1、4.6熱機(jī) 4.6.1蒸汽機(jī)與熱機(jī)(一)蒸汽機(jī) 圖所示為簡單的活塞式蒸汽機(jī)的流程圖。蒸汽機(jī)中，工作物質(zhì)水在每一次循環(huán)中都把向高溫?zé)嵩次盏臒崃恐械囊徊糠钟糜跉飧讓ν庾鞴?，其余的能量則以熱量方式向低溫?zé)嵩瘁尫?。一個熱機(jī)至少應(yīng)包括如下三個組成部分:(1)循環(huán)工作物質(zhì)；(2)兩個以上的溫度不相同的熱源，工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰?，向低溫?zé)嵩捶艧幔?3)對外作功的機(jī)械裝置。 (二)熱機(jī)循環(huán)熱機(jī)是工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次鼰崾怪D(zhuǎn)化為有用功的機(jī)械。但工作物質(zhì)從高溫?zé)嵩次臒岵荒苋哭D(zhuǎn)化為對外作的有用功，因?yàn)樗€要向外放出一部分熱，這是由循環(huán)過程的特點(diǎn)決定的。 所謂循環(huán)過程是指系統(tǒng)( 即工作物質(zhì) )從初態(tài)出發(fā)經(jīng)歷一

2、系列的中間狀態(tài)最后回到原來狀態(tài)的過程。圖表示理想氣體一任意準(zhǔn)靜態(tài)熱機(jī)循環(huán)?？梢?，任何熱機(jī)不可能僅吸熱而不放熱，也不可能只與一個熱源相接觸。循環(huán)過程的凈功就是 p - V 圖上循環(huán)曲線所圍的面積。 p V 圖上順時針循環(huán)，系統(tǒng)對外作凈功，這是熱機(jī)。 逆時針的循環(huán)中外界對系統(tǒng)作凈功，是制冷機(jī)或熱泵。(三)熱機(jī)效率的定義 既然不可能把從高溫?zé)嵩次臒崃咳哭D(zhuǎn)化為有用功，人們關(guān)心燃料燃燒產(chǎn)生的熱中，或熱機(jī)從高溫?zé)嵩次臒嶂?，有多少能量轉(zhuǎn)化為功。 前者是總的熱效率的問題，后者是熱機(jī)效率的問題。熱機(jī)效率熱定義為 熱 = W /Q 1 其中W 為熱機(jī)輸出凈功的數(shù)值, Q 1為熱機(jī)從高溫?zé)嵩次〉目偀崃俊Ｓ捎?/p>

3、U = 0，則由第一定律可得 若系統(tǒng)不止與兩個熱源相接觸，則 設(shè)系統(tǒng)向低溫?zé)嵩捶诺目偀崃繛?.6.2卡諾熱機(jī)法國工程師卡諾對蒸汽機(jī)作熱力學(xué)研究時，對蒸汽機(jī)所作的簡化、抽象十分徹底。整個循環(huán)由兩個可逆等溫過程及兩個可逆絕熱過程組成，如圖所示.這樣的熱機(jī)稱為卡諾熱機(jī)。工作物質(zhì)從 T 1 熱源吸熱 Q1 ，向T2 熱源放熱 Q2 ，向外輸出功W ?？ㄖZ熱機(jī)工作物質(zhì)不一定是理想氣體，可以是其他任何物質(zhì)。現(xiàn)在研究以理想氣體為工作物質(zhì)的卡諾循環(huán)的效率。 2-3 為絕熱膨脹過程。設(shè)氣體的比熱容比為， T1V2-1 = T2V3-1 3-4等溫壓縮過程中放熱 1-2等溫膨脹過程中吸熱 可逆卡諾熱機(jī)效率公式非常

4、簡單，它與工作物質(zhì)是何種氣體無關(guān)，也與 V1 /V2 或 V3 /V4 無關(guān)，僅與高溫?zé)嵩礈囟扰c低溫?zé)嵩吹臏囟扔嘘P(guān)。 要提高卡諾熱機(jī)效率應(yīng)盡量提高高溫?zé)嵩礈囟然虮M量降低低溫?zé)嵩礈囟??？傻每ㄖZ熱機(jī)效率為 而低溫?zé)嵩醋畹蜏囟瘸Ｊ鞘覝鼗蚪?、河、地下水的水溫?提高熱機(jī)效率的主要途徑是升高高溫?zé)嵩礈囟?。蒸汽機(jī)中加上一過熱器，使?jié)裾羝優(yōu)楦烧羝?，不僅利于它在絕熱膨脹降溫后不會有水冷凝出 而且這樣能有效升高蒸汽壓強(qiáng)，以便升高蒸汽溫度。目前30萬kW 汽輪機(jī)的蒸汽壓強(qiáng)在 20 Mpa以上，蒸汽溫度400 以上，這種蒸汽稱為亞臨界狀態(tài)的蒸汽，其排氣溫度約 200，熱機(jī)效率為 35-40%。特大型 60萬 kW

5、 的汽輪機(jī)的高溫蒸汽處于超臨界狀態(tài)，其效率將更高?，F(xiàn)在還有超大型的 100萬 kW 的汽輪機(jī).4.6.3內(nèi)燃機(jī)循環(huán) 將燃料燃燒過程移到汽缸內(nèi)部的熱機(jī)稱為內(nèi)燃機(jī)由于內(nèi)燃機(jī)把燃燒移到氣缸內(nèi)部，與蒸汽機(jī)相比較可明顯升高高溫?zé)嵩礈囟?，因而效率將高于蒸汽機(jī)。內(nèi)燃機(jī)主要有奧托循環(huán)與狄塞爾循環(huán)兩種形式。(一)定體加熱循環(huán)(奧托循環(huán))德國工程師奧托(Otto,)1876年仿效卡諾循環(huán)設(shè)計(jì)使用氣體燃料的火花塞點(diǎn)火式四沖程內(nèi)燃機(jī)。所使用的工作物質(zhì)主要是天然氣及汽油蒸汽，這種內(nèi)燃機(jī)也稱為汽油機(jī)。所謂“火花塞點(diǎn)火式”是指:汽油機(jī)從汽缸內(nèi)吸進(jìn)的是來自氣化器的汽油蒸汽和空氣組成的混合氣體.按照節(jié)能要求,汽油蒸汽和空氣應(yīng)該

6、成合適比例.活塞運(yùn)動到氣缸內(nèi)最高點(diǎn)時,氣缸撞擊火花塞,使得火花塞點(diǎn)火導(dǎo)致氣體爆發(fā),系統(tǒng)等體吸收燃燒熱.所謂“四沖程”是指:活塞在氣缸內(nèi)要往復(fù)運(yùn)動2個來回才組成1個循環(huán). 在( 2 3 )等體吸熱 Q1 .( 4 1 )等體放熱 Q2 。設(shè)氣體定體摩爾熱容為CV.m ，則 因?yàn)? 1 2 )和( 3 4 )是絕熱過程，由TV-1 = 常數(shù)可以得到 其中 K = V1/V2 稱絕熱容積壓縮比?？梢?K 越大，效率越高。但過大的 K 將引起所謂爆震現(xiàn)象，對機(jī)件保養(yǎng)不利。一般認(rèn)為，汽油機(jī)的 K 不能大于10。假設(shè)K = 7，算得奧托循環(huán)的效率為 = 55 %實(shí)際的汽油機(jī)其效率低于此數(shù), 一般最高僅40% 多左右。 (二)定壓加熱循環(huán)(狄塞爾循環(huán))德國工程師狄塞爾(Diesel)于1892年提出了壓縮點(diǎn)火式內(nèi)燃機(jī)的原始設(shè)計(jì)。所謂壓縮點(diǎn)火式就是使燃料氣體在氣缸中被壓縮到它的溫度超過它自己的點(diǎn)火溫度(例如，氣缸中氣體溫度可升高到 600到700，而柴油燃點(diǎn)為 335)。.然后通過油咀向氣缸內(nèi)噴柴油,柴油發(fā)揮為燃料氣體,它在氣缸中一面燃燒，一面推動活塞對外作功。1897年最早制成了以煤油為燃料的內(nèi)燃機(jī)，以后改用柴油為燃料，這就是我們通常所稱的柴油機(jī)。簡化循環(huán)稱為狄塞爾循環(huán)也稱為定壓加熱循環(huán)最后可