工程热力学课件第4章.ppt

第4章理想气体的热力过程及气体压缩 主要内容 分析热力过程的目的及一般方法绝热过程多变过程的综合分析压气机的理论压缩轴功活塞式压气机的余隙影响多级压缩及中间冷却 4 1分析热力过程的目的及一般方法 研究热力过程的目的及一般方法 热能机械能通过工质的吸热 膨胀 放热 压缩等一些热力状态变化过程实现的 研究目的 揭示各种过程中工质状态参的变化规律及能量转化情况 进一步找出影响转化的主要因素 研究方法 讨论理想气体的可逆过程 根据过程方程式和状态方程式 找出不同状态时状态参数间的关系式 这样就可以由已知初态参数确定终态参数 在P v图 T s图上画出过程曲线 直观了解过程的特点 确定工质初 终态比热力学能 u 比焓 h 比熵 s的变化量 过程方程 一般写成的形式 研究热力学过程的依据 2 可逆过程 1 第一定律 3 理想气体 变比容 定比容 基本热力过程是多变过程的特例 理想气体的多变过程的过程方程 即状态参数在过程中的变化规律 n 常数多变过程 4 2基本热力过程 一 定容过程 1 过程方程 2 初 终状态参数关系 3 p v图及T s图 曲线斜率 4 能量转换 1 过程功 2 热量 定容线向右水平移动时 比容增大 二 定压过程 1 过程方程 2 初 终状态参数关系 3 p v图及T s图 曲线斜率 在T s图上 同一温度下定容线比定压线要陡 4 能量转换 1 过程功 2 热量 定压线向左水平移动 压力增加 三 定温过程 1 过程方程 2 初 终状态参数关系 3 p v图及T s图 曲线斜率 4 能量转换 1 过程功 2 热量 四 定熵过程 可逆绝热过程 1 过程方程 2 初 终状态参数关系 3 p v图及T s图 p v 1 2 2 6 5 4 3 曲线斜率 在P v图上 定熵线比定温线陡 4 能量转换 1 过程功 2 热量 4 3多变过程的综合分析 多变过程 1 过程方程 分别为定容 定压 定温 绝热过程 称为多变指数 2 初 终状态参数间的关系 注意 多变过程方程式与定熵过程方程式的形式相同 因此在分析多变过程时 初 终态参数关系及功的计算 只需要用n代替k即可 3 功和热量 多变指数为n的多变过程 技术功是体积功的n倍 多变比热容 理想气体热力过程的图示综合分析 定容线 右侧 体积功为正 左侧 体积功为负 定温线 上方 温度增加 下方 温度降低 定熵线 右侧 吸热 左侧 放热 三条分界线 已知某一膨胀过程的n值为1 n k 判断w u q的符号 w 0 u0 p v T s图练习 1 s T v p 压缩 升温 放热的过程 终态在哪个区域 p v T s图练习 2 s T v p 膨胀 降温 放热的过程 终态在哪个区域 如图 某种理想气体有两任意过程a b和a c 已知b c在同一可逆绝热线上 试问 uab和 uac哪个大 解 方法一 过b c分别作等温线 方法二 考虑过程b c 例 封闭气缸中气体初态p1 8MPa t1 1300 经过可逆多变膨胀过程变化到终态p2 0 4MPa t2 400 已知该气体的气体常数R 0 287kJ kg K 试判断气体在该过程中各是放热还是吸热的 比热容为常数 cV 0 716kJ kg K 解 1到2是可逆多变过程 根据理想气体状态方程式有 所以多变指数 多变过程膨胀功和热量 故是吸热过程 例 汽缸与活塞间封闭有1kg空气 经历一多变压缩过程 消耗压缩功300kJ 气体的比体积缩小为原来的1 7 5 压力增加到原来的9 3倍 已知该气体的k 1 4和cv 0 716kJ kg K 试按定比热容计算过程的多变指数 气体被压缩的终温 气体热力学能和熵的变化量 以及过程中气体与外界交换的热量 解 1 计算多变指数 2 计算终温 多变过程膨胀功 1 2 联立得 3 计算气体热力学能和熵的变化量 4 计算气体与外界的热交换量 4 4压气机的理论压缩轴功 压气机是生产压缩气体的设备 它不是动力机 而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工作机 分类 活塞式 压力高 排气量小 叶轮式 压力低 排气量大 按压力高低 通风机 115kPa 鼓风机 115 350kPa 压气机 350kPa 按工作原理 特殊引射式压缩器 收缩器 静叶片 动叶片 扩压器 轴流式压气机结构示意图 机壳 转子 止推轴承 支撑轴承 联轴器 轴端密封 进口导向叶片 扩压管 离心式压气机结构示意图 进气室 进气口 叶轮 蜗壳 出气口 出口扩压器 主轴 出口扩压器 喷管 混合室 扩压管 高压工作流体 被引射流体 引射式压缩器 引射器 一 单级活塞式压气机工作原理 空气过滤器 进气阀 气缸 活塞 散热片 排气阀 单级活塞式压气机结构示意图 p V a p V a p V a p V a p V a 1 p V a 1 a 1 气体引入气缸 p V a 1 同14 a 1 气体引入气缸 p V a 1 a 1 气体引入气缸 p V a 1 2 a 1 气体引入气缸 p V a 1 2 1 2 气体被压缩 a 1 气体引入气缸 p V a 1 2 1 2 气体被压缩 a 1 气体引入气缸 p V a 1 2 1 2 气体被压缩 a 1 气体引入气缸 p V a 1 2 1 2 气体被压缩 a 1 气体引入气缸 p V a 1 2 2 b 气体流出气缸 b 1 2 气体被压缩 a 1 气体引入气缸 V 1 2 a b p V V2 p2 0 a 1 气体引入气缸 1 2 气体在气缸内进行压缩 2 b 气体流出气缸 输向储气筒 a 1和2 b过程不是热力过程 只是气体的移动过程 气体状态不发生变化 缸内气体的数量发生变化 二 压气机的理论耗功量 a 1 吸气 传输流动功p1V1 2 b 排气 传输流动功p2V2 压气机耗功 1 2 压缩 耗外功 可见压气机耗功以技术功计 压气过程有两个极限的情况 即绝热压缩和等温压缩 若压缩过程进行得很快 那么就接近于绝热压缩过程 如果压缩过程进行得较慢 且气缸壁得到良好的冷却 就接近于等温压缩过程 实际压缩过程是处于等温与绝热之间的多变压缩过程 二 压气机的理论耗功量 定温 定熵 多变压缩消耗理论功的比较 p V T s 1 2S 2T 1 2n p2 p1 2S 2T 2n a b p2 p1 j m n 注 a 理想压缩是等温压缩 b 通常为多变压缩 1 n k 单级活塞式压气机 n 1 2 1 3 1 可逆绝热压缩 三种压缩过程耗功量 1kg工质 3 可逆定温压缩 2 可逆多变压缩 称为升压比 4 5活塞式压气机的余隙影响 由于余隙容积的存在 活塞就不可能将高压气体全部排出 排气终了时仍有一部分高压气体残留在余隙容积内 因此 活塞在下一个吸气行程中 必须首先将余隙容积中残留的高压气体膨胀到进气压力p1 才能从外界吸入气体 一 余隙容积 当活塞运动到上死点位置时 活塞顶面与气缸盖间留有一定的空隙 为余隙容积V3 产生原因 布置进 排气结构 制造公差 部件热膨胀 V V V Vh V V3 V4 V3 V3 1 2 n n 4 3 5 0 p 有余隙的活塞式压气机的工作过程 Vh V 二 余隙对排气量的影响 显然 有效的吸气容积小于活塞排量 降低了活塞排量的利用率 它用两者的比值容积效率 v表示 所以上式可写成 由于 余隙与活塞排量的比值 称为余隙比 用c表示 升压比 用 表示 余隙比c和多变指数n一定时 升压比 越大 则容积效率 V越低 且当 增加到一定值时 容积效率 V为零 升压比 一定时 余隙比c越大 容积效率 V越低 三 余隙对理论耗功量的影响 有余隙时的理论压气轴功 实际吸入的气体容积 用V表示 可见 有余隙容积后 如果增压比 相同 理论上所消耗的功与无余隙容积时相同 若生产1kg的压缩气体 则 m是压气机生产的压缩气体的质量 四 升压比 对容积效率 V的影响 在相同的余隙比c时 提高升压比 将减小容积效率 因此当需要获得较高压力时 必须采用多级压缩 而当升压比 一定时 余隙比c加大 也将使容积效率降低 总之 有余隙容积时 虽然理论压气功不变 但进气量减少 气缸容积不能充分利用 当压缩同量气体时 必须采用气缸较大的机器 而且这一有害的余隙影响还随升压比的增大而增加 所以应该尽量减小余隙容积 既然余隙容积具有不利影响 是否可能完全消除它 思考 不能 由于制造公差及为避免活塞因热膨胀而与气缸盖膨胀 同时为了安装进气阀和排气阀等部件 余隙容积是不可避免的 4 6多级压缩及中间冷却 省功 减少压缩过程的多变指数 避免单级压缩因升压比太高而影响容积效率 作用 多级压缩 级间冷却压气机装置系统图 低压缸 中间冷却器 高压缸 冷却水 一 两级压缩 中间冷却压气机 3T 3n 3 p3 p2 p1 p 2 1 v s 1 3 3s 2 T 多级压缩级间冷却的压气机热力过程在p V图和T s图上的表示 p1 p2 p3 3T 3s 3n 5 6 4 二 两级压缩 中间冷却分析 耗功量 设两级压缩的多变指数相同 且 最佳升压比 同理 对于z级压缩 级间冷却 1 按 选择各级中间压力 优点 a 各级耗功相等 有利于曲轴平衡 b 各缸终温相同 小于不如此分配时 各缸终温中最高者 有利于润滑油工作及使可靠性增加 c 各级散热相同 各中冷器散热相等 设计原则与特点 d 各缸按比例缩小 对提高整机容积效率 v有利 三 压气机的定温效率 活塞式压气机无论是单级或多级压缩都应尽可能采用冷却措施 力求接近定温过程 工程上采用压气机的定温效率来作为活塞式压气机性能优劣的指标 可逆定温压缩所消耗的功 实际压缩过程所消耗的功 对于压缩时不采取冷却措施的实际压气机 压缩过程可以认为是绝热的 而理想的绝热压缩过程为可逆绝热压缩过程 即定熵过程 所以常用绝热压缩效率来表示 四 压气机的绝热效率 定熵压缩轴功 实际绝热压缩轴功 1 2s p1 p2 s T 2 忽略被压缩气体进出口的动能和位能的变化 压气机的理论耗功 对于理想气体 压气机的绝热效率 压气机的实际耗功 例1压气机若已实现等温压缩 是否还有必要进行分级压缩 中间冷却 为什么 答 需要 虽然实现等温压缩后耗功最小 但若升压比过大 V仍很小 分级后有助于提高 V 如图 若以p1 0 1MPa p2 2 5MPac 0 04计算 单级压缩 二级压缩 例2活塞式压气机把0 1MPa 298k的空气加压到2 5MPa 试分别按单级压缩和二级压缩 中间冷却 计算压气机容积效率及各缸终温 二级压缩时 分别按中间压力为0 2MPa和最佳升压比计算 已知 解 单级压缩 二级压缩 中间冷却 例3 判断A B哪组仪表测量的参数是正确的 并说明理由 压气机的实际耗功 kJ kg 理想情况下压气机的耗功 kJ kg 该压气机的效率 解 判断正确的测量参数 T s 1 2 由如图所示的理论与实际压缩过程 可知实际压缩终态的温度大于理论压缩终态的温度 由 计算出各理论出口温度 然后与测