第九章气体动力循环
1、从热力学理论瞧为什么混合加热理想循环的热效率随压缩比ε与定容增压比λ的增大而提高,随定压预胀比ρ的增大而降低？
答:因为随着压缩比ε与定容增压比λ的增大循环平均吸热温度提高,而循环平均放热温度不变,故混合加热循环的热效率随压缩比ε与定容增压比λ的增大而提高。
混合加热循环的热效率随定压预胀比ρ的增大而减低,这时因为定容线比定压线陡,故加大定压加热份额造成循环平均吸热温度增大不如循环平均放热温度增大快,故热效率反而降低。
2、从内燃机循环的分析、比较发现各种理想循环在加热前都有绝热压缩过程,这就是否就是必然的？
答:不就是必然的,例如斯特林循环就没有绝热压缩过程。
对于一般的内燃机来说,工质在气缸内压缩,由于内燃机的转速非常高,压缩过程在极短时间内完成,缸内又没有很好的冷却设备,所以一般都认为缸内进行的就是绝热压缩。
3、卡诺定理指出两个热源之间工作的热机以卡诺机的热效率最高,为什么斯特林循环的热效率可以与卡诺循环的热效率一样？
答:卡诺定理的内容就是:在相同温度的高温热源与相同温度的低温热源之间工作的一切可逆循环,其热效率都相同,与可逆循环的种类无关,与采用哪一种工质无关。
定理二:在温度同为T1的热源与同为T2的冷源间工作的一切不可逆循环,其热效率必小于可逆循环。
由这两条定理知,在两个恒温热源间,卡诺循环比一切不可逆循环的效率都高,但
就是斯特林循环也可以做到可逆循环,因此斯特林循环的热效率可以与卡诺循环一样高。
4、根据卡诺定理与卡诺循环,热源温度越高,循环热效率越大,燃气轮机装置工作为什么要用二次冷却空气与高温燃气混合,使混合气体降低温度,再进入燃气轮机？
答:这就是因为高温燃气的温度过高,燃气轮机的叶片无法承受这么高的温度,所以为了保护燃气轮机要将燃气降低温度后再引入装置工作。
同时加入大量二次空气,大大增加了燃气的流量,这可以增加燃气轮机的做功量。
5、卡诺定理指出热源温度越高循环热效率越高。
定压加热理想循环的循环增温比τ高,循环的最高温度就越高,但为什么定压加热理想循环的热效率与循环增温比τ无关而取决于增压比π？
答:提高循环增温比,可以有效的提高循环的平均吸热温度,但同时也提高了循环的平均放热温度,吸热与放热均为定压过程,这两方面的作用相互抵消,因此热效率与循环增温比无关。
但就是提高增压比,p1不变,即平均放热温度不变,p2提高,即循环平均吸热温度提高,因此循环的热效率提高。
6、以活塞式内燃机与定压加热燃气轮机装置为例,总结分析动力循环的一般方法。
答:分析动力循环的一般方法:首先,应用“空气标准假设”把实际问题抽象概括成内可逆理论循环,分析该理论循环,找出影响循环热效率的主要因素以及提高该循环效率的可能措施,以指导实际循环的改善;然
后,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、原因及提出改进办法。
7、内燃机定容加热理想循环与燃气轮机装置定压加热理想循环的热效率分别为1
1
1--=κεηt 与κκπη1
11--=t 。
若两者初态相同,压缩比相同,她
们的热效率就是否相同？为什么？若卡诺循环的压缩比与她们相同,则热效率如何？为什么？
答:若两者初态相同,压缩比相同,它们的热效率相等。
因为21v v =ε,1
2p p =π。
对于定压加热理想循环来说κ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=2112v v p p ,将其带入定压加热理想循环热效率的公式可知,二者的效率相等。
对于卡诺循环来
说,112121--=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=κκεv v T T ,又因为卡诺循环的热效率为
12
11211111--=-=-=κε
ηT T T T ,所以卡诺循环与它们的效率相等。
8、活塞式内燃机循环理论上能否利用回热来提高热效率？实际中就是否采用？为什么？
答:理论上可以利用回热来提高活塞式内燃机的热效率,原因就是减少了吸热量,而循环净功没变。
在实际中也得到适当的应用。
如果采用极限回热,可以提高热效率但所需的回热器换热面积趋于无穷大,无法实现
9、燃气轮机装置循环中,压缩过程若采用定温压缩可减少压缩所消耗的功,因而增加了循环净功(如图8-1),但在没有回热的情况下循环热效率为什么反而降低,试分析之。
答:采用定温压缩后,显然循环的平均吸热温度T 1降低,而循环的平均放热温度T 2却没有变化,1
21T T -=η,因此整个循环的热效率反而降低。
10、燃气轮机装置循环中,膨胀过程在理想极限情况下采用定温膨胀,可增大膨胀过程作出的功,因而增加了循环净功(如图8-2),但在没有回热的情况下循环热效率反而降低,为什么？
图 8-2
答:在膨胀过程中采用定温膨胀,虽然增加了循环净功,但就是却提高了循环的平均放热温度T 2,而整个循环的平均吸热温度T 1没有变化,热效率1
21T T -=η因此循环的热效率反而降低。
11、燃气轮机装置循环中,压气机耗功占燃气轮机输出功的很大部分
(约60%),为什么广泛应用于飞机、舰船等场合？
答:因为燃气轮机就是一种旋转式热力发动机,没有往复运动部件以及由此引起的不平衡惯性力,故可以设计成很高的转速,并且工作就是连续的,因此,它可以在重量与尺寸都很小的情况下发出很大的功率。
而这正就是飞机、舰船对发动机的要求。
12、加力燃烧涡轮喷气式发动机就是在喷气式发动机尾喷管入口前装有加力燃烧用的喷油嘴的喷气发动机,需要突然提高飞行速度就是此喷油嘴喷出燃油,进行加力燃烧,增大推力。
其理论循环1-2-3-6-7-8-1(如图8-3)的热效率比定压燃烧喷气式发动机循环1-2-3-4-1的热效率提高还就是降低？为什么？
答:理论循环1-2-3-6-7-8-1的热效率小于定压燃烧喷气式发动机循环1-2-3-4-1的热效率。
因为由图中可以瞧出循环6-7-8-4-6的压缩比小于循环1-2-3-4-1,因此循环6-7-8-4-6的热效率小于循环1-2-3-4-1,因此理论循环1-2-3-6-7-8-1虽然增大了循环的做功量,但就是效率却降低了。
13、有一燃气轮机装置,其流程示意图如图8-4 所示,它由一台压气机产生压缩空气,而后分两路进入两个燃烧室燃烧。
燃气分别进入两台
燃气轮机,其中燃气轮机Ⅰ发出的动力全部供给压气机,另一台燃气轮机Ⅱ发出的动力则为输出的净功率。
设气体工质进入让汽轮机Ⅰ与Ⅱ时状态相同,两台燃气轮机的效率也相同,试问这样的方案与图9-16、图9-17所示的方案相比较(压气机的s C ,η与燃气轮机的T η都相同)在热
力学效果上有何差别？装置的热效率有何区别？
答:原方案:循环吸热量:t cm Q ∆=1
循环功量:()()][1243h h h h m w w w c T net ---=-=
题中方案:循环吸热量:t cm t cm t cm Q B A ∆=∆+∆='1 (1) 循环净功:()43'h h m w B net -= (2)
对于此方案,m A (h 3-h 4)=m(h 2-h 1) (3) 由(1)(2)(3)可以得到()()[]1243'h h h h m w net ---=
所以这两种方案的循环吸热量与循环净功均相等,因此它们的热力学效果与热效率均相等。