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第六章 气体动力循环

第六章 气体动力循环


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6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
1、实际动力循环及其简化
在活塞式内燃机的气缸中,气体工质的压力和体积的变化
情况可以通过一种叫做 “ 示功器” 的仪器记录下来。现以典型 的四冲程柴油机为例,介绍它的实际循环与简化模型。
四冲程柴油机实际循环示功图如图6-1所示。
燃气轮机主要由装有动叶片的转子和固定在机壳上的静 叶片（叶片间的通道构成喷管）组成。燃气进入燃气轮
机后,沿轴向在一环环静叶片构成的喷管中降压、加速,并 通过紧接每 一环静叶片后面的动叶片推动转子旋转对外作功。
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图 6-14
6-5 燃气轮机装置的循环
假定工质是定比热容理想气体,则 (b)
将式(b)代入式(a)得 (c)
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6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
过程1 → 2是绝热(定熵)过程
(d)
过程2 → 3是定容过程
(e)
过程3 → 4是定压过程
(f)
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6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
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6-2 活塞式内燃机的混合加热循环
活塞继续向右移动,燃烧后的气体膨胀作功,这一过程接 近于绝热膨胀过程(e → f)。 活塞接近下止点时,排气阀门开放,气缸中的气体冲出气 缸,压力突然下降,而活塞还几乎停留在下止点附近,接近与定容排气
过程(f → g)。
最后,活塞由下止点向左移动,将剩余的气缸中的废气排 出,这时气缸中气体的压力由于排气阀门和排气管道的
定容排气(降压)过程f → g理想化为定容冷却(降压)
任务三气体动力循环(情景任务一).pptx

任务三气体动力循环(情景任务一).pptx


定压加热循环的计算
q1 cp T3 T2
T
放热量(取绝对值）
q2 cv T4 T1
2
热效率
1
t
w q1
q1 q2 q1
1 q2 q1
轮机工程基础模块
3 4
s
项目五：工程热力学
定压加热循环的计算
热效率
t
k 1 1 k1k( 1)
t
当 不变 t 当 不变 t
轮机工程基础模块
1.5 2 2.5
项目五：工程热力学
轮机工程基础模块
任务三 气体动力循环
情景任务一
情景任务二
项目五：工程热力学
轮机工程基础模块
【学习情境一】 提高柴油机热效率的途径
能力目标：1.掌握往复式内燃机的实际工作循环； 2.掌握往复式内燃机的理想工作循环；
3. 掌握循环热效率的计算方法
学习任务：1. 分析四冲程柴油机的工作过程 2. 往复式内燃机的理想工作循环分析
课内实践：指出提高柴油机效率的方法
教学方法：引导文教学法
项目五：工程热力学
学习领域：气体动力循环 学习情境：四冲程柴油机的气体动力循环 工作任务：四冲程柴油机的工作过程及其理想化分析 具体任务：分析四冲程柴油机的循环过程
1. 往复式内燃机的组成？ 2. 四冲程柴油机的工作过程？
3. 现代四冲程柴油机的理想循环过程？
2
5 定容升压比 p3
p2
反映供
1
定压预胀比 v4
v Cutoff ratio
v3
油规律
项目五：工程热力学
轮机工程基础模块
柴油机特性参数的意义
（1）压缩比：压缩前的比体积与压缩后的比体积之比，绝热压 缩过程中工质被压缩的程度，内燃机工作体积大小的结构参数。
工程热力学与传热学9)_气体动力循环PPT课件

工程热力学与传热学9)_气体动力循环PPT课件


1压缩 2-3：定容吸热 3-4：定压吸热
4-5：绝热膨胀
5-1：定容放热
三、柴油机理想循环及其热效率
分析循环吸热量，放热量，热效率和功量
p
3
4
T
4 3
2
2
5
5
1 1
v
s
定义几个柴油机特性参数
p
3
2
压缩比 v1
反映 气缸
4
v2 容积
5
定容升压比
p3 p2
1 定压预胀比 v4
工程热力学研究方法，先对实际动力循 环进行抽象和理想化，形成各种理想循 环进行分析，最后进行修正。
§9-1 柴油机实际循环和理想循环
一、四冲程柴油机实际工作循环
进气
压缩 燃烧和膨胀
排气
温度370~400 K， 压力
0.07~0.09MPa
进气行程
排气门关闭
下止点 上止点
活塞
P
进气门开启
大气压力线 r a
下止点 上止点
活塞
Z P
c
大气压力线 r
作功终了：温度 1300~1600 K， 压 力0.3~0.5 MPa
示功图
b
a V
下止点 上止点
活塞
进气门关闭 排气行程
排气门打开
Z P
残余废气
c b
大气压力线 r
V 示功图
温度900~1200 K 压力 0.105~0.115 MPa
温度300-370K 压力0.0785～ 0.0932MPa
第九章 气体动力循环
动力循环研究目的和分类
动力循环：工质连续不断地将从高温热源取得的 热量的一部分转换成对外的净功
《气体动力循环》课件

《气体动力循环》课件


3
卡诺循环定理
热机工作最高效率与温度之间的关系可以通过卡诺循环来表达。
涡轮机
单级涡轮机
利用单一的轮盘（旋转的部件）和静子（静止 的部件）转换压缩气流为动能或反之。这种设 计可用于航空发动机、小型电站和低效率发动 机。
多级涡轮机
使用多个轮盘和静子提高效率，但需要更多的 空间和重量，和更昂贵的制造成本。
气体动力循环
本课程将介绍气体动力循环及其设计过程。我们会深入探讨现代热力学与涡 轮机技术之间的相互作用，同时讨论若干案例研究。
热力学定律
1
热力学第一定律
能量守恒定律。它表明，在任何一个系统中，能量不能被创造或消失，只是在转化的过程中 产生能量交换。
2
热力学第二定律
热量只能从高温区流向低温区，这种现象被称为热量的不可逆性。
热交换器
热交换器帮助将空气和热能传输到另一个容器中， 在各种情况下提高了效率和性能。
气体动力循环的性能与措施
1 热力系统的性能分析
对气体动力循环的性能进行综合评估，考虑 功率、效率、节能和环境等因素。
2 节能措施
节能措施通常包括降低系统内能量损失、增 加能量利用效率和改进热交换性能等措施。
3 性能指标计算方法
不同类型的热力循环
卡诺循环
卡诺循环是工程中最重要的热力学概念之一，它是 一种完全可逆的热力学过程。
布雷顿循环
是一种常用的气体动力循环，广泛应用于燃气轮机、 航空发动机和工业应用。
斯特林循环
斯特林循环是另一种常用的气体动力循环，主要用 于制冷、加热和转换工作。
燃气轮机
1
工作原理
燃气轮机是通过将压气机所吸入的空气
提供实现气体动力循环的一些计算方法和公 式。
气体动力循环演示

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
《气体动力循环》ppt课件

《气体动力循环》ppt课件

任务过程： 喷气式发动机以一定飞行速度前进时，空气以一样速度进入。高 速气流在前端扩压管1中降速升压后进入压气机2，经绝热紧缩进一 步升压。紧缩空气在熄灭室3中和喷入的燃料一同进展定压熄灭。 产生的高温燃气先在燃气轮机4中绝热膨胀产生轴功用于带动压气 机，然后进入尾部喷管5中，在其中继续膨胀获得高速，最后从尾 部喷向大气。 喷气式发动机分量轻、体积小、功率大，其功率随本身运动速度 提高而增大，特别适宜用做航空发动机。
(4)定容回热过程 ：动力活塞1 位于其下死点，配气活塞2从其下 死点上移。使膨胀腔内工质经连 通管流入紧缩腔。此时工质容积 不变，并在流过回热器3时向回热 器放热，降低温度。当配气活塞2 移至其上死点时，工质全部进入 紧缩腔，定容回热过程终了。
活塞式热气发动机的热力循环及热效率
活塞式热气发动机理想循环：
v1 v2
RgTmaxln
v4 v3
在活塞式热气发动机中，v1＝v4，v2＝v3，故可得到
t
1
Tmin Tmax
即在一样温度范围内，活塞式热气发动机理想循环热效率与卡诺循 环热效率一样。因此，该循环以及类似的与卡诺循环有一样热效率 的一类理想循环称为概括性卡诺循环。
压气机耗功： (w s)ch2h1cp0(T2T 1)
所以 w0(ws)T(ws)c
cp0 T3 1(1 1)/ T1
(1)/1
(1)/
当
maxw, 0
T1 T3
循环净功有极大值。
二、燃气轮机的实践循环
压气机耗功： 燃气轮机轴功：
(ws )c
h2 h1
c,s
(w s)TT(h3h4)
理想化： 1. 热力过程的理想化
①进气过程→0-1定压线 ②紧缩过程→1-2定熵紧缩 ③熄灭过程→2-3定容加热＋3-4定压加热〔外热源加热〕 ④膨胀过程→4-5定熵膨胀 ⑤排气过程→5-1定容放热＋1-0定压线 2. 工质以理想气体对待
《工程热力学》第九章 气体动力循环

《工程热力学》第九章 气体动力循环


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
或
T 2v T 2m T 2 p
T 1v T 1m T 1p
tv
tm
tp
二、循环最高压力和最高温度相同时的比较
放热量相同：
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
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
Tm1 t
b)循环1-2-3”-4”-5-1
定容增压比
Tm1 t
c)循环1-2-3’”-4’”-5-1
定压预胀比
Tm1 t
二、定压加热理想循环（狄塞尔循环） 柴油机定压加热过程
3-4 等熵膨胀(燃气轮机内) 4-1 定压放热（排气，假想换热器）
热效率ηt
q1 h3 h2
cpm
t3 t2
T3 T2
cp
T3 T2
q2
h4
h1
c pm
t4 t1
T4 T1
cp T4 T1
《气体动力学基础》课件

《气体动力学基础》课件


热力学基本定律
总结词
热力学基本定律是描述热能和其他能量之间转换的基本定律，它包括第一定律和第二定 律。
详细描述
热力学第一定律，也称为能量守恒定律，指出在一个封闭系统中，能量不能被创造或消 灭，只能从一种形式转换成另一种形式。热力学第二定律，也称为熵增定律，指出在自
然发生的反应中，总是向着熵增加的方向进行，即向着更加混乱无序的状态发展。
分子运动论基础
总结词
分子运动论基础是描述气体分子运动的基本理论，它包括分子平均自由程和分 子碰撞理论。
详细描述
分子平均自由程是指气体分子在两次碰撞之间所经过的平均距离。分子碰撞理 论则描述了气体分子之间的碰撞过程和碰撞频率，是理解气体流动和传热现象 的基础。
热传导基本定律
总结词
热传导基本定律是描述热量传递规律的基本方程，它包括导热系数和傅里叶定律。
它涉及到气体流动的基本原理、气体 与物体的相互作用、以及气体流动过 程中的能量转换和传递等。
气体动力学的发展历程
气体动力学的发展始于17世纪，随着科学技术的进步，气体 动力学的研究范围和应用领域不断扩大。
20世纪以来，随着航空航天技术的发展，气体动力学的研究 更加深入和广泛。
气体动力学的研究内容
06 气体动力学在工程中的应用
航空航天领域的应用
飞机设计
气体动力学在飞机设计中发挥着 至关重要的作用，涉及到机翼设 计、尾翼设计、进气道和喷管设 计等。
航天器设计
航天器在发射、运行和返回过程 中都受到气体动力学的影响，如 火箭推进、航天器在大气层中的 飞行和着陆等。
飞行器性能优化
通过研究气体动力学，可以优化 飞行器的性能，提高其飞行速度 、航程和安全性。
能源领域的应用
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q2 q1
1 Tm2 Tm1
t, p t t,V
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
9
9-2 燃气轮机装置循环
一、定压加热燃气轮机循环
燃气轮机装置循环（勃雷登循环）的组成： ①绝热压缩过程（压气机） ②定压加热过程（燃烧室、加热器） ③绝热膨胀过程（燃气轮机、气轮机） ④定压放热过程（大气、冷却器）
2. 工质以理想气体对待
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
2
3. 开口系统简化为闭口系统（进排气功近似相等，相互抵消） 得到如下理论循环。
混合加热循环的热效率：
t
1
q2 q1 q1
cV 0 (T3
cV 0 (T5 T1) T2 ) cp0 (T4
T3)
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
循环热效率：
t
1
q2 q1
1
cp0 (T4
T1)
1
T1
T4 T1
1
cp0 (T3 T2 )
T2
T3 T2
1
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
11
整理上式，有
t
1
1
( 1) /
可见，↑π，热效率↑。
功量—燃气轮机轴功： (ws )T h3 h4 cp0 (T3 T4 )
压气机耗功： (ws )c h2 h1 cp0 (T2 T1)
8
三、活塞式内燃机各种理想循环的比较
①压缩比相同、放热量相同
Tm1,V Tm1 Tm1, p
Tm2,V Tm2 Tm2, p
t 1
q2 q1
1 Tm2 Tm1
t,V t t, p
②最高压力相同、最高温度相同
Tm1, p Tm1 Tm1,V
Tm2,V Tm2 Tm2, p
t 1
第九章 气体动力循环
7
②定压加热循环（笛塞尔循环）
特点：λ＝1，为混合加热循环的一个特例，将λ＝1代入混合加 热循环热效率及循环净功的表达式，即分别有
t
1
1
1
1 ( 1)
w0
p1v1 [ 1( 1
1)] (
1)]
可见： , t ；
, w0 。
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
1
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
4
混合加热效率表达式，得到
t
1
1
1
(
1 1) (
1)
可见： const, const, t ； const, , t 。
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
5
混合加热循环的循环净功：
13
热效率影响因素分析
由 可见：
t
( 1) /
T
1
c,s
1
( 1) /
1
1
c,s
① (T3) t ；
②当 、、c,s 一T定时，随着增压比π的
提高，循环热效率有一个极大值 ；
③ c,s ,T t 。
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
14
三、提高热效率的措施 (1)燃气轮机装置的回热循环
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
6
二、定容加热循环和定压加热循环
①定容加热循环（奥图循环）
特点：ρ＝1，为混合加热循环的一个特例，将ρ＝1代入混合加 热循环的热效率及循环净功的表达式，即分别有
t
1
1
1
w0
p1v1 ( 1
1)( 1
1)
可见： t ；
, w0 。
2020年4月15日
9-1 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热循环（萨巴特循环）
实际循环：
0-1 进气过程 1-2 压缩过程 2-3-4 燃烧过程 4-5 膨胀(作功)过程 5-1 自由排气过程＋强制 排气过程
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
1
理想化： 1. 热力过程的理想化
①进气过程→0-1定压线 ②压缩过程→1-2定熵压缩 ③燃烧过程→2-3定容加热＋3-4定压加热（外热源加热） ④膨胀过程→4-5定熵膨胀 ⑤排气过程→5-1定容放热＋1-0定压线
所以 w0 (ws )T (ws )c
c
p0
T3
1
1
( 1) /
T1
( 1) /
1
( 1) /
当
max, w0
T1 T3
循环净功有极大值。
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
12
二、燃气轮机的实际循环
压气机耗功： 燃气轮机轴功：
(ws )c
h2 h1
c,s
(ws )T T (h3 h4 )
循环的组成：1-2为压气机中绝热压缩；2-6为回热器中定压预热； 6-3为燃烧室中定压加热；3-4为燃气轮机中绝热膨胀；4-5为回热器 中定压放热；5-1为大气中定压放热。
理想回热：空气从T2 升温至T4，实际只能到T6。
定义：回热度
q h6 h2
q h4 h2
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
w0 (q1 q1) q2 cV 0 (T3 T2 ) cp0 (T4 T3 ) cp0 (T5 T1)
利用循环中各状态间的参数关系，可以得到
w0 cV 0T1{ 1[( 1) ( 1)] ( 1)} p1v1 { 1[( 1) ( 1)] ( 1)} 1
可见： , , w0 。
15
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
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
10
循环特性：
增压比——π=p2/p1
最高温度——T3
升温比——τ= T3/T1
参数关系：
T2 T1
p2 p1
( 1)/
p3 p4
( 1)/
T3 T4
( 1)/
循环加热量：
q1 h3 h2 cp0 (T3 T2 )
循环放热量：
q2 h4 h1 cp0 (T4 T1)
循环热效率：
t
w0 q1
(ws )T
(ws )c q1
c p0 (T3
T4 )T
c p0 (T2
T1
)
1
c,s
c p0 (T3
T1 )
cp0
(T2
T1
)
1
c,s
因
T2 T3 ( 1)/
T1 T4
所以有
t
( 1) /
T
1
c,s
1
( 1) /
1
1
c,s
2020年4月15日
第九章 气体动力循环
3
利用内燃机的特性参数来表示热效率：
1234----2345①为为为为②③压绝定定绝压预缩热容压热力胀比过过过过升比：程程程程高：TTT比5TTTT54TT1234：23T4vvvv4p354vpv12231vv1134TTvpvpvv14T141223311T13TT22 vvT141TT1v1v23111T111