第九章 气体动力循环
分析目的：在热力学基本定律的基础上分析动力循环中
能量转换的经济性。
9-1 分析动力循环的一般方法
一、空气标准假设
由于实际混合气的燃烧、排气过程都不可逆，且燃气质量和排气质量与空气不同，故引入“空气标准”假设：
(1)假定工作流体是一种理想气体； (2)假定具有与空气相同的热力性质；k=1.4 (3)将排气过程和燃烧过程用向低温热源的放热过程和自高温热源的吸热过程取代（不存在化学反应）。
注意：以上假设仅适用于气体动力循环，不适用
于蒸汽动力循环及其它工质的动力循环。
于环境压力； 1 下止点；
1-2 压缩过程，从下止点上移；
2-3 燃烧过程，喷油后经过短暂滞燃期混合气燃烧，燃烧过程快，容积变换小； 3 上止点；
3-4 燃烧，活塞从上止点下移，二者速度接近，接近定压过程； 4-5 膨胀作功；
5 下止点，排气阀打开； 5-1’ 排气，高压气体突然排出；
1’-0 排气，活塞推动废气排出，气压稍高于大
气压
将其简化，具体步骤：
分析：开式不可逆循环，工质成分、质量均变化； 简化：利用“空气标准”假设，忽略实际摩擦及
0-1进气过程，进气管路阻力致使进气压力稍小
二、实际循环
实际循环由于存在各种不可逆因素，其效率要低于理论循环效率，要用相对内效率?T修正。 ?i??t?T
?i，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（实际热效率）； ； ?t，内部可逆循环的热效率（理论热效率）循环中实际作功量和理论功量之比，反映了?T，
内部摩擦引起的损失，相对内效率（磨损修正）。
9-2 活塞式内燃机实际循环的简化
一、活塞式内燃机
1．循环：进、压、功、排 2．分类：
(1)按燃料分：煤气机、汽油机、柴油机 (2)按点火方式分：点燃式（汽）、压燃式（柴） (3)按冲程分：二冲程、四冲程
进排气节流损失，忽略膨胀，压缩过程热交换。 0-1 定压进气(可忽略)
1-2 绝热压缩
2-3 定容燃烧
3-4 定压燃烧
4-5 绝热膨胀
5-1 定容排气
二、实际循环的简化
以四冲程柴油机为例进行分析。
1-0 定压排气(可忽略)
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第九章 气体动力循环
结果：以空气为工质的混合加热理想循环（萨巴特循环）
1. 压缩比ε↑，ηt↑； 2. 增压比λ↑，ηt↑； 3. 预胀比ρ↑，ηt↓。
9-3 活塞式内燃机的理想循环
一、混合加热循环
混合加热循环简化为以空气为工质的混合加热理想循环（萨巴特循环）
循环净功qnet??t?q吸
二、定压加热循环（笛塞尔循环）
适用：四冲程压燃式发动机（增压、高速柴油机） 特点：吸入空气压缩，压缩比高，边燃烧边膨胀，
无定容燃烧（λ=1）
引入参数：ε，λ，ρ
将λ=1代入混合加热循环循环热效率公式， ?t?1?1
??k?1 ?(??1)???(??1)v压缩比??1，增压比??p3，预胀比??v4
v2p2v3循环热效率?t?1?|q放|?1?|q2|，wnet?qnet
q吸q1???1k得到?t?1?1???1
???1?(??1)定容加热循环热效率ηt与压缩比ε和预胀比ρ有关，压缩比ε↑，ηt↑；预胀比ρ↓，ηt↑。 说明：柴油机压缩的是空气，压缩比ε可较大，一般ε在14~20内。
定容过程q??u?cV?T 定压过程q??h?cp?T ?t?1?|q5?1|cV(T5?T1)?1?q2?3?q3?4cV(T3?T2)?cp(T4?T3)
三、定容加热循环（奥拓循环）
适用：四冲程点燃式发动机（汽油机、煤油机） 特点：吸入混合气，燃烧迅速，无定压加热（ρ=1）
T5?T1?1?(T3?T2)??(T4?T3)??(因为p1v1?p2v2,p4v4?p5v5，且p4?p3，
??v1?v5，v2?v3，pv?RgT
得出T2?(v1)??1T1????1?T1
v2T3??T2??(v1??1)T1?????1?T1 v2v1??1)T1??????1?T1 v2
将ρ=1代入混合加热循环循环热效率公式， ?t?1?1T4??T3???(T5????T1)
????1??k?1 ?(??1)???(??1)???1得到?t?1?1? ??1(??1)???(??1)?k得到?t?1?1
???1定容加热循环热效率ηt只与压缩比ε有关，压缩
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第九章 气体动力循环
比ε↑，ηt↑。
？ 压缩比ε能否无限大？
原因：汽油机工质为混合气，受自燃温度影响，
不能采用大压缩比，否则会“爆燃”，实际汽油机压缩比ε控制在5~12内。
1-2绝热压缩；2-3定压加热；
9-4 活塞式内燃机各种理想循环的
热力学比较
（T-s图） 与课本略微不一致
燃料确定?压缩比ε确定
3-4绝热膨胀；4-1定压放热 燃气轮机的热效率?t?1?1???1?，其中增压比
??
p2，π↑，η↑。
t
p1一、压缩比ε相同（放热量相同）
放热量为q1-4--B-A-1，吸热量定容过程最多，定压过程最少。 热效率ηt,V>ηt,c>ηt,p 即：汽>混>柴
例：燃气轮机装置的定容加热循环由下述四个可逆过程组成：绝热压缩过程1-2；定容加热过程2-3；绝热膨胀过程3-4及定压放热过程4-1。已知压缩过程的增压比为
??p2，定容加热过程的压力升高比为??p3，试证明
p2p1其循环热效率为??1??(?t??1??1)
?(??1)?1二、最高温度及最高压力相同（放热量相同）
增压、高速柴油机需控制其最高压力及温度，以降低噪声、振动，保护机件。 1-2-3-4-1定容加热； 1-2’-3’-3-4-1混合加热； 1-2”-3-4-1定压加热。 放热q2相同(1-4-B-A-1)
吸热量定压过程最多，定容过程最少。 热效率ηt,p>ηt,c>ηt,T
证明：
循环热效率??1?|q放|?1?cp(T4?T1)?1??T4?T1
tq吸cV(T3?T2)T3?T21-2绝热；T2p?(2)T1p1k?1k??k?1k
2-3定容：T3?p3??
T2p23-4绝热：T4T3?(p4)p3k?1k?(p1p2)p2p3k?1k?(1??)k?1k?(??)1?kk
9-6 燃气轮机装置循环
一、燃气轮机装置组成及分类
装置组成：压气机、燃烧室、燃气轮机 分类：开式/闭式 燃气轮机
代入循环热效率公式化简得到
?(???1)
?t?1???1??(??1)1二、燃气轮机定压加热循环（布雷顿循环）
燃气轮机理想热力循环由四个可逆过程组成。
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第十章 蒸汽动力装置循环
蒸汽动力装置：18世纪 瓦特 改进蒸汽机。
——最早使用的动力机，水蒸气易于获得，无毒无
臭无污染。
水蒸气特点：有物相变化，不可当作理想气体。
2汽轮机 ○3冷凝器 ○4给水泵 ○
绝热膨胀作功（乏汽）； 定压冷却（水）； 加压回锅炉（水）。
定压吸热?绝热膨胀?定压放热?绝热压缩 朗肯循环的乏汽完全液化，
10-1 简单蒸汽动力装置循环
——朗肯循环
一、工质为水蒸气的卡诺循环
采用气体作工质的卡诺循环所作的功并不大，采用蒸汽作工质，可以定温加热和放热。 实际蒸汽动力循环不采用卡诺循环，原因： 1． 绝热压缩难于实现；
2． 循环上限温度受限于临界温度，热效率低； 3． 膨胀末期干度小，水分多，不安全。
?t???netq1?q1?q2(h1?h4)?(h2?h3)?q1h1?h4
(h1?h2)?(h4?h3)h1?h2?h1?h4h1?h4
10-2 再热循环
新蒸汽膨胀到某一中间压力后撤出汽轮机，导入锅炉中特设的再热器或其他换热设备中，使其再加热，然后再导入汽轮机继续膨胀到背压，这样的循环叫做再热循环。
二、朗肯循环及其热效率
实际蒸汽动力循环采用朗肯循环。
再热循环热效率
?t?
?netq1?(h1?hb)?(ha?h2) (h1?h3)?(ha?hb)10-3 回热循环
朗肯循环：两个定压和两个可逆绝热过程组成。 蒸汽动力装置（整个过程可逆）：
朗肯循环热效率不高的主要原因是水的加热及水蒸汽的过热过程不是定温的。
回热循环利用蒸汽回热对水进行加热，消除朗肯循环中水在较低温度下吸热的不利影响，提高热效率。
一、抽气回热
回热就是把本来要放给冷源的热量利用来加热工质，以减少工质从热源的吸热量。
1锅炉（蒸汽发生器） 汽化过程（过热蒸汽）○；
抽汽回热循环：从汽轮机的适当部位抽出尚未完
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第十章 蒸汽动力装置循环
全膨胀的压力、温度相对较高的少量蒸汽，去加热低温凝结水。这部分抽汽并未经过冷凝器，没有向冷源放热，而是加热了冷凝水，达到了回热的目的。
二、回热循环计算
?t??netq1?(h1?h01)?(1??)(h01?h2)h1?h0'1
其中α是抽气量。
采用抽气回热后，工质自外热源吸热量减少，平均吸热温度升高，热效率大于单纯朗肯循环的热效率。
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