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？④问：你以前知道内燃机吗？有哪些装置组成？又是怎么工作的？④问：你知道柴油机与汽油机的区别吗？④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自的与一般方法一、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3.参数，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：n, = "m =1- I2q1qi
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： 1 2 1 1 q q q wnet t = = −
4、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：Tn, =1- T5、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：炳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活塞式内燃机：压燃式内燃机一柴油机二，汽油机1模型简化实际循环的简化、理想化①空气与燃气理想化为定比热容的理想气体；②开式循环理想化为闭式循环：燃烧、排气过程理想化为工质的吸、放热过程：压缩与膨胀过程理想化为可逆绝热过程2火花塞2、汽油机理论循环一定容加热循环（奥托循环）
4、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 活塞式内燃机： 二，汽油机 1 模型简化 2、汽油机理论循环─定容加热循环（奥托循环） 1 2 1 T T t = −
定容加热循环的计算gi=c(T-T)吸热量放热量92=G(T-T)循环净功Wo= 41-q2n,=%=1-92循环热效率g141T-Tnw=1T,-T,T-TfT-TTT2TT4TTT -TN=1-=1T,-T,T1T,T因S23 = AS14VTTc, In=c,In即T,Ts会=1T1有则nm =1-=1=1-T-TIT2-TT2MV21=6令则nm=1-称为压缩比。e-1V2
3 2 4 1 T s v v 4 1 4 1 1 3 2 3 2 2 1 1 1 1 tv T T T T T T T T T T − − = − = − − − 23 14 = s s 3 4 2 1 v v ln ln T T c c T T = 因 即 有 3 4 2 1 T T T T = 则 1 2 2 1 1 tv 1 1 T T T T = − = − 令 1 2 v v = 称为压缩比。 则 1 1 tv 1 k − = − 1 1 2 1 1 k v v − = − 续34
nm=1-6-1分若循环加热量不变提高T析：增压比e，实际上提高I了吸热平均温度，降低T了放热的平均温度，所I以循环的热效率提高T实际上压缩比过大，使压缩终了时的气体产生爆燃现象，影响发动机的正常工作。用提高压缩比来提高点燃式内燃机的热效率，实际上受到严格的限制。汽油机增压比e的允许值在3一10。第三节柴油机的实际循环和理想循环、柴油机实际工作循环（柴油自燃温度约335℃）Atmosphere喷油器柴油机的理论循环一一定压加热循环-PF
第三节 柴油机的实际循环和理想循环 一、柴油机实际工作循环 二、柴油机的理论循环—定压加热循环 3 2 4 1 T s v v 1 1 tv 1 k − = − 分 析： 若循环加热量不变提高 增压比ε，实际上提高 了吸热平均温度，降低 了放热的平均温度，所 以循环的热效率提高 了。 2' 3'4' T1 T1' T2 T2' T3 汽油机增压比ε的允许值在3─10。 实际上压缩比过大，使压缩终了时的气体产生爆燃现象， 影响发动机的正常工作。 用提高压缩比来提高点燃式 内燃机的热效率，实际上受到严格的限制。 增压比对循环效率的影响分析 3 2 4 1’ 1” p v 0 Atmosphere ５ 喷油器 (柴油自燃温度约335℃) 第三节 柴油机的实际循环和理想循环 一、柴油机实际工作循环 柴油机实际工作循环 二、柴油机的理论循环—定压加热循环 2 3 3 2 4 4 1 1 p v T s s s p v （早期柴油机） 柴油机的理论循环——定压加热循环
1、定压加热循环的计算q,=C,(T-T)吸热量放热量2 =c, (T -T)循环净功W= q,- q2np= mo=1- 9循环热效率q.q(v)T-TNp=1-k(T,-T)TA-1LTT-TT,-T,(-)TT7NTT, -TT,-T,TT,因As23 = △s14Clnt=cnt即T,TT所以TT(-1)MS+TTng =1-1kT,T)T3kT,-1T.THuTT一TTn, =1-1--kT,TT-1kT,T2T,N1V-GT,(V)今0=称为定压预胀比。V2_=pCT,V21pk-1n, =1kgk-1p-l
3 2 4 1 T s p v 吸热量 放热量 循环热效率 q c T T 1 3 2 = − p ( ) q c T T 2 4 1 = − v ( ) 0 2 1 1 tp 1 w q q q = = − 循环净功 w q q 0 1 2 = − 1、定压加热循环的计算 ( ) 4 1 3 2 tp 1 T T k T T − = − − 4 1 4 1 1 3 2 3 2 2 1 1 T T T T T T T T T T − − = − − 定压加热循环的计算 3 2 4 1 T s p v 4 1 4 1 1 3 2 3 2 2 1 1 T T T T T T T T T T − − = − − 23 14 = s s 3 4 2 1 p v ln ln T T c c T T = 因 即 所以 3 4 2 1 k T T T T = 4 3 1 1 2 1 2 3 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 k tp T T T T T T T kT T kT T T − − = − = − − − 续39 4 3 1 1 2 1 2 3 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 k t T T T T T T T kT T kT T T − − = − = − − − 3 3 2 2 T v T v = = 1 1 2 1 2 1 1 k k T v T v − − = = 令 3 2 v v = 称为定压 预胀比。 1 1 1 1 1 k t k k − − = − − 3 2 4 1 T s p v 续39
2、定压预胀比对循环热效率的影响增大预胀比p，可使吸热平均温度升高，放热平均温度也升高，因定容线比定压线陡，所以放热平均温度增长的比吸热平均温度增长的快，使循环热效率减小。(p)内燃机混合加热循环的p—图和T—s图三、DSO（现代柴油机）混合加热循环的计算（略见ppt)活塞式内燃机各种循环的比较1（初态及循环最高温度相同）?T2C1SCT6Np>Np>Nt
2、定压预胀比对循环热效率的影响 增大预胀比ρ，可使吸热平均温度升高，放热平均温度也升高，因定容线比定压线 陡，所以放热平均温度增长的比吸热平均温度增长的快，使循环热效率减小。 三、内燃机混合加热循环的 p─v 图和Ｔ─s 图 混合加热循环的计算（略见 ppt） p v 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 p v T s 三、内燃机混合加热循环的p─v图和Ｔ─s图 s s v （现代柴油机） 内燃机混合加热循环的p─v图和Ｔ─s图 1 5 4 3 2 7 6 T s T max v v p v T1p T1vp T1v T2 Tmin 2" 2' tp tvp tv 活 塞 式 内 燃 机 各 种 循 环 的 比 较 活 塞 式 内 燃 机 各 种 循 环 的 比 较 （ 初 态 及 循 环 最 高 温 度 相 同 ） 循 环 最 高 温 度 相 同 ） 初态及循环最高温度相同时活塞式内燃机各种循环的比较
活塞式内燃机各种循环的比较Q?（压缩比及吸热量相同）3>Np>Ntp第四节燃气轮装置定压加热循环Exhaust gasesCombustionchamber燃气轮机装置示意图Gas turbineCompressorpumpFuelAirin、燃气轮机装置理想循环（布雷顿循环）PPa1二、燃气轮机装置实际循环理论循环1-2-3-4-1实际循环1-2'-3-4'-1
第四节 燃气轮装置定压加热循环 一、燃气轮机装置理想循环（布雷顿循环） 二、燃气轮机装置实际循环 2 3 5 4 1 7 6 T s v v p p 5 5 4 4 6 6 tv tvp tp 活 塞 式 内 燃 机 各 种 循 环 的 比 较 活 塞 式 内 燃 机 各 种 循 环 的 比 较 （ 压 缩 比 及 吸 热 量 相 同 ） （ 压 缩 比 及 吸 热 量 相 同 ） 压缩比及吸热量相同时活塞式内燃机各种循环的比较 Combustion chamber 燃 气 轮 机 装 置 示 意 图 燃 气 轮 机 装 置 示 意 图 Air in pump Compressor Exhaust gases Gas turbine Fuel 1 2 3 4 第四节 燃气轮装置定压加热循环 燃气轮机装置示意图 二、燃气轮机装置实际循环 3 2 4 1 T s p p 2 4 理论循环 1-2-3-4-1 实际循环 1 2 3 4 1 − − − − 燃气轮机装置实际循环的T-s图
实际循环12'34'1的计算内容(见ppt)提高勃雷登循环热效率的途径：改变循环特性参数、采用回热、分级压缩、中间再热。三、燃气轮机回热循环的T-S图TtTT-s吸热过程5-3；放热过程6-1采用回热的燃气轮装置系统图Exhaust gaseRegeneratorWCombustion hamber53AirinFuel2Gas turbineCompressor三、本章总结1、内燃机定容加热理想循环热效率比混合加热循环热效率高。2、燃气轮机装置定压加热循环采用分级压缩、中间冷却可减少压气机耗功，从而提高循环热效率。四、作业与讨论作业：思考题1、2、3：习题：10-1.PPT例题讨论：燃气轮机定压加热理想循环与蒸汽动力装置的朗肯循环有什么区别和联系？虽然采用的工质不同，但两者都由两个可逆的定压过程和两个绝热过程组成
实际循环 的计算内容(见 ppt) 提高勃雷登循环热效率的途径： 改变循环特性参数、采用回热、分级压缩、中间再热。 三、燃气轮机回热循环的 T-S 图 1 2 4 6 5 3 Ｔ s 三 、 燃 气 轮 机 回 热 循 环 的 三 、 燃 气 轮 机 回 热 循 环 的T-S 图 T2 T2 T1' T1 吸热过程 5-3；放热过程6-1 燃气轮机回热循环的T-S图 三、 本章总结 1、内燃机定容加热理想循环热效率比混合加热循环热效率高。 2、燃气轮机装置定压加热循环采用分级压缩、中间冷却可减少压气机耗功，从而提高循环 热效率。 四、 作业与讨论 作业：思考题 1、2、3；习题:10-1，PPT 例题 讨论：燃气轮机定压加热理想循环与蒸汽动力装置的朗肯循环有什么区别和联系？ 虽然采用的工质不同，但两者都由两个可逆的定压过程和两个绝热过程组成。 采用回热的燃气轮装置系统图 Regenerator Fuel １ 2 6 5 3 4 Combustion hamber Compressor Air in Exhaust gases Gas turbine 采用回热的燃气轮装置系统图 12 34 1