物理学毕业论文 热机效率的计算.doc

毕业论文 论文题目： 热机效率的计算 系 别： 物理与电子科学系 专 业： 物 理 学 热机效率的计算摘要：阐述热力学第一、二定律，并由此分析热机产生的理论依据。介绍热机工作原理，并对理想卡诺热机循环进行详细分析，计算且对照比较性的分析逆循环过程。以实物热机为研究对象，对各种不同的热机加以热力学角度的分析。抽象出对应热力学过程模型并针对各种热力学模型的循环过程进行详细分析计算以及讨论比较。提出循环可能出现的任意过程而牵涉的吸热与做功的计算问题。关键词：热机；热机效率；内燃机；卡诺循环；气体动力循环 The calculation of the efficiency of the heat engineAbstract: At one thermodynamics, the introductions of laws, and heat engine have basic conception about the heat engine by efficiency,etc., The argumentation of the basic principle .Carries on the course and analyses to ideal Carnot promise circulation, are circulating to analyse, And go against circulation analysis supplementarily. To duplicating each other the circulation courses of model go on and analyse, mainly at several a kind of internal-combustion engine the analysis the calculations of efficiencieses of courses at several, And supplement the introduction of the gas generator. Compare efficiency of heat engine of various kinds of circulation course , analyse that influences the factors of different efficiencies of the heat engine, Propose to improving the opinion of the efficiency of heat engine at the same time .Key words:Heat engine；the efficiency of the heat engine；an internal-combustion engine；The promise circulation of Carnot；the motive force circulation of gas1热力学基本理论11 热力学第一、二定律表述为：当热能与其他形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。热力学第一定律是能量守恒定律与转换定律在热力学中的应用，它确定了热能与其他形式能量相互转换时在数量上的关系。 根据热力学第一定律，为了得到机械能必须花费热能或其他能量。有人幻想制造一种不花费能量而产生动力的机器，称为第一类永动机。结果总是失败，为了明确否定这种发明的可能性，热力学第一定律可表述为“第一类永动机是不可能制成的”。 热力学第一定律是热力学的基本定律，它适用于一切工质和一切热力过程。 对于任何系统，各项能量之间的平衡关系可一般表示为：进入系统的能量离开系统的能量=系统储存能量的变化用数学表达式表示： E=Q+（-A） 或：Q=E+A 也可表示为：dQ=dE+dA表示系统吸收的热量，一部分转化成系统的内能；另一部分转化为系统对外所做的功。1850年克劳修斯从热量传递方向性的角度，将热力学第二定律表示为“不可能将热从低温物体传至高温物体而不引起其他变化"。这称为热力学第二定律的克劳修斯表述。它说明热从低温物体传至高温物体是一个非自发的过程，要使之实现必须花费一定的“代价”或具备一定的“条件”。它指出了传热过程的方向，条件和限度。 1851年，开尔文从热功转换的角度将热力学第二定律表述为：“ 不可能从单一热源取热，并使之完全变成有用功而不引起其他变化。此后不久，普朗克也发表类似的表述：“不可能制造一部机器，它在循环工作中将重物升高而同时使一热库冷却”。这种表述称为：开尔文普朗克表述。 热不能100%转化为功。必须向低温热源释放一定热量。 假设有一种热机，它不引起其他变化而能使从单一热源获取的热完全转变为功，这种热机称为第二类永动机，它虽然没有违反热力学第一定律，却违反了热力学第二定律。 热力学第二定律的实质便是论述热力过程的方向性及能质退化或贬值的客观规律。12 热机循环一个系统由确定的初始状态经历一系列状态变化或过程，最终又回到其初始状态，则称系统经历了一个热力学循环，或简称循环。显然，循环终了时，系统的所有的状态参数有具有与其初始值相同的值。内燃机这种循环实际上是“开口系统循环”，只是为了研究上的方便，进行一些简化和假定，使之可以看成为相当于汽缸内的气体经历一个热力学循环，既所谓的“空气标准”循环。工程上最常见的是两类循环：热机循环及制冷机（或热泵）循环。热机循环的工作原理如图所示，其目的是实现热功转换，既从高温热源取得热量Q，而对外作功W。反之，制冷机及热泵循环的目的在于将热量从低温热源取出并排向高温热源，如图1-2所示，为此需消耗外功或付出其他代价。 图 1-1 热机和制冷机示意图13热机效率评价循环性能的指标，可以有很多种，其中主要的是依据热力学第一定律提出的。“效率”与依据第一，第二定律提出的“火用 效率”（在此不考虑火用 效率）热力学第一定律效率的定义是：= 作为收益的能/作为代价的能量它从能量的数量关系出发，评价循环的性能好坏。对于热机循环，热力学第一定律效率是指对外输出的净功Wnet与高温热源吸收的热量Q1的比值，既： =Wnet/Q1效率从数量上表明热机循环将热转化为功的效果。按卡诺定理要求，不可逆循环的小于相同条件下可逆循环的rev。对于耗功型制冷循环，热力学第一定律效率是指从冷源吸取的热量既冷量Q0与所耗功量W的比值,也就是制冷系数,既= Q0/W对于耗功热泵循环,则热力学第一定律效率是指向热源提供的热量Q1与所耗功量W的比值,也就是供暖系数,既 =Q1/W 任何热机循环效率都可表示为: t =循环净功/从高温热源吸收的热量 2热机效率计算21 卡诺正循环与卡诺逆循环1.1824年卡诺在他的”论火的动力”一文中描述了一个循环,它是由两个可逆定温过程与两个可逆绝热过程组成的,我们称之为卡诺循环.卡诺循环每一过程都是可逆的,因此卡诺循环是个可逆循环.我们首先来分析卡诺正循环,如图所示,1Kg工质在1-2过程中可逆定温地从高温热源T1吸收热量q1;在2-3过程中可逆绝热地膨胀,工质温度从T1降至T2;在3-4过程中工质可逆定温地向低温热源T2放热q 2;工质在4-1过程中被可逆绝热压缩,温度从T2升到T1,这就是卡诺热机循环. 图 2-1 卡诺正循环对于1-2过程,是可逆过程,吸收热量q1为: 对于3-4过程,同样是可逆定温过程,放出热量为: 工质从q1 吸热,将做二部分使用,一部分以q 2放热,另一部分则用来做功由前面介绍的热机效率公式,我们可以得到卡诺正循环的热机效率为: 对于绝热过程，PVk =定值，可得：TVk-1=定值 在可逆绝热膨胀过程2-3中： V2/V3=（T2/T1）1/（k-1） 同理，在可逆绝热压缩过程4-1中， V1/V4=（T2/T1）1/（k-1） 由上两式可得: V2/V3= V1/V4 或 V2/V1= V3/V4 又 从卡诺正循环热效率公式(2-1)可得到下列结论:a. 卡诺循环热效率的大小只决定于热源温度T1及冷源温度T2.要提高其热效率可通过提高T1及降低T2的办法来实现.b. 卡诺循环热效率总是小于1.只有当T1=或T2=0时,热效率才能等于1,但这都是不可能的.c. 当T1= T2时，既只有一个热源时，t,c =0。这就是说，只冷却一个热源是不可能进行循环的，既单一热源的循环发动机是不可能实现的。d. 当推导式（2-1）的过程中，未涉及工质的性质，因此，卡诺循环的热效率与工质的性质无关，式（2-1）适用于任何工质的卡诺循环。卡诺循环是可逆循环，如果循环沿相反方向进行，就成为卡诺逆循环。由于使用目的的不同，分为制冷逆循环和供热逆循环。对于制冷循环，工质从温度为T2的冷库吸热，放热给温度为T1的环境，不难导出卡诺逆循环的制冷系数1，c= T2 /（T1 - T2）（2-2）。对于热泵，则是从T2温度下的冷环境吸热，供给T1温度下的热用户，因此供热系数为2，c= T1 /（T1 - T2）（2-3）。从（2-2）（2-3）式可得下列结论。a. 逆卡诺循环的性能系数只取决于热源温度T1及冷源温度T2，它随T1的降低及T2的提高而增大。b. 逆卡诺循环的制冷系数1，c可以大于1，等于1或小于1，但其供热系数2，c总是大于1，二者之间的关系为2，c=1+1，cc. 在一般情况下，由于T2 >（T1 - T2），因此，逆卡诺循环的制冷系数1，c通常也大于1。d. 逆卡诺循环可以用来制冷，也可以用来供热，这两个目的可以单独实现，也可以在同一设备中交替实现，既冬季用来作为热泵采暖，夏季作为制冷机用于空调制冷。22 几种活塞式内燃机的理想循环我们再来讨论一下几种气体动力循环：气体动力循环是以远离液态区的气体为工质的热力循环。这里包括了活塞式内燃机动力循环，叶轮式燃气轮机装置动力循环，喷气推进机循环以及外燃式的斯特林循环。活塞式内燃机具有结构紧凑，体积小，重量轻，效率高等特点，但功率一般不大。而叶轮式燃气机装置则具有结构简单，体积小，重量轻，效率大，起动快等特点，是一种很有发展前途的热机。根据他们各自的特点，人们把它们应用于各种相应的场合。这里侧重于对他们进行热力学分析。在这里我们讨论活塞式内燃机的理想循环。221 混合加热循环 混合加热理想循环如图3-1所示。现行的柴油机都是在这种循环的基础上设计制造的。图 3-1 混合加热理想循环 图中1-2是工质的定熵绝热压缩过程，在活塞到达上死点稍前，柴油被喷入汽缸，并被压缩升温的空气预热。活塞到达上死点时，柴油已被预热到着火点并开始燃烧，汽缸内温度、压力迅速升高，形成一个定容加热过程2-3。随着燃料的不断喷入和燃烧的延续，活塞离开上死点下行，于是又出现一个定压加热过程3-4，随后喷油停止，燃烧停止，活塞靠燃气膨胀而继续向下移动作功，直到下死点(过程4-5)由于过程短可近似认为绝热，最后在定容过程中放热（5-1）。 下面研究混合加热循环的热效率。循环从高温热源吸收的热量q1为：q1=CV(T3-T2)+CP(T4-T3)向低温热源放出的热量q2为： q2=CV(T5-T1) (q2取绝对值)按照循环热效率公式有： 通常把气体动力循环热效率表示为一些特殊参数的函数。混和加热循环的特性参数有压缩比=V1/V2，定容增压比=P3/P2和预胀比=V4/V3。因为1-2与4-5是定熵过程，故有： P1V1k=P2V2k P4V4k=P5V5k 又 P4=P3，V1=V5，V2=V3，将上两式相除得： P5/P1=P4/P2*（V4/V2）k=P3/P2*（V4/V3）k=k 由于5-1是定容过程，故有： T5=P5*（T1/P1）=k T1因为1-2是定熵过程，有：T2=T1（V1/V2）k-1=T1k-12-3过程是定熵过程，有： T3=（P3/P2）T2=T2=T1k-13-4过程是定压过程，有： T4=（V4/V3）T3=T3=T1k-1把以上各温度代入式（3-1）得： 上式说明，混合加热循环热效率随压缩比、定容增压比的增大而提高，随预胀比的增大而降低。预胀比增大之所以导致循环热效率的降低，是因为愈在定压加热后期加入的热量，在膨胀过程中能够转换为功量的部分愈少。222 狄塞尔循环狄塞尔（Diesel）循环是理想的定压加热循环。这中内燃机以柴油作为燃料，所以又称为柴油机，定压加热理想循环是柴油机实际工作循环的理想化。其示功图如图3-2所示：图 3-2 狄塞尔循环 活塞自上死点向下移动，将空气吸入汽缸，为吸气过程。活塞从下死点返回，此时进气阀关闭，空气被绝热压缩到燃料的着火点以上，为压缩过程1-2。随着活塞反行时，由装在汽缸顶部的喷嘴将燃料喷入汽缸，燃料的微粒遇到高温空气着火燃烧。随着活塞的移动，燃料不断喷入不断燃烧，这一燃烧过程（2-3）的压力基本保持不变。燃料喷射停止后，燃烧随即结束，这时活塞靠高温高压燃烧产物的绝热膨胀而继续被推向右方作功，形成各种过程3-4。接着排气阀门打开，废气迅速排出，最后活塞反向移动，继续将废气排出汽缸，为排气过程，从而完成一个循环。 如图3-2所示，1-2是定熵绝热压缩过程，2-3是定压加热过程，3-4是定熵膨胀过程，4-1是定容放热过程。 工质的吸热量：q1=CP（T3-T2） 放热量：q2=CV（T4-T1） 循环热效率为： 定熵过程1-2：T1/T2=（V2/V1）k-1=1/k-1 （b） 定压过程2-3：T3/T2=V3/V2= （c） 由定容过程4-1可导得： T4/T1=（V3/V2）k=k （d） （V3/V2）=称为定压预胀比， 将（b），（c），（d）代入式（a）中，可得： 上式说明,循环热效率随压缩比的增大而提高,随预胀比的增大而降低.当压缩比不变时,预胀比愈小,既定压加热量q1愈小,热效率愈高;反之,热效率愈低.不变时,压缩比愈大,热效率愈高. 实际的柴油机在重负荷时(既q1增大时)循环热效率确要低些,除的影响外,还有绝热系数的影响.当温度升高时,相应地变小,t ,p也会降低。223 奥图循环奥图（Otto）循环是理想的定容加热循环，它是德国工程师奥图于1876年提出的。图 3-3奥图循环活塞由上死点向下移动时，将燃料和空气的混合物经过进气阀吸入汽缸中，活塞的这一行程叫做吸气冲程。吸气过程中，由于气阀的节流作用，使汽缸中压力略低于大气压力。活塞到达下死点时，进气阀关闭，进气停止。活塞随即反向移动，汽缸中的可燃气体被压缩升温，称为压缩过程（图中1-2）。当活塞接近上死点时，点火装置将可燃气体点燃，汽缸内瞬时间生成高温高压燃烧产物。因燃烧反应进行极快，在燃烧的瞬间活塞移动极小，可以认为工质是在定容下燃烧而升温升压（2-3）。活塞到达上死点后，工质膨胀，推动活塞作功（3-4），称为工作冲程。膨胀终了时，排气阀打开，废气开始排出。活塞从下死点返回时，继续将废气排出缸外，称为排气冲程。由于排气阀的阻力，所以排气压力略高于大气压力。这样就完成了一个实际工作循环。如图，工质首先被定熵压缩（过程1-2），接着从热源定容吸热（2-3），然后进行定熵膨胀作功（3-4），最后向冷源定容放热（4-1），完成一个可逆循环。 下面对定容加热循环进行定量分析以求出循环热效率： 吸热量为： q1=CV（T3-T2） 放热量为： q2=CV（T4-T1） 循环的热效率等于： 因为1-2，3-4都是定熵过程，可导出： T2/T1=（V1/V2）k-1， T3/T4=（V4/V3）k-1 而 V3=V2，V4=V1，故：T2/T1=T3/T4，或 T4/T1=T3/T2代入上式得： 式中，=V1/V2称为压缩比，是个大于1的数，表示工质在燃烧前被压缩的程度。 式（3-4）表明，奥图循环热效率将随压缩比增大而提高，随着负荷增加（既q1增加）循环热效率并不变化，因为q1增加不会使压缩比发生变化。但实际的汽油机，随着压缩比的增大，q1的增加，都会使加热过程终了时工质的温度上升，造成k值有所减小，这个因素将是热效率有所下降。224 斯特林循环 斯特林（stirling）循环是活塞式热气发动机的理想循环。它是一种外部加热的闭式循环，或称之为活塞式外燃机循环。 斯特林循环按正循环工作时，可以作为热机循环，对外作出功量；按逆向循环工作时，可以作为热泵循环。 斯特林循环由两个活塞汽缸，一个加热器，一个冷却器和一个回热器组成。两个活塞连在同一轴上，通过特殊的曲轴机构使它们的移动规律符合一定的要求。汽缸内充有一定量的工质（例如氢气，氦气，氮气等）由于两个活塞的相互移动，使工质在热气室和冷气室之间来回流动。循环由四个过程组成：定容吸热过程，定容吸热过程，定温膨胀过程，定容放热过程。如图（3-4）： 图 3-4 斯特林循环 由于循环是理想的，在定容吸热过程2-3中工质从回热器吸收的热量正好等于定容放热过程4-1放给回热器的热量。经过一个循环回热器恢复到原始状态。因此，斯特林循环是概括性卡诺循环，其热效率为同温限卡诺循环的热效率，既这正是斯特林循环的优越之处。 实际的斯特林循环发动机，由于存在种种不可逆因素，回热器效率也不可能达到百分之百，既吸收多少热量就能放出多少热量，再加上循环的最高温度受金属材料耐高温性能的限制，所以实际的热气发动机效率不可能达到很高而且也必然低于同温限卡诺循环的热效率。但现在有热效率超过50%的实际斯特林循环发动机。待添加的隐藏文字内容2225 含任意过程的循环 刚刚我们讨论的几种内燃机循环过程都是可以进行理想化的，而对于现实过程中的循环过程是任意的，那么我们又该如何处理这类问题呢。以下我们就来讨论一下。 要计算具有任意循环过程的热机的效率，由热机效率的定义我们要知道整个循环过程吸收的热量和放出的热量，这样我们就可以通过t =循环净功/从高温热源吸收的热量来计算具有任意循环过程的热机效率。通过P-V图，我们可以求出吸收的热量和放出的热量，关键是从P-V图上找出吸热与放热的临界点，也就dQ=0的点。对于绝热过程，系统与外界无热量传递，也就是说dQ=0。那么对于任意循环过程的曲线，我们只要知道它与某条绝热线的交点，就可以知道在交点的某一侧为dQ<0，另一侧则为dQ>0,既可知在哪段过程吸热，哪段过程放热。下面我们举一个例子来说明：图 3-5 任意过程 为了讨论简单和具体起见，设工作物质为理想气体，由图3-5可知，当过程沿AD1c1B进行时，曲线的斜率由点A处的+逐渐减小到点B的-。因此在由D1到B的这段曲线上必有斜率为某点c1存在。显然也是过点c1的绝热线ac1b在点c1处的斜率。故点c1是在AD1c1B过程中从吸热到放热的变换点。类似地可知，在BD2c2A的曲线上必有一点c2是BD2c2A过程从放热到吸热的变换点。因此在整个顺时针的循环过程中，从c2经A及D1到c1的这一段为吸热，从c1经B及D2到c2的这一段为放热。若分别设c2到A和A到c1段的吸热为Qc2A和QAc1，而设c1到B和B到c2段的放热为Qc1B和QBc2，则在循环中总的吸热Q=Qc2A+QAc1，总的放量Q2=Qc1B+QBc2，循环的效率为： 3结论31 活塞式内燃机各种理想循环的比较311 当具有相同的压缩比和吸热量的比较图4-1表示在上述条件下三中理想循环的比较.循环1-2-3-4-1是定容加热循环，循环1-2-3-4-1上定压加热循环，循环1-2-3“-4”-5“-1是混合加热循环。由于初始状态1相同，压缩比相同，所以三种循环的定熵压缩过程相同，同时定压放热过程都在过状态1的同一条定容线上。 图 4-1当具有相同的压缩比和吸热量时的T-S图已知吸热量q1相同，既 面积6-2-3-7-6=面积6-2-3-4-8-6=面积6-2-3-9-6从图4-1可见，三种循环的放热量不同，且哟 面积6-1-4-7-6<面积6-1-5-8-6<面积6-1-4-9-6也可表示为：q2,v<q2,m<q2,p既定容加热循环的放热量q2,v最小,定压加热循环的放热量q2,p最大,而混合加热循环的放热量q2,m居中。按照循环热效率当然公式：t=1-q2/q1则可得： t,v>t,m>t,p既定容加热循环的热效率t,v为最高,混合加热循环的t,m为其次,定压加热循环的t,p为最低。也可以用循环平均吸热温度和平均放热量温度进行比较，参看图4-1，同样可以得出这个结论。当压缩比不能采用较大数值时，定容加热循环是比较有利的。332 具有相同的最高压力和最高温度的比较图 4-2具有相同的最高压力和最高温度时的T-S图 这个比较实际上是热力强度和机械强度相同情况下的比较。图4-2表示了这种比较，1-2-3-4-1是定容加热循环，1-2-3-4-1上定压加热循环，1-2-3-3-4-1是混合加热循环。由于各理想循环初始状态1相同，所以定熵压缩过程和定容放热过程分别在过点1的同一条定熵线上和同一条定容线上，加上最高压力Pmax和最高温度Tmax确定的点3对各个循环也是相同的，因此3-4定熵膨胀过程线是相同的。因此从图4-2可见，三个理想循环的平均放热温度是相同的。既 而平均吸热温度则有如下关系 依据循环热效率可得 t,p>t,m>t,v既在相同的机械强度和热力强度下，定压加热循环的热效率t,p为最高,定压加热循环的t,v为最低,混合加热循环的t,m居中.这里可以看到采用高的压缩比使循环热效率得以提高.t,p最高就是例子.实际上很难控制循环的最高温度,但必须控制循环的最高温度,但必须控制循环的最高压力.因此控制最高压力和热负荷(q1)情况下的比较更加接近实际.333 各循环的最高压力和负荷q1 相同的比较 图 4-3各循环的最高压力和负荷q1 相同时的T-S图 如图4-3所示,1-2-3-4-0是定容加热循环,1-2-3-4-1是定压加热循环,1-2-3-4-5-1是混合加热循环.如同上述,过状态点1的各个循环的定熵压缩过程和定容放热过程都相应地在同一条定熵线上和同一条定容线上. 从图4-3不难看到,三种理想循环放热量之间存在如下的关系.q2,p<q2,m<q2,v考虑到它们的吸热量是相同的,既 q1,p=q1,m=q1,v依据循环热效率t=1-q1/q2,显然可得 t,p>t,m>t,v 这个结论表明,此时宜采用定压加热循环.前以提及,定压加热循环的内燃机要求良好的柴油雾化,通常需附带压气机,造成设备庞大笨重,已被淘汰.实用的是混合加热循环的高速柴油机.32 影响热机效率的因素其实，从式（3-1）（3-2）及（3-3）可知，影响循环热效率的主要因素是压缩比。可见，无论哪种内燃机循环，提高压缩比的值，总是可以提高循环热效率。答谢： 在写论文的过程中，*老师对我的论文进行了细心的指导和帮助。从她渊博的知识和对工作的热忱中我学习到了许多重要的东西。感谢陈老师对我的指导和帮助！参考文献：1 朱明善、陈力宏热力学分析M高等教育出版社19922 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