工程热力学专题动力循环

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冲程内燃机,狄塞尔（Rudoff Diesel）随后于1897年制成了压燃式内燃机.20世纪30年代出现地增压技术,使内燃机性能得到大幅度提高.目前内燃机在经济性能（主要指燃料和润滑油消耗）、动力性能（主要指功率、转矩、转速）、运转性能（主要指冷起动性能、噪声和排气质量）和耐久可靠性能等方面均有了长足地进步.7.1.1 四冲程内燃机地工作原理四冲程（行程）内燃机是指由进气、压缩、作功和排气等四个冲程组成一个工作循环地往复式内燃发动机,其工作原理如图7-2所示.1）进气冲程这是内燃机工作循环地第一个冲程.开始时进气门打开,曲轴旋转180︒,活塞由上止点运动到下止点,新鲜空气被吸入气缸.2）压缩冲程进、排气门全部关闭,气缸形成封闭系统,曲轴旋转180︒,活塞由下止点运动到上止点,将气缸内地充量压缩.3）作功（膨胀）冲程气缸内高温、高压气体膨胀作功,推动活塞由上止点运动到下止点,曲轴旋转180︒,对外作功.4）排气冲程膨胀冲程结束后,排气门打开,曲轴旋转180︒,推动活塞由下止点运动到上止点,将燃烧后地废气经排气门排出气缸.四冲程内燃机经历上述工作循环,曲轴共旋转720︒.四个冲程中仅有作功冲程是活塞对外作功,其他三个冲程都需要外界驱动活塞运动.四冲程柴油机和汽油机地工作过程都包括上述四个冲程,两者在工作原理上地区别是：柴油机压缩地是单一气体（空气）,当活塞到达上止点附近时,缸内空气地压力温度很高,适时地喷入柴油,在缸内形成可燃混合气并自行着火燃烧,所以称为压燃式内燃机；汽油机图7-2 四冲程内燃机工作原理则是在气缸外形成可燃混合气,然后充入气缸,压缩终了时靠火花塞打火点燃（其压缩终了时压力温度比压燃式内燃机低得多）,所以称为点燃式内燃机1.显然活塞地往复运动必然产生很大地振动,所以单缸内燃机需要一个又重又大地飞轮来减轻振动对曲轴及轴端输出功产生地冲击1由于汽油机里被压缩的是燃料和空气的混合物，受混合气体自燃温度的限制，不能采用大压缩比，不然混合气体就会“爆燃”，使发动机不能正常工作。

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 QW t =η121212111T T S T S T Q Q Q W t -=∆∆-=-==η （STdS T ∆≡⎰⋂）理想 121T 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 ∑∑-=-=ηTsup ,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。

7 动力循环（Power Cycles）热能向机械能转换需要通过工质的循环，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，所以称为内燃机。

汽车最常用的动力机是内燃机，但是随着技术的进步、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。

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。

它是仿照蒸汽机的结构发明的，最初使用煤气作为燃料。

随着石油工业的发展，内燃机获得了更合适的燃料——汽油和柴油。

德国人奥托（Nicolaus A. Otto）首先于1877年制成了实用的点燃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式四冲程内燃机，狄塞尔（Rudoff Diesel）随后于1897年制成了压燃式内燃机。

第10章气体动力循环一、教案设计教学目标：使学生掌握分析动力循环的一般方法；了解活塞式内燃机实际循环的分析方法；了解燃气轮机循环的分析方法。

知识点：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。

重点：分析动力循环的一般方法；活塞式内燃机循环分析；燃气轮机装置循环的分析方法，提高燃气轮机装置循环效率的方法和途径。

难点:实际循环简化成理想循环的方法；提高内燃机和燃气轮机装置循环效率的方法和途径。

教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论师生互动设计：提问+启发+讨论问：你知道汽车为什么会走？问：你以前知道内燃机吗？有哪些装置组成？又是怎么工作的？问：你知道柴油机与汽油机的区别吗？问：你知道燃汽轮机发电是怎么回事吗？学时分配：4学时二、基本知识第一节动力循环分析的目的与一般方法一、分析的目的在热力学基本定律的基础上分析循环过程中能量转换的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。

二、分析方法与步骤1. 将实际循环抽象和简化为理想循环2. 将简化好的理想可逆循环表示在p-v、T-s图上3. 对理想循环进行分析计算：计算循环中有关状态点（如最高压力点、最高温度点）的参数，与外界交换的热量、功量以及循环热效率或工作系数。

动力循环的热效率：-W net _ 1q2q i q i4、定性分析各主要参数对理想循环的吸热量、放热量及净功量的影响，进而分析对循环热 效率（或工作系数）的影响，提出提高循环热效率（或工作系数）的主要措施。

平均温度分析法：—5、 对理想循环的计算结果引入必要的修正6、 对实际循环进行热力学第二定律分析：熵分析 火用分析第二节 内燃机动力循环的分类一、分类按工作方式不同可分为：活塞式内燃机，叶轮式燃气轮机，喷气发动机汽油机 点燃式内燃机煤气机I 压燃式内烘机一岂油机二，汽油机1模型简化实际彳盾环的简化、理想化① 空气与燃气理想化为定比热客的理想气体; ② 开式循环理想化为闭式循环：③ 燃烧、排气过殺理想化为工质的吸、放热过程; ④ 压缩与膨胀过程理想彳匕为可逆绝热过程G2、汽油机理论循环一定容加热循环（奥托循环）活塞式内燃机:^JX?Ju n rs.u.吸建鼻9产3爲一⑪放热量6 = 4'石-兀1S环净功珂二如一心AS环删率SWtvT4=1飞3二g则T3T4 -TT3 J "唔"川2tv定窖加驷环的计算v影响发动机的正常工作。

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 QW t =η121212111T T S T S T Q Q Q W t -=∆∆-=-==η （STdS T ∆≡⎰⋂） 理想 121T T C -=η 循环完善性充满系数=ABCDAabcda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 tex E W =η 或 sup,,0sup ,11x i g x i ex E S T E I ∑∑-=-=ηTsup ,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。