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精.docx

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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精

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：

sabeandercycle,dieselcycle,ottocycle,sparkignition,braytoncycle,gasturbine,rankinecycle,vapor,airstandardassumptions,refrigeratorcycle,heatpumpcycle

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？

6、蒸汽动力循环中，在动力机中膨胀作功后的乏气被排入冷凝器中，向冷却水放出大量的热量q2，如果将乏汽直接送入汽锅中使其再吸热变为新蒸汽，不是可以避免在冷凝器中放走大量热量，从而减少对新汽的加热量q1，大大提高热效率吗？

这样的想法对不对？

为什么？

7、压缩蒸气制冷循环采用节流阀来代替膨胀机，空气制冷循环是否也可以采用这种方法？

为什么？

8、压缩空气制冷循环采用回热措施后是否提高其理论制冷系数？

能否提高其实际制冷系数？

为什么？

作业：

　　10－2，10－3，10－7，11－2，11－4，11－6，12－3，12－5

第十章气体动力循环

在学习本章过程中需要掌握三个问题：

1）余隙容积对压气机产生什么影响？

2）压缩比π的影响如何？

如有矛盾采用什么方法解决？

3）请说明多级压缩级间冷却原理？

§10－1　分析动力循环的一般方法

动力装置，制冷装置和热泵装置统称为热力装置。

动力装置的任务是将热量通过能量不断地从系统排向环境以使系统温度降到所要求的某一低于环境温度的水平，并使该系统温度保持不变。

热泵装置的任务则相反，是将热量不断地传给系统以使系统温度提高到所要求的某一高于环境温度的水平，并使该系统温度保持不变。

在本章中主要给大家介绍动力循环中的内燃机及燃气轮机的循环，及它们的热力性能，揭示能量利用的完善程度和影响其性能的主要因素。

动力装置的实际工作循环是很复杂的，定量的燃料究竟能产生多少机械能，这与很多实际因素有关。

例如，燃烧状况，温差传热，摩擦损失，流动阻力，散热损失等等，这些不可逆因素都会影响动力装置的工作性能。

对于各种动力装置，不可逆转到是普遍存在的，仅是影响程度不同而已，而且必须具体分析，才有实际意义。

在气体动力循环中目前所采用的步骤及方法可归纳如下：

1）将实际循环抽象成理想循环；

例：

将不可逆燃烧过程用可逆的吸热过程来代替；将工质在发动机中的不可逆膨胀过程用可逆膨胀过程来代替，等等。

2）将简化的理想可逆循环表示有p-v图及T-s图上；

3）对理想循环进行分析计算，即计算循环中有关状态点的参数，与外界交换的热量及功量，以及循环热效率或工作系数等等；

4）定性分析各主要参数对理想循环的吸热量，放热量，净功量的影响，进而分析对循环热效率的影响，提出提高热效率的主要措施；

5）对理想循环的主要特点结果引入必要的修正；

6）对实际循环进行第一及第二定律分析，重点是第一定律分析。

在4）中，可利用适用于理想气体可逆循环的热效率的平均温度表达式来探讨提高循环热效率的途径，即：

　　　　　　　　　　　（10－1）

即要使热效率

增大，必须设法提高平均吸热温度、降低平均放热温度。

在6）的讨论中，应用热力学第一定律进行能量转换量的分析时有：

其中：

——不可逆循环中实际作功量和循环加热量之比，为该循环的内部热效率；

——以T1为高温热源，To为低温热源时卡诺循环热效率；

——与实际循环相应的内部可逆循环的热效率；

——（

）相对热效率，是考虑了内部可逆理论循环因与高、低温热源存在温差时造成的损失；

——循环相对内部效率，是循环中实际功量和理论功量之比，反映了内部摩擦引起的损失。

　　应用第二定律时，采用熵产及有效能损失的分析方法：

即：

（10－2）

∵过程的熵产能反映过程不可逆性的程度及作功能力损失的大小，因此，对整个动力装置逐一分析各设备的熵产，即可找出不可逆性程度最大的薄弱环节，指导实际循环的改善。

同时，也以作功能力损失与循环最大作功能力之比表示损失的大小：

其中，

分析循环的不可逆损失也可采用用方法，设备或系统的用效率用

表示：

用效率考虑了从供给能量的最大作功能力中获得的效果，是从能量的质和量两方面来评价热力系统热力学完善程度的参数。

§10－2　活塞式内燃机实际循环的简化

1、活塞式内燃机的实际循环

以四冲程的柴油机为例：

在实际过程中，柴油机活塞运行如下：

0－1：

活塞右行的吸气过程，到达1点（下死点），进气阀关闭；

1－2’：

活塞左行到上死点之前的2’，柴油喷入汽缸；

2’－2：

喷入的柴油需有一个滞燃期后才燃烧，且柴油机转速较高，所以当活塞运行到接近上止点2时，柴油燃烧；

2－3：

燃料燃烧过程，接近定容过程，且活塞到达上死点3点后，准备右行；

3－4：

燃烧继续进行，气缸的内压力几乎不变，接近定容，在4点气体温度可达1700oC～1800oC；

4－5：

活塞右行膨胀，实现高压气体膨胀作功，同时向气缸夹套的冷却水放热，因此为不完全绝热过程。

5－1’：

5点，气体压力约为0.3～0.5MPa，t≈500oC，排气阀打开，此时气缸内的压力突然下降，因此接近定容过程；

1’－0：

活塞左行，废气在压力稍高于大气压时排向大气，并完成一个循环。

所以从以上分析看，实际的柴油机循环是比较复杂的，为了便于理论分析，必须忽略一些将要因素，引入“空气标准假设”对实际循环加以合理的抽象和概括，并按照不同的燃烧方式归纳成三类理想循环：

定容加热理想循环、定压加热理想循环和混合加热理想循环，也称为：

奥托循环、狭塞尔循环、萨巴德循环。

这里所说的“空气标准假设”是指：

把实际开口循环看作是闭式的以空气为工质的理想循环。

2、活塞式内燃机的合理简化

归纳起来主要为：

1）将燃料燃烧回执工质的过程看成是自然热源吸入同样数量的可逆加热过程；排气放热过程看成向冷源放出同样数量热量的可逆放热过程；

2）忽略实际过程中的摩阻及进、排气阀的节流损失；

以上将实际循环就理想化为一个定质量的闭口可逆循环；。

3）将有热交换的压缩及膨胀过程作可逆绝热处理，以空气性质代替燃气性质，按定比热容的理想气体作热力分析。

所以理想的四冲程柴油机循环就简化成右图所示的p-v图表示的过程：

为简化计算并提供一种往复式发动机的比较手段，工程界引进平均有效压力的概念，用MEP表示，定义为：

这里冲程指：

上止点到下止点的距离。

§10－3　活塞式内燃机的理想循环

1、混合加热理想循环（定容燃烧＋定压燃烧）（萨巴德循环）

（1）表征混合加热循环的特征参数

压缩比：

定容增压比：

定压预胀比：

（2）循环中各过程的热量及功量：

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：

循环净功：

∴

若用特征参数表示，则进一步对上式进行简化：

∵1－2及4－5为定熵过程：

又∵　

∴5－1时：

将以上各温度代入

表达式中有：

亦即，柴油机混合理想循环热效率随压缩比

和定容增压比

的增大而提高，随预胀比

的增大而降低。

另外，受强度机械效率等实际因素的影响，柴油机的压缩比不能任意提高，实际柴油机的压缩比一般在ε=13～20范围内变化。

2、定压加热理想循环（狭塞尔循环）（无定容加热过程）

　　如§10－2中介绍的高增压柴油机，一边膨胀，一边燃烧，整个燃烧过程气体压力基本保持不变，省去1中2－3定容吸热过程。

如下图所示。