《气体的热力过程》PPT课件.ppt

理想气体的热力过程及气体的压缩,第四章,系统与外界进行能量传递，必须要通过工质的热力过程来实现，没有热力过程就不能进行能量交换。,1）完成能量交换,2）使气体达到一定的状态,一、研究热力过程的目的,工程上实施热力过程有两个目的,第一节 四个典型的热力过程,二、研究热力过程所需的基本知识,1.热力学第一定律（能量方程）,2.理想气体状态方程,3.热量q、内能du 、 焓dh、膨胀功w、技术功wt、熵 ds的计算公式,q、u、h、w、wt的计算都已学过，唯独熵没有学过，下面介绍用基本状态参数求熵变化的计算公式,三、用p,v,t求s的公式导出,可逆时能量方程为,得,由,得,所以,（1）,由PV=RT得,代人（1）得,由PV=RT得,代人（1）得,（3）,（2）,1）理想气体，定值比热 2）可逆与不可逆（尽管过程中用到可逆的条件，但因焓是状态参数）,适用条件：,结论,四、分析热力过程应掌握的内容,1.热力过程的特点,2.过程方程（即初始状态参数遵守的方程）,3.过程中系统与外界交换能量的计算,4.热力过程在P-v图，T-S图上的表达,特点 v=const 或v1=v2,能量分析,五.四种典型热力过程分析（定容，定压，定温，等熵）,1.定容过程,过程方程,（定容过程系统的吸热量用于提高其内能）,在p-v图上很直观,在图上的表示,为在T-S图上分析，将,故定容过程在T-S图上应如下图所示,2.定压过程,能量交换,特点,过程方程,（定压过程系统的吸热量用于提高其焓）,在图上的表达,在P-V图上表达直观,在T-S图上要分析曲线的特征,分析判断,例1 在T-S图上等P线与等V线有何区别,等压过程斜率,等容过程斜率,因为,所以,因此，在T-S图上，等容线比等压线陡,掌握判断过程，记住结论,例2 在T-S图上判断两条等压线压力值的大小,分析：在T-S图上任给两等压线p1、p2，作等温线1-2。对于1-2过程有：,例3 在T-S图上判断两条等容线比容值的大小,掌握判断过程，记住结论,分析：在T-S图上任给两等容线v1、v2，作等温线1-2。对于1-2过程有：,3.定温过程,特点 T=C或,过程方程,能量变化,表达,在P-V图上 pv=c,即等轴双曲线,s,T,p,v,在T-S图上更加直观,注：可利用状态方程判断等值线的大小,在P-v图上，曲线的斜率为：,4.等熵过程,由能量方程,知等熵时,即,又,首先应导出等熵过程方程,即,特点 ,过程方程,分析过程,由上式及状态方程可得到以下方程,能量方程,由技术功的定义式积分可得,可见, p-v,T-S图上表示,在p-v图上，为分析曲线的形状，首先分析曲线的斜率,T-S图上 很直观，,可见：等熵过程的斜率为等温过程的K倍，显然等熵过程线比等温线更陡，如图,而等温过程的斜率为,作业 思考题中4-2，4-3 证明 在等S过程中有,四个典型过程只是实际过程的一些理想模型， 而实际热力过程可用最一般的过程方程即多变过程来表示，即,一、多变过程与四个典型过程的关系,n=0,n=1,定温过程,n=k,等熵过程,n-多变指数,等容过程,定压过程,p = c,n=,第二节 多变过程,变形,即,时,因为,所以,二、多变过程指数n的确定（即平均多变指数n的确定）,由,因此，只要测出某过程前后的p,v。即可求得多变过程的平均多变指数。,如将过程取得足够短，平均n就很接近实际值,三、多变比热cn与定容比热cv的关系,四、多变过程在p-v、T-s图上的表达及能量分析,1.任给一热力过程时如何分析过程中能量的变化？,分析此问题，必须具备以下知识：,四个典型热力过程在P-V、T-S图上的位置、方向。,四个典型热力过程在P-V、T-S图上等值线的变化趋势。,各种量的计算公式。,本部分应掌握的内容：,3.给定任一多变过程时，能量的增减情况。,4.根据要求在P-V、T-S图上绘出热力过程及热力循环。,1.四个典型热力过程在P-V、T-S图上的位置、方向。,2.四个典型热力过程在P-V、T-S图上等值线的变化趋势。,五、多变过程传递的能量,练习题,二、某热力循环依次经历以下五个热力过程完成循环。1）定容吸热；定压吸热；定温放热；定熵膨胀；定温吸热。将此热力循环绘制在示热图示功图上。,三、某热力循环依次经历以下五个热力过程完成循环。1）定熵压缩；定容吸热；定压吸热；定熵膨胀；定容放热。将此热力循环绘制在示热图示功图上。,一、将满足下列要求的多变过程表示在绘制在示功图上。 1）工质生压、升温、放热； 2）工质膨胀、降温、放热； 3）n=1.6的膨胀过程，并判断热量、膨胀功、以及内能的正负。 4） n=1.3的压缩过程，并判断热量、膨胀功、以及内能的正负。,作业 ：思考题 4-5，4-3 习题 4-1，4-2，4-8,第三节 压气机的理论压缩功轴,一压缩空气的作用及压气机的原理,制冷工程,分类,活塞式 压比高，流量小,叶轮式 轴流式 压比小，流量大,回转式,作用：,气动机械的动力,1.单级活塞式压气机的理论压缩过程,1-2压缩过程,2-3排气过程,4-1吸气过程,2.几个概念,理论压缩过程（理论循环） 在无余隙，压缩过程可逆的情况下，压气过程称理论压气过程,压缩比,二理论压缩轴功wc,1.定义：在理论压气循环中，将1kg气体自p1压缩到p2，并维持流动所消耗的轴功。,可见， wc为正时表示消耗外界的功，显然:WC=-Wt,如果压气机的流量为m，则压缩过程理论上要输入的功率为,2.理论压缩轴功的分类,1) 等温压缩轴功wc.T,物理模型: 汽缸冷却效果很好，压缩过程的热量全部由冷却水带走,2)等熵压缩轴功wc.s,3)多变压缩轴功wc.n,（分两种情况1k 无水套）,各种压缩轴功见下图,n1.4,n1.4,从图上可以看出,三、活塞压气机的余隙对性能的影响,引言 理论压缩过程中，活塞与汽缸左止点不存在间隙，而在实际的压气机中，为避免活塞与汽缸盖的碰撞，活塞端面与汽缸盖之间必须留有一定的间隙，这便形成余隙容积，而这个余隙的大小通常用余隙百分比c表示，如图,四个术语：,余隙容积,活塞排量,余隙百分比,有效吸气量,1.余隙对排气量的影响,由于存在余隙，因此当活塞左行至左止点时，就不能将气体完全排除，因此当活塞右行之初就不能将新气吸入，而只有当行至缸内压力等于或低于进气压力时才能吸入气体。这样一次吸气能吸入的气体量就是V1-V4，而非V1-V3。将两者的比值称为容积效率v,V1-V4-有效吸气量,V1-V3-活塞排量,v -容积效率,由v的定义式知,显然,由于,所以,当v=0时，表明压气机不能吸入气体,此时称谓极限压比,假如： 、 。,令,得,即当压机,时，就不能吸入气体,这一极限压比的过渡情况，也可用P-V图来说明,从图上看，随着压比的增大,将减小,当终压升至p时，2与3重合，1与4重合。此时，V1-V4=0。即v=0。表明此时已不能吸入新气,3.余隙对理论压缩轴功的影响,在如图所示的循环中 假如1-2与3-4有相同的多变指数n,则1-2过程耗功为,3-4过程回收的功为（或4-3过程消耗的功）,循环一周净耗功为,为吸入的气体的容积,故,则压送1kg气体时的耗功为,表明：余隙存在不影响单位压缩轴功，但影响流量。,四、多级压缩与中间冷却,从P-V图上看，欲将气体从p1压至p3 。如采用一级压缩，排气状态点为3。如两级压缩，即先升至2状态，之后进行定压冷却至2 （即与进口同温），之后再压至3，同样可得到p3。但有两个显著优点：,1.引言,缺点，设备造价高,级间压比的确定原则：在总升压一定的条件下，如用多级压缩，各级之间的压力取多大才能使整机的耗功最小。,降低排气温度（ 3变为 3），可使润滑保持良好状态。,减少耗功（耗功耗功减少量可用面积2 3 3 2表示）。,显然，级越多，耗功越少，但设备造价越高。通常为二到三级，高压压气机可至四至六级。级间压比810,2.级间压力的确定,参照上图，如采用两级压缩，则总压缩轴功为,由于 p2=p2 , T1=T2,上式变为,为求wcn的最小值，应满足,由此得,上式为两级压缩时，确定中间压力的方程。,对于多级压缩，将上式改写为：,表明两级压比相等。,即,并且有,用类比的方法， 对于n级压缩有,3.按压比确定级间压力带来的优势,各级所消耗的功相等,在进口温度相等时，各级出口温度相等,各级向外散热就相等,4.两种效率,作业 4-10、4-13、4-16，4-18,等温效率（带冷套）,绝热效率（不带冷套）,例1 已知：P1=0.1MPa , P2=12.5 MPa, n=1.25,t1=20。求生产1kg压缩空气所需的轴功及排气温度。,解 1.确定级数,如果用两级，则,不行,采用三级，则,可以,2.此时终温,3.消耗功,4. 如采用单级压缩,1）终温,2）耗功,3）多耗功,可见，采用三级压缩可以减少30%的功,证明1：压缩过程1-2消耗的功可以用12345围成的面积表示。,证明2：压缩过程1-3消耗的功可以用1345围成的面积表示。,练习题,总结,一、四个典型热力过程在p-v图t-s图上的位置，及等值线增大或减少的方向,三、焓变的计算公式的推导及使用条件，判断等值线的增减方式。,的推导,二、四个典型过程的方程，,五、活塞压气机的原理，及理论压缩轴功的计算,四、多变过程与典型过程的关系，多变过程的绘制，多变比热的定义,1.降低排气温度,七、多级压缩中间冷却,4.按中间压比方式确定压比带来的方便,3.中间压比的确定方式,n=1 n=k 及在P-V,T-S图上的表示 1k,余隙，容积效率，活塞排量的概念,六、几种压缩轴功对应的物理模型,2.减少单位功耗,例1 有一密闭刚性容器用隔板将其分为A、B两部分，均充有空气，已知VA=2.5m3，pA=0.686Mpa，tA=80；VB=1m3，pB=0.98Mpa，tB=30；现抽去隔板使两部分混合。若混合过程中容器向外散热41.9kJ。设此比热容为定制比热，求混合后空气的温度和压力。,解,例2：一活塞汽缸装置，中间有一个完全透热的刚性隔板将其分为A、B两腔，隔板静止不动，汽缸壁和两端的活塞都是绝热的。A腔中有1kg初温为25、初压为0.1MPa的空气,B腔中有2kg初温为25、初压为0.2MPa的空气。现缓慢压缩B腔的空气，使A腔的空气向大气作等压膨胀，试