华北电力大学(北京)工程热力学课件(第十章).ppt

工程热力学课件华北电力大学（北京）动力工程系工程热物理教研室制作2005年5月 2第十章气体的动力循环-- Gas power cycles 3§10–1分析动力循环的一般方法一.分析动力循环的目的在热力学基本定律的基础上分析循环能量转化的经济性，寻求提高经济性的方向及途径。二.分析动力循环的一般步骤1）实际循环（复杂不可逆）抽象、简化可逆理论循环分析可逆循环影响经济性的主要因素和可能改进途径实际循环指导改善2）分析实际循环与理论循环的偏离程度，找出实际损失的部位、大小、原因及改进办法。 4三.分析动力循环的方法1）第一定律分析法以第一定律为基础，以能量的数量守恒为立足点。2）第二定律分析法综合第一定律和第二定律从能量的数量和质量分析。熵分析法火用分析法熵产作功能力损失火用损火用效率 53)内部热效率(internalthermalefficiency)i——不可逆过程中实际作功量和循环加热量之比。其中与实际循环相当的卡诺循环热效率与实际循环相当的内可逆循环的热效率相对热效率(relativethermalefficiency)，反映该内部可逆循环因与高、低温热源存在温差（外部不可逆）而造成的损失相对内部效率(internalengineefficiency)反映内部摩擦引起的损失 一.活塞式内燃机(internal combustion engine)简介分类：按燃料：煤气机(gas engine)、汽油机(gasoline engine;petrol engine)、柴油机(diesel engine)按点火方式：点燃式(spark ignition engine)、压燃式(compression ignition engine)按冲程：二冲程(two-stroke )、四冲程(four-stroke ) 7活塞式内燃机循环特点：开式循环(open cycle)；燃烧、传热、排气、膨胀、压缩均为不可逆；各环节中工质质量、成分稍有变化。 8二、平均有效压力--meaneffectivepressure 9三.活塞式内燃机循环的简化 01吸气12压缩23喷油、燃烧34燃烧45膨胀作功50排气简化：引用空气标准假设燃烧2-3等容吸热+3-4定压吸热排气5-1等容放热压缩、膨胀1-2及4-5等熵过程吸、排气线重合、忽略燃油质量忽略燃气成分改变忽略 11§10–3活塞式内燃机的理想循环一.混合加热理想循环（dual combustion cycle）1.p-v图及T-s图12等熵压缩；23等容吸热；34定压吸热；45等熵膨胀；51定容放热特性参数：压缩比—compression ratio定容增压比—pressureratio定压预胀比—cutoffratio 122.循环热效率或 13 14两式相除，考虑到把T2、T3、T4和T5代入求 15讨论：归纳：a.吸热前压缩气体，提高平均吸热温度是提高热 效率的重要措施，是卡诺循环，第二定律对实际循环的指导。b.利用T-s图分析循环较方便。c.同时考虑q1和q2或T1m和T2m平均。 16二.定压加热理想循环—Diesel cycle 17讨论：C)重负荷（，q1）时内部热效率下降，除外还有因温度上升而使，造成热效率下降 18三.定容加热理想循环—Otto cycle 19 20讨论：C)重负荷（q1）时内部热效率下降，因温度上升使，造成热效率下降 §10–4活塞式内燃机各种理想循环的热力学比较①压缩比相同、放热量相同 ②最高压力相同、最高温度相同 23§10-5燃气轮机装置循环 24 特点：1.开式循环(open cycle)，工质流动2.运转平稳，连续输出功3.启动快，达满负荷快4.压气机消耗了燃气轮机产生功率的绝大部分，但重量功率比(specific weight of engine)仍较大用途：飞机、舰船的动力载荷机组，电站峰荷机组(peak-load set)，和蒸汽机组组成联合循环等。 燃气轮机装置循环的四个过程：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）。一、定压加热燃气轮机循环布雷登循环Braytoncycle燃气轮机装置闭式燃气轮机装置 循环特性参数：增压比—π=p2/p1最高温度—T3升温比—τ=T3/T1参数关系：循环加热量：循环放热量：循环热效率： 将参数关系代入，有：可见，↑π，热效率提高。功量—燃气轮机轴功：压气机耗功：时循环净功有极大值。可见w0仅为增压比π的函数，当π为 29分析？ 30 31可见：1）对于每一τ，均有其wnet,max2）τ上升，即T3上升，使取得wnet,max的π上升，ηt上升，所以提高T3能带动wnet,max及ηt同时升高。 32§10–6燃气轮机装置定压加热实际循环一.定压加热的实际循环1-2不可逆绝热压缩；2-3定压吸热；3-4不可逆绝热膨胀；4-1定压放热。 33二.压气机绝热效率(adiabaticcompressorefficiency)ηCS和燃气轮机相对内效率(adiabaticturbineefficiency)ηT 34三.燃气轮机装置的内部热效率(internal thermal efficiency)ηi 35讨论：增大τ是提高燃气轮机装置性能（wnet，ηi）的方向。 36§10–7提高燃气轮机装置热效率的热力学措施一.回热—regeneration讨论 2）极限回热 383）回热度—regenerator effectiveness注意：π达一定值，回热不能进行4）实际循环的回热 39分级压缩，中间冷却—multistagecompressionandinterveningcooling 40二.分级压缩，中间冷却采用分级压缩，中间冷却后ηt？循环12341：循环1567341：循环12341循环67256循环67256：回热基础上分级压缩中间冷却回热基础上 42三.回热基础上分级膨胀，中间加热循环12389101=循环127101-循环37983若无回热若回热循环12389101与循环12341比较T1m上升，T2m下降 注意：当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数趋向无穷多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。 例：某燃气轮机装置定压加热循环，循环增压比π=7，增温比τ=4，压气机吸入空气压力p1=0.8MPa，t1=17°c。压气机绝热效率ηcs=0.90，燃机轮机相对内效率ηT=0.92，若空气取定比热，其cp=1.03kJ/kg·K，Rg=0.287kJ/kg·K，κ=1.3863。试求：1）装置内部热效率ηi，循环吸热量q1和放热量q2；2）压气机及燃气轮机中的不可逆损失；3）装置每一循环的可用能损失。 1） 2）压气机内空气sf=0 燃气轮机内Sf=0 3) 例：一燃气轮机装置实际循环，压气机入口空气参数为100kPa，22°c，出口参数为600kPa，燃气轮机入口温度为800°c。压气机绝热效率ηcs=0.85。气体绝热流经燃气轮机过程中熵产为0.098kJ/kg·k。工质可视为理想气体，且燃气性质近似空气，κ=1.4，cp=1.03kJ/kg·k，Rg=0.287kJ/kg·k求1）循环热效率，2）若采用极限回热，求循环热效率 解：1） 所以，循环效率极限回热后 53气体动力循环热效率分析归纳：基础：方法：在T-s图上叠加、拆分等；在T-s图上与同温限卡诺循环比较；利用ηt=f(x,y,z···)的数学特性。 54§10–8喷气发动机(jet engine)简介定压燃烧喷气式发动机的理论循环及实际循环与燃气轮机装置定压加热循环相同。 1总结由热机工作循环抽象为理想的热力循环的基本方法。2提高热机循环热效率的基本途径是什么？为此可采取什么基本措施？3燃气轮机装置实际循环的τ、ηt及ηc一定时，随着增压比的提高，循环热效率有一个极大值，试利用T-s图分析出现极大值的原因。4回热循环的燃气轮机装置的τ及μ一定时，随着增压比的提高，回热循环的热效率有一个极大值，试利用T-s图分析出现极大值的原因。5当燃气轮机装置循环采用多级压缩中间冷却及多级膨胀中间再热时，如不同时采用回热措施会出现什么情况？对热效率有什么影响？思考题