氣體動力循環(huán)

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,2020年1月25日,第九章 氣體動力循環(huán),#,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),1,9,-,1,活塞式內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán),實(shí)際循環(huán)：,0,-,1,進(jìn)氣過程,1,-,2,壓縮過程,2,-,3,-,4,燃燒過程,4,-,5,膨脹,(,作功,),過程,5,-,1,自由排氣過程強(qiáng)制排氣過程,一、混合加熱循環(huán)（薩巴特循環(huán)）,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),2,理想化：,1,.,熱力過程的理想化,進(jìn)氣過程,0,-,1定,壓線,壓縮過程,1,-,2,定熵壓縮,燃燒過程,2,-,3定容加熱3,-,4

2、定,壓加熱（外熱源加熱）,膨脹過程,4,-,5定,熵膨脹,排氣過程,5,-,1定容放熱1,-,0,定壓線,2,.,工,質(zhì)以理想氣體對待,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),3,3,.,開口系統(tǒng)簡化為閉口系統(tǒng)（進(jìn)排氣功近似相等，相互抵消）得到如下理論循環(huán)。,混合加熱循環(huán)的熱效率：,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),4,利用內(nèi)燃機(jī)的特性參數(shù)來表示熱效率：,壓縮比：,壓力升高比：,1,-,2,為絕熱過程,2,-,3,為定容過程,3,-,4,為定壓過程,預(yù)脹比：,4,-,5,為絕熱過程,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),5,混合加熱循環(huán)熱效率,將各點(diǎn)溫度與特性參數(shù)的關(guān)

3、系代入熱效率表達(dá)式，得到,可見：,。,；,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),6,混合加熱循環(huán)的循環(huán)凈功：,利用循環(huán)中各狀態(tài)間的參數(shù)關(guān)系，可以得到,可見：,。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),7,二、定容加熱循環(huán)和定壓加熱循環(huán),定容加熱循環(huán)（奧圖循環(huán)）,特點(diǎn)：,1,，為混合加熱循環(huán)的一個特例，將,1,代入混合加熱循環(huán)的熱效率及循環(huán)凈功的表達(dá)式，即分別有,可見：,。,；,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),8,定壓加熱循環(huán)（笛塞爾循環(huán)）,特點(diǎn)：,1,，為混合加熱循環(huán)的一個特例，將,1,代入混合加熱循環(huán)熱效率及循環(huán)凈功的表達(dá)式，即分別有,可見：,；,。,2024年

4、12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),9,三、活塞式內(nèi)燃機(jī)各種理想循環(huán)的比較,壓縮比相同、放熱量相同,最高壓力相同、最高溫度相同,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),10,9,-,2,燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán),一、定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán),燃?xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)（勃雷登循環(huán)）的組成：,絕熱壓縮過程（壓氣機(jī)）,定壓加熱過程（燃燒室、加熱器）,絕熱膨脹過程（燃?xì)廨啓C(jī)、氣輪機(jī)）,定壓放熱過程（大氣、冷卻器）,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),11,增壓比,=,p,2,/,p,1,最高溫,度,T,3,升溫比,=,T,3,/,T,1,參數(shù)關(guān)系：,循環(huán)加熱量：,循環(huán)放熱量：,循環(huán)熱效率,：,循環(huán)特性：,

5、2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),12,整理上式，有,可見，,，,熱效率。,功量,燃?xì)廨啓C(jī)軸功：,壓氣機(jī)耗功：,循環(huán)凈功有極大值。,當(dāng),所以,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),13,二、燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際循環(huán),壓,氣機(jī)耗功：,燃?xì)廨啓C(jī)軸功：,循環(huán)熱效率：,因,所以有,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),14,當(dāng) 、一定時(shí)，隨著增壓比,的提高，循環(huán)熱效率有一個極大值,可見：,熱效率影響因素分析,由,。,；,；,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),15,(1),燃?xì)廨啓C(jī)裝置的回?zé)嵫h(huán),循環(huán)的組成：,1,-,2,為壓氣機(jī)中絕熱壓縮；,2,-,6,為,回?zé)崞?中

6、,定壓預(yù)熱,；,6,-,3,為燃燒室中定壓加熱；,3,-,4,為燃?xì)廨啓C(jī)中絕熱膨脹；,4,-,5,為,回?zé)崞?中,定壓放熱,；,5,-,1,為大氣中定壓放熱。,理想回?zé)幔嚎諝鈴?T,2,升溫至,T,4,，實(shí)際只能到,T,6,。,三、提高熱效率的措施,定義：回?zé)岫?2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),16,燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)熱效率可表示為,比熱容為定值時(shí)，有,代入?yún)?shù)間的關(guān)系式 ，可得,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),17,可見:,增大升溫比，可提高燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)的熱效率；,當(dāng)升溫比及回?zé)岫纫欢〞r(shí)，隨著增壓比的提高，回?zé)嵫h(huán)的熱效率有一個極大值。當(dāng)回?zé)岫仍龃髸r(shí)，與熱效率極

7、大值相對應(yīng)的增壓比的數(shù)值不斷降低。,熱效率影響因素分析,由,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),18,采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回?zé)嵫h(huán)措施后，提高了平均加熱溫度及降低了平均放熱溫度，使得循環(huán)熱效率得到較大的提高,。,(2),采用多級壓縮中間冷卻以及再熱的回?zé)嵫h(huán),2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),19,9,-,3,增壓內(nèi)燃機(jī)及其循環(huán),廢氣渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的理想循環(huán)相當(dāng)于由一個內(nèi)燃機(jī)的混合加熱循環(huán)和一個燃?xì)廨啓C(jī)定壓加熱循環(huán)疊加而成。,增壓,將空氣的壓力及密度提高后，送入內(nèi)燃機(jī)氣缸，使氣缸充入更多空氣。,目的,增加內(nèi)燃機(jī)的功率,(,功率,30,100,，,甚至更多,),。

8、,增壓器,用于增壓的壓氣機(jī)。,廢氣增壓可充分利用廢氣能量，提高經(jīng)濟(jì)性，因此廣泛應(yīng)用。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),20,9,-,4,自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置及其循環(huán),自由活塞式發(fā)動機(jī)可以看做是一種特殊形式的增壓內(nèi)燃機(jī)。它本身不直接輸出功率，而是與壓氣機(jī)相結(jié)合，把全部功率用于驅(qū)動壓氣機(jī)生產(chǎn)壓縮氣體。它也可作為燃?xì)獍l(fā)生器而與燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合動力裝置，稱為自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),21,自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置的工作過程,氣缸,2,中的兩個對置的自由活塞,3,的外端分別與壓氣機(jī)活塞相連。,缸內(nèi)氣體燃燒膨脹推動兩活塞外移，壓縮兩端氣墊氣缸,7,內(nèi)的

9、空氣，將發(fā)動機(jī)全部有效功儲存在空氣中。,活塞外移壓氣機(jī)氣缸,6,容積空氣經(jīng)進(jìn)氣閥,5,吸入。,活塞外移接近端部右活塞先把氣缸排氣孔,8,打開高溫燃?xì)鈨夤?9,；隨后，左活塞將掃氣口,11,打開掃氣箱,12,內(nèi)壓縮空氣氣缸，將氣缸中殘余燃?xì)怛?qū)入燃?xì)鈨夤?，并使氣缸充滿新鮮壓縮空氣。,兩端氣墊氣缸內(nèi)的高壓空氣推動自由活塞內(nèi)移。當(dāng)排氣孔及掃氣孔關(guān)閉后，氣缸內(nèi)的空氣被絕熱壓縮。同時(shí)壓氣機(jī)氣缸內(nèi)的空氣也被壓縮，壓力達(dá)到掃氣箱內(nèi)壓力時(shí)，輸氣閥,4,打開，壓縮空氣在活塞推動下輸入掃氣箱,12,。兩活塞移至接近中間位置時(shí)，噴油器,1,將燃料噴入發(fā)動機(jī)氣缸中進(jìn)行燃燒。隨后又開始膨脹過程，進(jìn)行新的工作循環(huán)。,由

10、發(fā)動機(jī)送入儲氣罐,9,中的高溫高壓燃?xì)獠粩嗟厮腿肴細(xì)廨啓C(jī),10,中，在其中絕熱膨脹推動葉輪輸出軸功。由于自由活塞發(fā)動機(jī)中燃?xì)馀蛎浰鞯墓θ客ㄟ^活塞用于壓氣機(jī)的壓縮功，所以燃?xì)廨啓C(jī)所輸出的功也就是整個裝置唯一對外輸出的功。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),22,自由活塞燃?xì)廨啓C(jī)裝置的熱力循環(huán),根據(jù)自由活塞發(fā)動機(jī)中的能量平衡，壓氣機(jī)消耗的軸功等于自由活塞發(fā)動機(jī)的循環(huán)凈功，即,p,-,v,圖上循環(huán),1,-,2,-,3,-,4,-,5,-,1,的面積應(yīng)和壓氣機(jī)壓氣過程,8,-,1,左側(cè)面積,8,-,1,-,a,-,b,-,8,相等。,整個,裝置輸出的功，也就是燃?xì)廨啓C(jī)輸出的軸功，可用燃

11、氣輪機(jī)中絕熱膨脹過程,6,-,7,左側(cè)的面積,6,-,7,-,b,-,a,-,6,表,示。,循環(huán),1,-,2,-,3,-,4,-,5,-,1,為自由活塞發(fā)動機(jī)氣缸中工質(zhì)所完成的混合加熱循環(huán)。,1,-,6,為儲氣罐定壓充氣，,6,-,7,為燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C(jī)中絕熱膨脹，,7,-,8,為廢氣在大氣中定壓放熱，,8,-,1,為空氣在壓氣機(jī)氣缸中的絕熱壓縮。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),23,9,-,5,噴氣式發(fā)動機(jī)及其循環(huán),噴氣式發(fā)動機(jī),以一定飛行速度前進(jìn)時(shí)，空氣以相同速度進(jìn)入。高速氣流在前端擴(kuò)壓管,1,中降速升壓后進(jìn)入壓氣機(jī),2,，經(jīng)絕熱壓縮進(jìn)一步升壓。壓縮空氣在燃燒室,3,中和噴入

12、的燃料一起進(jìn)行定壓燃燒。產(chǎn)生的高溫燃?xì)庀仍谌細(xì)廨啓C(jī),4,中絕熱膨脹產(chǎn)生軸功用于帶動壓氣機(jī)，然后進(jìn)入尾部噴管,5,中，在其中繼續(xù)膨脹獲得高速，最后從尾部噴向大氣。,噴,氣式發(fā)動機(jī)重量輕、體積小、功率大，其功率隨本身運(yùn)動速度提高而增大，特別適合用做航空發(fā)動機(jī)。,工作過程：,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),24,噴氣式發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)分析,1,-,a,擴(kuò)壓管中的絕熱壓縮；,a,-,2,壓氣機(jī)中的絕熱壓縮；,2,-,3,燃燒室中的定壓吸熱；,3,-,b,燃?xì)廨啓C(jī)中的絕熱膨脹；,b,-,4,尾噴管中的絕熱膨脹；,4,-,1,大氣中定壓放熱。,p,-,v,圖上，面積 代表壓氣機(jī)所消耗的軸功，

13、面積,代表燃?xì)廨啓C(jī)所輸出的軸功，根據(jù)噴氣發(fā),動機(jī)的工作原理，兩軸功的數(shù)值相等，故兩面積相等。,顯,然，噴氣式發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)和定壓加熱燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)相同，故可引用有關(guān)的結(jié)論來對其進(jìn)行分析。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),25,9,-,6,活塞式熱氣發(fā)動機(jī)及其循環(huán),(4),定容回?zé)徇^程,：,動力活塞,1,位于其下死點(diǎn)，配氣活塞,2,從其下死點(diǎn)上移。使膨脹腔內(nèi)工質(zhì)經(jīng)連通管流入壓縮腔。此時(shí)工質(zhì)容積不變，并在流過回?zé)崞?3,時(shí)向回?zé)崞鞣艧?，降低溫度。?dāng)配氣活塞,2,移至其上死點(diǎn)時(shí)，工質(zhì)全部進(jìn)入壓縮腔，定容回?zé)徇^程結(jié)束。,工作過程：,(1),定溫壓縮過程：,配氣活塞,2,位于上死點(diǎn)，動力活

14、塞,1,由其下死點(diǎn)向上移動。兩活塞間壓縮腔內(nèi)的工質(zhì)受壓，同時(shí)通過缸壁向冷卻水放熱。,(2),定容預(yù)熱過程：動力活塞,1,位于其上死點(diǎn)位置，配氣活塞,2,從其上死點(diǎn)下移。迫使氣缸壓縮腔內(nèi)工質(zhì)流入配氣活塞上方的氣缸膨脹腔。此時(shí)工質(zhì)容積不變，在流過回?zé)崞?3,時(shí)被加熱。配氣活塞與和動力活塞相靠時(shí)，工質(zhì)全部進(jìn)入氣缸的膨脹腔，定容預(yù)熱過程結(jié)束。,(3),定溫膨脹過程：外部燃燒系統(tǒng)通過氣缸頂部向膨脹腔內(nèi)的工質(zhì)加熱，工質(zhì)定溫膨脹，推動配氣活塞和動力活塞一起下移，輸出容積變化功。,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),26,活塞式熱氣發(fā)動機(jī)的熱力循環(huán)及熱效率,定溫膨脹過程,3,-,4,中工質(zhì)從外部燃燒系統(tǒng)得到的熱量為,定溫壓縮過程,1,-,2,中工質(zhì)向冷卻介質(zhì)放出的熱量為,熱效率,活塞式熱氣發(fā)動機(jī)理想,循環(huán)：,循環(huán)熱效率分析：,2024年12月13日,第九章 氣體動力循環(huán),27,概括性卡諾循環(huán),在,活塞式熱氣發(fā)動機(jī)中，,v,1,v,4,，,v,2,v,3,，故可得到,即在相同溫度范圍內(nèi)，活塞式熱氣發(fā)動機(jī)理想循環(huán)熱效率與卡諾循環(huán)熱效率相同。因此，該循環(huán)以及類似的與卡諾循環(huán)有相同熱效率的一類理想循環(huán)稱為概括性卡諾循環(huán)。,