仍然主要是指内燃机. 内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、热效率高和操作方便等特点,广泛用于交通运输、工程机械、农业机械和小型发电设备等领域.它是仿照蒸汽机地结构发明地,最初使用煤气作为燃料.随着石油工业地发展,内燃机获得了更合适地燃料——汽油和柴油.德国人奥托（Nicolaus A. Otto）首先于1877年制成了实用地点燃式四 1—气缸盖和气缸体；2—活塞；3—连杆；4—水泵；5—飞轮；6 —曲轴；7—润滑油管；8—油底壳；9—润滑油泵；10—化油器； 11—进气管；12—进气门；13—排气门；14—火花塞 图7-1 单缸四冲程内燃机结构
第十一章蒸汽压缩制冷循环 制冷：对物体进行冷却，使其温度低于周围环境温度，并维持这个低温，称为制冷。 制冷技术广泛应用于生产、科研、生活中。 制冷循环的目的：是将低温热源的热量转移到高温热源。 根据热力学第二定律，为了达到这个目的，必须提供机械能或热能作为代价。 根据所消耗的能量形式不同，一般可将逆循环分为两大类： ①消耗机械能的压缩式制冷循环。 包括：空气压缩制冷循环和蒸汽压缩制冷循环。 ②消耗热能的制冷循环。 包括：蒸汽喷射式制冷循环和吸收式制冷循环。 本章介绍最常用的蒸汽压缩制冷循环，并分析提高其经济性的途径。 第一节制冷剂及p-h图 制冷剂是制冷装置的工质，主要是低沸点物质。蒸汽压缩制冷装置中的制冷剂主要是氟里昂和液氨。 常用的氟利昂有：氟利昂12（CF2Cl2）、氟利昂22（CHF2Cl）、氟利昂134a （C2H2F4）、氨等。物理性质见表11-1。
制冷剂在制冷循环中存在汽-液相变，为了计算制冷循环中个过程的能量变化和状态参数，需要查找制冷剂的饱和蒸汽表和过热蒸汽表。 但是，工程上更多的是应用制冷剂的压-焓图（p-h图）进行分析。 p-h图是根据制冷剂蒸汽性质表绘制的。 p-h图是以logp为纵坐标、以h为横坐标建立的半对数坐标图。 如图11-1所示。 说明：①采用logp为坐标，可以使压力从0.001~0.01Mpa，从0.01~0.1Mpa，从0.1~1Mpa所占的坐标高度相同，使低压区图线面积增大，读数更准确。 ②因为实际蒸汽压缩制冷循环常用的工作压力围都远低于临界压力，所以工程上使用的p-h图都没有绘制较高压力部分。 p-h图分析：全图共有六条线、三个区（未饱和液体区、湿蒸汽区、过热蒸汽区）和一个点临界点C）。
第十章 蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质 ：水蒸汽。 用途 ：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 朗肯循环匀速回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1 水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环（蒸汽动力循环）至今不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能按卡诺循环进行。 1-2 绝热膨胀（汽轮机） 2-C 定温放热（冷凝汽） 可以实现 5-1 定温加热（锅炉） C-5 绝热压缩（压缩机） 难以实现 原因：2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且3点的湿蒸汽比容比 水大的多'23νν>'232000νν≈需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大 p v
减少，同时对压缩机不利。 2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使T1高于临界温度，改进的结果就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2 朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T 中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵P送进省煤器D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱和蒸汽进入S继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热过程—朗诺循环。 1-2 绝热膨胀过程，对外作功 2-3 定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4 绝热压缩过程，消耗外界功 4-1 定压吸热过程，（三个状态） 4-1过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。
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。
第十、十一、十二章 热力装置及其循环气（气体动力循环、蒸汽循环、制冷循环、热泵循环）气 体动力循环 一、目的及要求 了解各种内燃机的热力过程， 掌握朗肯循环的热力循环过程， 了解制冷循环及热泵循环的热力 过程。 二、内容： 2、活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率？实际中是否采用？为什么？ 3、燃气轮机装置循环中，压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功，因而增加了循环 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 10.10 10.11 10.12 分析动力循环的一般方法 活塞式内燃机实际循环的简化 活塞式内燃机的理想循环 活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 燃气轮机装置循环 燃气轮机装置的定压加热实际循环 简单蒸汽动力装置循环――朗肯循环 再热循环及回热循 环 制冷循环概况 压缩空气与压缩蒸汽制冷循环 制冷剂的性质 热泵循环 三、重点及难点： 10.1 10.2 掌握各种装置循环的实施设备及工作流程。 掌握将实际循环抽象和简化为理想循环的一般方法，并能分析各种循环的热力过程组成。 10.3 掌握各种循环的吸热量、放热量、作功量及热效率等能量分析和计算的方法。 10.4 10.5 会分析影响各种循环热效率的因素。 掌握提高各种循环能量利用经济性的具体方法和途径。 四、主要外语词汇： sabeander cycle, diesel cycle, otto cycle, spark ignition, brayton cycle, gas turbine, rankine cycle, vapor, air standard assumptions, refrigerator cycle, heat pump cycle 五、本章节采用多媒体课件 六、复习思考题及作业： 1、试以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例， 总结分析动力循环的一般方法。
动 力 循 环 一、动力循环的分析方法 1．热力学第一定律分析方法（以热效率t η为指标）： 热力学第一定律效率= 投入系统的能量 有效利用的能量 动力循环 Q W t = η 121212111T T S T S T Q Q Q W t -=??-=-==η （S TdS T ?≡?? ） 理想 1 2 1T T C -=η 循环完善性 充满系数= ABCDA abcda 面积面积对应卡诺循环功量实际循环功量= 2．热力学第二定律分析方法（以火用效率ex η为指标）： 热力学第二定律效率= 投入系统的可用能 有效利用的可用能 动力循环 sup ,x t ex E W = η 或 sup ,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=η T
sup ,x E 核算起点不同，可有两种结果： ① 以投入的燃料的化学能为起点 Q E E F x x ==,sup , ② 以释放热量的可用能为起点 ??? ? ?-==T T Q E E Q x x 0,sup ,1 两种分析法，一个考虑能量的“数量”，一个考虑能量的“质量”。各有侧重，相辅相成，不可偏废。两者的结合才能全面反映能量的经济性。 如书上本章*10-6 对蒸气动力循环的火用分析， 用热一律分析： 乏汽排热能量损耗最大，冷凝器散热损失约占总热量的54.26%， 但因放热温度低，火用损失并不大，约占总火用的2.22%； 用热二律分析：锅炉的燃烧与传热火用损失最大，约占总火用的58.91% /35.84%； 但其热损失仅为10%。 13 蒸汽动力循环 13.1 朗肯循环 根据热力学第二定律，在一定温度范围内卡诺循环的效率最高。 如果采用气体作为工质，则很难实现卡诺循环中的等温吸热和等温放热这两个过程。 然而我们已经知道，在湿蒸汽区内，蒸汽的 吸热和放热都是等温过程，同时也是等压过程。因此如果以饱和蒸汽作为工质，可以在蒸汽的湿蒸汽区内实现卡诺循环。图 13-1给出了饱和蒸汽卡诺循环的T －s 图。等温吸热过程4-1为在锅炉中的定压吸热过程；等温放热过程2-3
2020年第十章气体动力循环精品版
第十、十一、十二章热力装置及其循环气（气体动力循环、蒸汽循环、制冷循环、热泵循环）气体动力循环一、目的及要求 了解各种内燃机的热力过程，掌握朗肯循环的热力循环过程，了解制冷循环及热泵循环的热力过程。 二、内容： 10.1分析动力循环的一般方法 10.2活塞式内燃机实际循环的简化 10.3活塞式内燃机的理想循环 10.4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 10.5燃气轮机装置循环 10.6燃气轮机装置的定压加热实际循环 10.7简单蒸汽动力装置循环――朗肯循环 10.8再热循环及回热循环 10.9制冷循环概况 10.10压缩空气与压缩蒸汽制冷循环 10.11制冷剂的性质 10.12热泵循环 三、重点及难点： 10.1掌握各种装置循环的实施设备及工作流程。
10.2掌握将实际循环抽象和简化为理想循环的一般方法，并能分析各种循环的热 力过程组成。 10.3掌握各种循环的吸热量、放热量、作功量及热效率等能量分析和计算的方 法。 10.4会分析影响各种循环热效率的因素。 10.5掌握提高各种循环能量利用经济性的具体方法和途径。 四、主要外语词汇： sabeander cycle, diesel cycle, otto cycle, spark ignition, brayton cycle, gas turbine, rankine cycle, vapor, air standard assumptions, refrigerator cycle, heat pump cycle 五、本章节采用多媒体课件 六、复习思考题及作业： 1、试以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例，总结分析动力循环的一般方法。 2、活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率？实际中是否采用？为什么？ 3、燃气轮机装置循环中，压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功，因而增加了循环净功，但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低，试分析之。 4、干饱和蒸汽朗肯循环与同样初压下的过热蒸汽朗肯循环相比较，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？ 5、各种实际循环的热效率，无论是内燃机循环、燃气轮机装置循环或是蒸汽循环肯定地与工质性质有关，这些事实是否与卡诺定理相矛盾？
第九章气体动力循环讲义 尤月月 13204027 一、这一章要讲1、2、3、4、6、7共6节，每一节包括的主要内容。 二、细讲每一小节的内容 第一节分析动力循环的一般方法： 1）第一定律分析法、第二定律分析法 2）空气标准假设 3）循环的内部热效率 4）用熵分析法、作功能力损失、火用损失三种方法分析 做功过程的不可逆损失。 第二节活塞式内燃机实际循环的简化： 1）活塞式内燃机的分类、 2）以四冲程的柴油机的实际循环的压力与容积变化为例进行 分析 3）将实际循环引用空气标准假设进行抽象概括的步骤，以柴油机和汽油机为例抽象分析。 4）引用平均有效压力概念，并对柴油机和汽油机的示功图进行分析 第三节活塞式内燃机的理想循环： 1）混合加热的理想循环引入压缩比、增压比和预胀比概念
分析书中的P-V图和T-S图所描述的过程，用公式代换，得出循环热效率与温度、和压缩比定容增压比和预胀比的关系式，分析相互之间的制约关系。 2）定压加热循环与混合加热分析方法是相同的，但是注意此时有绝热系数K的影响。 3）定容加热循环依然同上，分析循环热效率与压缩比的关系图以及过程中的T-S图。得出增大压缩比可使循环热效率增大的结论。 第四节活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 1）分析压缩比相同、吸热量相同时的T-S图，可以根据围成的面积比，得出定容加热循环、混合加热理想循环和定压加热理想循环的循环热效率。 2）分析循环最高压力和最高温度相同时的方法同上。 第六节燃气轮机装置循环 1）燃气轮机装置的简介，展示燃气轮机的图片。 2）分析燃气轮机装置定压加热理想循环的P-V和T-S图，运用公式推导出循环热效率与循环增压比以及最大的循环净功的关系式。 第七节燃气轮机装置的定压加热实际循环 1）分析燃气轮机装置实际循环过程的T-S图，推导出实际的循环热效率的公式。 2）讲述提高实际循环热效率的途径。
工程热力学第十章蒸汽动力装置循环教案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第十章 蒸汽动力循环 蒸汽动力装置：是实现热能→机械能的动力装置之一。 工质 ：水蒸汽。 用途 ：电力生产、化工厂原材料、船舶、机车等动力上的应用。 本章重点： 1、蒸汽动力装置的基本循环 朗肯循环匀速 回热循环 2、蒸汽动力装置循环热效率分析 y T 的计算公式 y T 的影响因素分析 y T 的提高途径 10-1 水蒸气作为工质的卡诺循环 热力学第二定律通过卡诺定理证明了在相同的温度界限间，卡诺循环的热效率最高，但实际上存在种种困难和不利因素，使得实际循环 （蒸汽动力循环）至今不能采用卡诺循环但卡诺循环在理论上具有很大的意义。 二、为什么不能采用卡诺循环 若超过饱和区的范围而进入过热区则不易保证定温加热和定温放热，即不能按卡诺循环进行。 1-2 绝热膨胀（汽轮机） 2-C 定温放热（冷凝汽） 可以实现 5-1 定温加热（锅炉） C-5 绝热压缩（压缩机） 难以实现 原因：2-C 过程压缩的工质处于低干度的湿汽状态 1、水与汽的混合物压缩有困难，压缩机工作不稳定，而且3点的湿蒸汽比容比水大的多'23νν>' 232000νν≈需比水泵大得多的压缩机使得输出的净功大大减少，同时对压缩机不利。 p v
2、循环仅限于饱和区，上限T1受临界温度的限制，即使是实现卡诺循环，其理论效率也不高。 3、膨胀末期，湿蒸汽所含的水分太多不利于动机 为了改进上述的压缩过程人们将汽凝结成水，同时为了提高上 限温这就需要对卡诺循环进行改进，温度采用过热蒸汽使T1高于临界温度，改进的结果就是下面要讨论的另一种循环—朗肯循环。 10-2 朗肯循环 过程： 从锅炉过热器与出来的过热蒸汽通过管道进入汽轮机T，蒸汽部分热能在T中转换为机械带动发电机发电，作了功的低压乏汽排入C，对冷却水放出γ，凝结成水，凝结成的水由给水泵P送进省煤器D′进行预热，然后在锅炉内吸热汽化，饱和蒸汽进入S继续吸热成过热蒸汽，过程可理想化为两个定压过程，两个绝热过程—朗诺循环。 1-2 绝热膨胀过程，对外作功 2-3 定温（定压）冷凝过程（放热过程） 3-4 绝热压缩过程，消耗外界功 4-1 定压吸热过程，（三个状态） 4-1过程：水在锅炉和过热器中吸热由未饱和水变为过热蒸汽过程中工质与外界无技术功交换。 1-2过程：过热蒸汽在汽抡机中绝热膨胀，对外作功，在汽轮机出口工质达到低压低温蒸汽状态称乏汽。 2-3过程：在冷凝器中乏汽对冷却水放热凝结为饱和水。 3-4过程：水泵将凝结水压力提高，再次送入锅炉，过程中消耗外功。朗肯循环与卡诺循环
14 气体动力循环 14.1 燃气轮机装置与定压加热循环 燃气轮机装置是以燃气为工质的热动力装置，最简单的燃气轮机装置示意图如图14-1所示，由压气机、燃烧室和燃气轮机三个基本部分组成。 在燃气轮机循环中，空气不断地被压气机吸入，经压缩升压后，送入燃烧室； 压缩空气在燃烧室中和供入的燃料在定压下燃烧，形成高温燃气；高温燃气与来自燃烧室夹层通道中的压缩空气混合，使混合气体的温度降到燃气轮机叶片所能承受的温度范围后，进入燃气轮机的喷管；燃气在喷管中膨胀加速，形成高速气流，冲击叶轮对外输出功量；做功后的废气排入环境。燃气轮机做出的功量除一部分带动压气机外，其余部分（循环净功）对外输出。 显然，上述燃气轮机循环是一个不可逆的开式循环，而且循环中工质的成分、 质量都有变化。为了便于分析，需要把实际循环作理想化的假设： ① 燃烧室中喷入的燃料质量忽略不计； ② 忽略阻力的影响，燃烧过程压力变化不大，可以把燃料燃烧的化学过程假 定为工质从高温热源吸收热量的定压吸热过程； ③ 燃气轮机 排出的废气压力和压气机吸入的气体压力都非常接近大
气压力，可以把废气的排放假定为 工质向冷源放热后，再返回到压气机的定压放热过程； ④ 工质在压气机和燃气轮机中向外散热很少，可以理想化为可逆绝热过 程，即定熵过程； ⑤ 工质为理想气体，比热容为定值。 通过上述假定，燃气轮机循环就被简化为定量工质完成的可逆的封闭循环。该循环由定熵压缩过程（1-2）、定压加热过程（2-3）、定熵膨胀过程（3-4） 和定压放热过程（4-1）四个可逆过程组成，称为燃气轮机装置的定压加热理想循环，又称布雷顿循环，其p-v 图和T-s 图如图14-2所示。 对组成布雷顿循环的各过程进行能量分析计算，可以得出其热效率如下： 吸热量（2-3）： ()2323T T c h h q p H -=-= 放热量（4-1）： ()1414T T c h h q p L -=-= 按照循环热效率的定义，可得： ()() 2 3142314111T T T T T T c T T c q q p p H L t --- =--- =- =η （14-1） 由于1-2以及3-4是定熵过程，并且23p p =,14p p =,可得，
第十、十一、十二章热力装置及其循环气（气体动力循环、蒸汽循环、制冷循环、热泵循环）气体动力循环 一、目的及要求 了解各种内燃机的热力过程，掌握朗肯循环的热力循环过程，了解制冷循环及热泵循环的热力过程。 二、内容： 10.1分析动力循环的一般方法 10.2活塞式内燃机实际循环的简化 10.3活塞式内燃机的理想循环 10.4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较 10.5燃气轮机装置循环 10.6燃气轮机装置的定压加热实际循环 10.7简单蒸汽动力装置循环――朗肯循环 10.8再热循环及回热循环 10.9制冷循环概况 10.10压缩空气与压缩蒸汽制冷循环 10.11制冷剂的性质 10.12热泵循环 三、重点及难点： 10.1掌握各种装置循环的实施设备及工作流程。 10.2掌握将实际循环抽象和简化为理想循环的一般方法，并能分析各种循环的热力过程组成。 10.3掌握各种循环的吸热量、放热量、作功量及热效率等能量分析和计算的方法。 10.4会分析影响各种循环热效率的因素。 10.5掌握提高各种循环能量利用经济性的具体方法和途径。 四、主要外语词汇： sabeander cycle, diesel cycle, otto cycle, spark ignition, brayton cycle, gas turbine, rankine cycle, vapor, air standard assumptions, refrigerator cycle, heat pump cycle 五、本章节采用多媒体课件 六、复习思考题及作业： 1、试以活塞式内燃机和定压加热燃气轮机装置为例，总结分析动力循环的一般方法。 2、活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率？实际中是否采用？为什么？ 3、燃气轮机装置循环中，压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功，因而增加了循环净功，但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低，试分析之。 4、干饱和蒸汽朗肯循环与同样初压下的过热蒸汽朗肯循环相比较，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？
第六章 水蒸气性质和蒸汽动力循环 思 考 题 1. 理想气体的热力学能只是温度的函数，而实际气体的热力学能则和温度及压力都有关。试根据水蒸气图表中的数据，举例计算过热水蒸气的热力学能以验证上述结论。 [答]： 以500℃的过热水蒸汽为例，当压力分别为1bar 、30bar 、100bar 及300bar 时，从表中可查得它们的焓值及比容，然后可根据u h pv =-计算它们的热力学能，计算结果列于表中： 由表中所列热力学能值可见：虽然温度相同，但由于是实际气体比容不同，热力学能值也不同。 2. 根据式(3-31)c h T p p =?? ????? ??? ? ????可知：在定压过程中d h =c p d T 。这对任何物质都适用，只要过程是定压的。如果将此式应用于水的定压汽化过程，则得d h = c p d T =0 （因为水定压汽化时温度不变，d T =0）。然而众所周知 , 水在汽化时焓是增加的 (d h >0)。问题到底出在哪里? [答] ：的确，d h =c p d T 可用于任何物质，只要过程是定压过程。水在汽化时，压力不变，温度也不变，但仍然吸收热量（汽化潜热）吸热而不改变温度，其比热应为无穷大，即此处的p C 亦即为T C ，而T C =∞。此时0dh =∞g ＝不定值，因此这时的焓差或热量（潜热）不同通过比热和温差的乘积来计算。 3. 物质的临界状态究竟是怎样一种状态？ [答] ：在较低压力下，饱和液体和饱和蒸汽虽具有相同的温度和压力，但它们的密度却有很大的差别，因此在重力场中有明显的界面（液面）将气液两相分开，随着压力升高，两饱和相的密度相互接近，而在逼近临界压力（相应地温度也逼近临界温度）时，两饱和相的密度差逐渐消失。流体的这种汽液两相无法区分的状态就是临界状态。由于在临界状态下，各微小局部的密度起伏较大，引起光线的散射形成所谓临界乳光。
第十章 动力循环 1．基本概念 热机：将热能转化为机械能的设备叫做热力原动机，简称热机。 动力循环：热机的工作循环称为动力循环。根据热机所用工质的不同，动力循环可分为蒸汽动力循环和燃气动力循环两大类。 朗肯循环（Rankine Cycle ）：由可逆绝热压缩过程、定压加热过程、可逆绝热膨胀过程、定压冷却过程组成的热力循环，主要工质为水。若使用有机工质，则为有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle ，简称ORC ） 抽汽回热循环：分级抽取汽轮机中的蒸汽加热低温段的水，提高平均吸热温度，从而提高水蒸气动力循环的热效率。 再热循环：为了克服汽轮机尾部蒸汽湿度过大造成的危害，将汽轮机高压段中膨胀到一定压力的蒸汽重新引到锅炉的中间加热器（称为再热器）加热升温，然后再送入汽轮机使之继续膨胀做功。 奥托循环：定容加热理想循环是汽油机实际工作循环的理想化，又称为奥托循环。理论上，由可逆绝热压缩过程、定容加热过程、可逆绝热膨胀过程、定容冷却过程组成。 狄塞尔（Diesel ）循环：定压加热理想循环是柴油机实际工作循环的理想化。理论上，由可逆绝热压缩过程、定压加热过程、可逆绝热膨胀过程、定容冷却过程组成。 燃气轮机：燃气轮机装置是一种以空气和燃气为工质、旋转式的热力发动机。燃气轮机装置主要由三部分组成，即燃气轮机、压气机和燃烧室。 布雷顿（Brayton ）循环：理论上，由可逆绝热压缩过程、定压加热过程、可逆绝热膨胀过程、定压冷却过程组成。 2．常用公式 朗肯循环的热效率: 31323112 11s.p s.t 10t ) ()(' '----= -=-== h h h h h h q q q q w w q w ＝消耗收获η 通常水泵消耗轴功与汽轮机作功量相比甚小，可忽略不计，因此33h h ='，于是可简化为 3 12 1t h h h h --= η 二级回热循环热效率:
工程热力学思考题答案,第 十一章 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
第十一章 制冷循环 1.家用冰箱的使用说明书上指出，冰箱应放置在通风处，并距墙壁适当距离，以及不要把冰箱温度设置过低，为什么 答：为了维持冰箱的低温，需要将热量不断地传输到高温热源（环境大气），如果冰箱传输到环境大气中的热量不能及时散去，会使高温热源温度升高，从而使制冷系数降低，所以为了维持较低的稳定的高温热源温度，应将冰箱放置在通风处，并距墙壁适当距离。 在一定环境温度下，冷库温度愈低，制冷系数愈小，因此为取得良好的经济效益，没有必要把冷库的温度定的超乎需要的低。 2.为什么压缩空气制冷循环不采用逆向卡诺循环 答：由于空气定温加热和定温放热不易实现，故不能按逆向卡诺循环运行。在压缩空气制冷循环中，用两个定压过程来代替逆向卡诺循环的两个定温过程。 3.压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机，压缩空气制冷循环是否也可以采用这种方法为什么 答：压缩空气制冷循环不能采用节流阀来代替膨胀机。工质在节流阀中的过程是不可逆绝热过程，不可逆绝热节流熵增大，所以不但减少了制冷量也损失了可逆绝热膨胀可以带来的功量。而压缩蒸气制冷循环在膨胀过程中，因为工质的干度很小，所以能得到的膨胀功也极小。而增加一台膨胀机，既增加了系统的投资，又降低了系统工作的可靠性。因此，为了装置的简化及运行的可靠性等实际原因采用节流阀作绝热节流。 4.压缩空气制冷循环的制冷系数、循环压缩比、循环制冷量三者之间的关系如何 答： T （a （b ） 压缩空气制冷循环状态参数图
7 动力循环( Power Cycles) 热能向机械能转换需要经过工质的循环, 理想的循环是卡诺循环, 但卡诺循环并不实用, 其中的等温过程就难以实现。利用相变过程固然能够实现等温过程, 但在吸热温度、压力方面却不遂人愿, 因此实际循环与卡诺循环的差异比较大。但实际循环与卡诺循环并不是一点关系也没有, 实际循环与卡诺循环一样, 也有吸热、作功、放热、压缩四种过程组成, 其中吸热常常伴随燃料燃烧放热。 为了提高动力循环的能量转换的经济性, 必须依照热力学基本定律对动力循环进行分析, 以寻求提高经济性的方向及途径。
实际动力循环都是不可逆的, 为提高循环的热经济性而采取的各种措施又使循环变得非常复杂。为使分析简化, 突出热功转换的主要过程, 一般采用下述手段: 首先将实际循环抽象概括成为简单可逆理论循环, 分析该理论循环, 找出影响其循环热效率的主要因素和提高热效率的可逆措施; 然后分析实际循环与理论循环的偏离之处和偏离程度, 找出实际损失的部位、大小、原因及改进办法。本课程主要关心循环中的能量转换关系, 减少实际损失是具体设备课程的任务, 因此我们主要论及前者。 7.1 内燃动力循环 内燃机的燃料燃烧( 吸热) 、工质膨胀、压缩等过程都是在同一设备——气缸–活塞装置中进行的, 结构紧凑。由于燃烧是在作功设备内进
行的, 因此称为内燃机。 汽车最常见的动力机是内燃机, 可是随着技术的进步、环境保护标准的提高与石油天然气资源紧缺, 使用蓄电池、燃料电池或太阳能电池的电动汽车已经呼之欲出。当前提到汽车发动机依然主要是指内燃机。 内燃机具有结构紧凑、体积小、移动灵活、 1—气缸盖和气缸体; 2—活塞; 3—连杆; 4 —水泵; 5—飞轮; 6—曲轴; 7—润滑油管; 8—油底壳; 9—润滑油泵; 10—化油器; 11