第十章 动力循环第章 动力循环.doc

第十章 动力循环 本章主要内容 动力装置、制冷装置、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的传递和转换，转变成所需要的功。制冷装置的任务是将热量源源不断地从系统排向环境以使系统温度降低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，是将热量不断地传递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。 本章将分析以气体为工质的内燃机循环、蒸汽轮机循环；以蒸气为工质的蒸汽动力循环、制冷循环等各种循环的热力性能，揭示能量利用的完善程度和影响其性能的主要因素，给出评价和改进这些装置热力性能的方法和措施。 问题的引入 在开口系能量方程中，进出热力系的工质的能量除了焓外，还有宏观动能和宏观位能，在稳定流动情况下，又将这两项归入到技术功中，并未详细地展开计算，而且在前面所讨论的问题中基本上都忽略了工质宏观动能和宏观位能的变化，这样技术功=轴功。 但是，作为技术功一部分的工质流动所具有的宏观动能在工程上占有非常重要的地位，例如，火箭发动机、航空喷气发动机就是利用喷管产生的强大动能推动飞机和火箭运动的。在叶轮式压气机中，外界输入的功先使工质动能提高，然后再依靠扩压管的作用把动能转变为压力。 所以，本章主要研究以速度为主要状态参数的喷管和扩压管中的流动的能量转换规律。 研究方法：（1）先找出流动过程遵循的基本方程，探讨气体流动的特性和规律；（2）结合不同流动过程的外部条件，获得工程上常见的流动过程的特殊规律。 研究内容： 第一节 稳定流动问题求解 1、两个基本假设——建立物理模型 假设1：稳定流动 假设2：一元流动 一元稳定流动的假设大大降低了流动问题的复杂性，而且许多工程设备在正常运行时可近似按一元稳定流动处理。 2、一元稳定流动的基本方程——建立数学模型 （1）质量守恒——连续性方程 说明一元稳定流动沿流动方向上各截面的面积、速度和密度相对变化率之和为零。 它说明了流速、流道截面积、比体积之间的相互制约关系。 适用于可逆与不可逆的一元稳定流动过程。 （2）能量守恒——一元稳定流动能量方程式 积分过程： 微元过程： 可以写出热力学第一定律的第二表达式 （3）热力学第二定律——熵方程 热力学第二定律对流体的流动过程也有很大影响。对于稳定流动的开口系熵方程： （4）物性方程 参与流动工质的物性对流动有很大影响，物性包括状态方程、热力学能、焓、熵、比热容的表达式。理想气体的所有方程： （5）过程方程——反映具体流动过程特征的方程。 绝能流动：绝功绝热。+可逆=定熵流动，其特征方程； 对于理想气体： 对定比热容理想气体，比热比就是定熵指数k 对于水蒸气： 定熵过程中，状态参数变化复杂，没有简单的方程式。工程上为简化分析，可借助于上式的形式，k为经验系数，且随工质状态变化而变化。 求解上述5个方程，就可以确定流动初、终态的状态参数，以及过程量功、热等。 这种由物理模型（机理或定律）来建立数学模型（方程），进而求解的方法——基本方法 第二节 声速和马赫数 小扰动：对于弹性物质（流体和固体），在介质中某一位置引起的微小的压力（应力）增量。它以波的形式向四面八方传播。 声速：微小扰动在连续介质中传播的速度。 压力波传播过程为定熵过程： 由于压力波传播速度极快，发生状态变化的流体来不及与周围流体进行热交换，绝热 由于扰动极小，压力波在流体内传播时，流体状态变化也极小，内摩擦可忽略，可逆 求解声速的过程可以看作一个典型的流体流动问题，只要列出相应的方程就可以进行求解。由开口系连续方程和动量方程可以得出： 将坐标系取在波峰上，可以转化为稳定流动问题求解 s反映了工质的可压缩性，其绝对值越大，工质越容易压缩；压缩性越强，声音在工质中传播的速度就越小。 声速是其传播介质状态的函数，也是一个状态参数，会随介质状态的变化而变化。 当地声速：流场内某一点的声速。 对于理想气体，由其过程方程可得： 结合理想气体的状态方程： 可见，理想气体的声速不仅是气体的状态参数，还是温度的单值函数。可以视为气体内热能或焓的度量。 马赫数M： 第三节 促使流速改变的条件 点，流速改变需要有压力差。当气体流过喷管时，只要喷管进出口截面上有足够的压力差，不管过程是否可逆，气体流速总会增大。若流道截面面积的变化能与气体体积变化相配合，那么膨胀过程的不可逆损失会减小，动能增加量就较大，喷管出口截面上的气体流速就会更大。 喷管截面上的压力变化、喷管截面面积变化与气流流速变化的关系如何？ （1）力学条件 对于定熵过程， 一元稳定流动 上式表明：气流的动能增加是和技术功相当的。工质在管道内流动膨胀时并不对机器作功，工质