气体或蒸汽压缩循环课件

第3篇热力学典型工程应用

Typicalengineeringthermodynamics

第3篇热力学典型工程应用

Typicalengineer1本篇重点对典型热力循环（气体压缩循环、蒸汽动力循环、气体动力循环、制冷循环）、气体与蒸汽的可逆流动、热力学基本理论在化学过程的应用等与人们生产生活息息相关的热力学典型工程应用实例进行了阐述。本篇重点对典型热力循环（气体压缩循环、蒸汽动力循环、气体动力2Gasorvaporcompressioncycle第7章气体或蒸汽压缩循环

Gasorvaporcompressioncycle3压气机：用来压缩气体的设备。气体经压气机消耗机械能被压缩，压力升高，称为压缩气体。压缩气体用途：各种气动机械的动力、颗粒物料气力输送、大中型内燃机的高压空气启动，冶金炉鼓风、高压氧舱、制冷工程以及化学工业中对气体或蒸汽的压缩等。压气机：用来压缩气体的设备。4压气机的作用及分类工作原理及构造活塞式(往复式)离心式轴流式叶轮式压力范围通风机鼓风机压缩机引射式稳定流动压缩循环为开式循环压气机的作用及分类工作原理及构造活塞式(往复式)离心式轴流式57-1活塞式气体压缩循环

7-1活塞式气体压缩循环67.1.1单级活塞式气体压缩循环

7.1.1单级活塞式气体压缩循环7特点：流量小，增压比π(π

=p2／p1)大储气罐轴功AB三个阶段：吸气过程，压缩过程，排气过程理论压气过程：忽略余隙容积，可逆，无压力损失65（1）工作原理1.绝热压缩2.定温压缩3.多变压缩特点：流量小，增压比π(π=p2／p1)大储气罐轴功AB8(2)气体压缩循环的理论耗功

过程f-1,2-g：气体被吸入或排出气缸的质量迁移过程，热力状态不发生变化；1-2：闭口系统的压缩热力过程65压缩过程耗功ws：∫pdv压缩循环技术功wt：∫-vdp(2)气体压缩循环的理论耗功过程f-1,2-g：气体被吸9●特别快，来不及换热●特别慢，热全散走●实际压气过程

压缩过程分类sTn●特别快，来不及换热●特别慢，热全散走●实际压气过程压缩过10三种压气过程理论耗功的计算Wc.T

=-Wt

=△H-QTWc.n

=△H-QnWc.s=-Wt

=△H-Qs=H2.s-H1=H2.s-H2.T=Qj-2T-2s-n-j定压定温定压三种压气过程理论耗功的计算Wc.T=-Wt=△H-11三种压气过程的参数关系三种压气过程的参数关系12某单级活塞式压气机每小时吸入的空气量V1=140m3/h，吸入空气的状态参数是p1=0.1MPa、t1=27℃，输出空气的压力p2=0.6MPa。试按下列三种情况计算压气机所需要的理想功率（以kW表示）：①定温压缩；②绝热压缩（设κ=1.4）；③多变压缩（设n=1.2）。解:(1)定温压缩(2)绝热压缩(3)多变压缩某单级活塞式压气机每小时吸入的空气量V1=14013[解]①多变指数根据p1V1n=p2V2n，可得：

空气为p1=1bar，T1=323K，V1=0.1m3，按多变过程压缩至p2=8bar，V2=0.02m3。试求：①多变指数；②压气机消耗功；③压缩终点空气温度；④压缩过程中传出的热量。例题7.1[解]①多变指数空气为p1=1bar，T1=323K，V14②压气机的耗功=1.292(8×0.02-1×0.1)×105/(1.292-1)=26.548kJ③压缩终温根据p1V1n=p2V2n，可得：

②压气机的耗功15④压缩过程传热量根据题设可知空气质量m为：根据能量方程，有：=0.108×1.004(516.8-323)-26.548=-5.534kJ④压缩过程传热量167.1.2余隙容积对气体压缩循环的影响

7.1.2余隙容积对气体压缩循环的影响17为了运转平稳，避免活塞与进排气阀碰撞，留有空隙，称为余隙容积Vc压缩过程排气，状态未变残留气体膨胀进新气，状态未变余隙比：工程上一般＝0.03~0.0812233441V3V1V4Vp为了运转平稳，避免活塞与进排气阀碰撞，留有空隙，称为余隙容积18余隙容积影响活塞排量研究VC对排气量和Ws的影响新气量产气量有效吸气量V3V1V4余隙容积影响活塞排量研究VC对排气量和Ws的影响新气量有效19VC对产气量的影响容积效率V3V1V4π

=p2／p1增压比VC对产气量的影响容积效率V3V1V4π=p2／p1增压20VC对产气量的影响讨论：（1）p2/p1→，σ↑,ηv↓

（2）σ

和n→，p2/p1↑ηv↓,情况极限ηv=0。

容积效率VC对产气量的影响讨论：（1）p2/p1→，σ↑,ηv21VC对理论耗功的影响设12和43两过程n相同功＝面积12341＝面积12561－面积43564余隙对耗功不影响，但会影响容积效率。VC对理论耗功的影响设12和43两过程n相同功＝面积1222三台空气压缩机的余隙容积比均为6%，进气状态均为0.1MPa，27℃，出口压力为0.5MPa，但压缩过程的指数分别为：n1=1.4、n2=1.25、n3=1,试求各压气机的容积效率（假设膨胀过程的指数和压缩过程相同）。解：三台空气压缩机的余隙容积比均为6%，进气状态均为0.1MPa23某单级活塞式压气机，其增压比为7，活塞排量为0.009m3

，余隙比为0.06转速为750r/min(每分钟转数)，压缩过程多变指数为1.3。求（1）容积效率；（2）生产量（kg/h）；（3）理论消耗功率（kW）；（4）压缩过程中放出的热量。已知吸入空气参数为p1=0.1MPa，t1=20℃，cv=0.718kJ/(k·kg)。解：由题意Vh=0.009m3，π=7，σ=0.06，

n=1.3（1）容积效率（2）生产量某单级活塞式压气机，其增压比为7，活塞排量为0.009m324（3）（4）（3）（4）257.1.3气体多级压缩及级间冷却减小气体压缩过程中多变指数n：（1）水套冷却（2）多级压缩及级间冷却低压气缸等温线7.1.3气体多级压缩及级间冷却减小气体压缩过程中多变指数n26多级压缩及级间冷却装置多级压缩及级间冷却装置27两级压缩中间冷却分析存在最佳中间压力使两个气缸中所消耗的功的总和最小

省功两级压缩中间冷却分析存在最佳中间压力使两个气缸中所消耗的功的28最佳增压比的推导

省功最佳增压比的推导省功29最佳增压比的推导

省功欲求wc最小值→最有利中间压力最佳增压比的推导省功欲求wc最小值→最有利中间压力30最佳增压比的推导

省功ws最小值最佳增压比可证明若m级最佳增压比的推导省功ws最小值最佳增压比可证明31分级压缩的优点1润滑油要求t<160~180℃,高压压气机必须分级分级压缩的优点1润滑油要求t<160~180℃,高压压气机32分级压缩优点21.各级气缸的压缩终了最高温度相等(T2=T3)2.各级所消耗的压缩功相等(wc.1=wc.2)

省功z级压缩轴功：wc=zwc.1分级压缩优点21.各级气缸的压缩终了最高温度相等(T2=T3333.每级向外散出的热量相等，而且每级的中间冷却器向外散出的热量也相等。4.分级压缩对提高容积效率有利，在每一级中升压比缩小，其容积效率比不分级时大。评价指标:1.采取冷却措施：压气机的定温效率2.不采取冷却措施：绝热压缩效率3.每级向外散出的热量相等，而且每级的中间冷却器向外散出的热34一台两级压气机示功图如图

所示，若此压气机吸入空气的温度是t1=17℃，压力p1=0.1MPa，压气机将空气压缩到p3=2.5MPa。压气机的生产量为500m3/h（标准状态下），两个气缸中的压缩过程均按多变指数n=1.25进行。以压气机所需要的功量最小作为条件，试求：（1）空气在低压气缸中被压缩后所达到的压力p2；（2）压气机中气体被压缩后的最高温度t2

和t3；（3）设压气机转速为250rpm，每个气缸在每个进气冲程中吸入的空气体积V1

和V2;（4）每级压气机中每小时所消耗的功W1

和W2，以及压气所消耗的总功W；（5）空气在中间冷却器及两级气缸中放出的热量（kJ/h）。一台两级压气机示功图如图所示，若此压气机吸入空气的温度是t35（1）（2）压气机中空气被压缩后最高温度（3）每小时吸气量每转一圈吸入空气体积（1）（2）压气机中空气被压缩后最高温度（3）每小时吸气量36（4）压气机耗功（5）（4）压气机耗功（5）37例题7.2

实验室需要压力p2=6.0MPa的压缩空气，应采用一级压缩还是两级压缩？若采用两级压缩，最佳中间压力p应为多少？设大气压力p1=0.1MPa，大气温度T1=293K，n=1.25采用中冷器将压缩空气冷却到初温，求压缩终了空气的温度T2’。[解]采用一级压缩还是二级压缩，决定于压缩终温是否超过了规定值。如采用了一级压缩，则终了温度T2为：例题7.2

实验室需要压力p2=6.0MPa的压缩空气，应采38显然超过了润滑油允许温度，所以应采用两级压缩中间冷却。最佳中间压力p为：

两级压缩后的终温T2/则为：显然超过了润滑油允许温度，所以应采用两级压缩中间冷却。397.2叶轮式气体压缩循环

7.2叶轮式气体压缩循环

40叶轮式压气机简介

活塞式压气机优、缺点：缺点：单位时间内产气量小转速不高，间歇性吸气与排气，余隙容积的影响优点：转速高；连续吸，排气，运转平稳；没有余隙影响；排气量大缺点：每级压比不高；摩擦损耗大叶轮式式压气机特点：优点：压缩比高叶轮式压气机简介

活塞式压气机优、缺点：缺点：单位时间内产气41离心式压缩机Centrifugalcompressor轴流式压缩机axial-flowcompressor分类

螺旋桨压气机燃烧室气轮机蜗轮减速器离心式压缩机轴流式压缩机分类

螺旋桨压气机燃烧室气轮机蜗轮减42理想气体压缩实际过程和水蒸气的压缩实际过程

理论耗功实际耗功实际多耗功理想气体压缩实际过程和水蒸气的压缩实际过程理论耗功实际耗功437.3气体压缩效率

7.3气体压缩效率

44理想气体（比热容定值）的绝热内效率绝热内效率adiabatic

internal

efficiency气压机的定温效率为什么热力过程要接近定温压缩？理想气体（比热容定值）绝热内效率adiabatic

inte45例题7.3叶轮式压缩机，氮气进口参数为p1=97.2kPa，T1=473K，出口压力p2=311.11kPa，进口处氮气流量qv=113.3m3/min，绝热压缩效率cs=0.80，略去进出口动能差和位能差。已知氮气cp=1.038kJ/(kg∙K)，Rg=0.297kJ/(kg∙K)，k=1.4。求：①1min内压气机可逆绝热压缩的耗功量；②1min内实际耗功量；③1min内由于不可逆而多耗功wc；④若T0=290K，求1min内做功能力损失AL。例题7.3叶轮式压缩机，氮气进口参数为p1=97.2kPa46[解]①根据题设，可知压缩终温T2可表示为：氮气进口比容v1为：

则氮气进口质量流量为故1min内压气机可逆绝热压缩的耗功量Wcs为：②1min内实际耗功量Wcs/为：[解]①根据题设，可知压缩终温T2可表示为：氮气进口比容v47③1min内由于不可逆而多耗功wc：

wc=Wcs/-Wcs=18.973-15.178=3.795kJ④若T0=290K，求1min内做功能力损失AL为：

按绝热压缩效率定义，对于理想气体，实际压缩终温T2/为：故气体绝热压缩过程熵变ΔS12为：=126.6[1.038×ln(437.4/293)-0.297×ln(311.11/97.2)]=8.9099kJ/K1min内做功能力损失AL=T0×ΔSiso=T0×ΔS12=293×8.9099=2610.6kJ③1min内由于不可逆而多耗功wc：wc=Wcs/-48第7章气体或蒸汽压缩循环课件49单级活塞式压气机图储气罐轴功AB单级活塞式压气机图储气罐轴功AB50离心式风机的结构升压幅度小，结构简单。风机实体照片离心式风机的结构升压幅度小，结构简单。风机实体照片51大型离心式风机的结构大型离心式风机的结构52轴流式压气机的结构流量大，结构复杂。普遍使用在航空，轮船，化工轴流式压气机的结构流量大，结构复杂。53第3篇热力学典型工程应用

Typicalengineeringthermodynamics

第3篇热力学典型工程应用

Typicalengineer54本篇重点对典型热力循环（气体压缩循环、蒸汽动力循环、气体动力循环、制冷循环）、气体与蒸汽的可逆流动、热力学基本理论在化学过程的应用等与人们生产生活息息相关的热力学典型工程应用实例进行了阐述。本篇重点对典型热力循环（气体压缩循环、蒸汽动力循环、气体动力55Gasorvaporcompressioncycle第7章气体或蒸汽压缩循环

Gasorvaporcompressioncycle56压气机：用来压缩气体的设备。气体经压气机消耗机械能被压缩，压力升高，称为压缩气体。压缩气体用途：各种气动机械的动力、颗粒物料气力输送、大中型内燃机的高压空气启动，冶金炉鼓风、高压氧舱、制冷工程以及化学工业中对气体或蒸汽的压缩等。压气机：用来压缩气体的设备。57压气机的作用及分类工作原理及构造活塞式(往复式)离心式轴流式叶轮式压力范围通风机鼓风机压缩机引射式稳定流动压缩循环为开式循环压气机的作用及分类工作原理及构造活塞式(往复式)离心式轴流式587-1活塞式气体压缩循环

7-1活塞式气体压缩循环597.1.1单级活塞式气体压缩循环

7.1.1单级活塞式气体压缩循环60特点：流量小，增压比π(π

=p2／p1)大储气罐轴功AB三个阶段：吸气过程，压缩过程，排气过程理论压气过程：忽略余隙容积，可逆，无压力损失65（1）工作原理1.绝热压缩2.定温压缩3.多变压缩特点：流量小，增压比π(π=p2／p1)大储气罐轴功AB61(2)气体压缩循环的理论耗功

过程f-1,2-g：气体被吸入或排出气缸的质量迁移过程，热力状态不发生变化；1-2：闭口系统的压缩热力过程65压缩过程耗功ws：∫pdv压缩循环技术功wt：∫-vdp(2)气体压缩循环的理论耗功过程f-1,2-g：气体被吸62●特别快，来不及换热●特别慢，热全散走●实际压气过程

压缩过程分类sTn●特别快，来不及换热●特别慢，热全散走●实际压气过程压缩过63三种压气过程理论耗功的计算Wc.T

=-Wt

=△H-QTWc.n

=△H-QnWc.s=-Wt

=△H-Qs=H2.s-H1=H2.s-H2.T=Qj-2T-2s-n-j定压定温定压三种压气过程理论耗功的计算Wc.T=-Wt=△H-64三种压气过程的参数关系三种压气过程的参数关系65某单级活塞式压气机每小时吸入的空气量V1=140m3/h，吸入空气的状态参数是p1=0.1MPa、t1=27℃，输出空气的压力p2=0.6MPa。试按下列三种情况计算压气机所需要的理想功率（以kW表示）：①定温压缩；②绝热压缩（设κ=1.4）；③多变压缩（设n=1.2）。解:(1)定温压缩(2)绝热压缩(3)多变压缩某单级活塞式压气机每小时吸入的空气量V1=14066[解]①多变指数根据p1V1n=p2V2n，可得：

空气为p1=1bar，T1=323K，V1=0.1m3，按多变过程压缩至p2=8bar，V2=0.02m3。试求：①多变指数；②压气机消耗功；③压缩终点空气温度；④压缩过程中传出的热量。例题7.1[解]①多变指数空气为p1=1bar，T1=323K，V67②压气机的耗功=1.292(8×0.02-1×0.1)×105/(1.292-1)=26.548kJ③压缩终温根据p1V1n=p2V2n，可得：

②压气机的耗功68④压缩过程传热量根据题设可知空气质量m为：根据能量方程，有：=0.108×1.004(516.8-323)-26.548=-5.534kJ④压缩过程传热量697.1.2余隙容积对气体压缩循环的影响

7.1.2余隙容积对气体压缩循环的影响70为了运转平稳，避免活塞与进排气阀碰撞，留有空隙，称为余隙容积Vc压缩过程排气，状态未变残留气体膨胀进新气，状态未变余隙比：工程上一般＝0.03~0.0812233441V3V1V4Vp为了运转平稳，避免活塞与进排气阀碰撞，留有空隙，称为余隙容积71余隙容积影响活塞排量研究VC对排气量和Ws的影响新气量产气量有效吸气量V3V1V4余隙容积影响活塞排量研究VC对排气量和Ws的影响新气量有效72VC对产气量的影响容积效率V3V1V4π

=p2／p1增压比VC对产气量的影响容积效率V3V1V4π=p2／p1增压73VC对产气量的影响讨论：（1）p2/p1→，σ↑,ηv↓

（2）σ

和n→，p2/p1↑ηv↓,情况极限ηv=0。

容积效率VC对产气量的影响讨论：（1）p2/p1→，σ↑,ηv74VC对理论耗功的影响设12和43两过程n相同功＝面积12341＝面积12561－面积43564余隙对耗功不影响，但会影响容积效率。VC对理论耗功的影响设12和43两过程n相同功＝面积1275三台空气压缩机的余隙容积比均为6%，进气状态均为0.1MPa，27℃，出口压力为0.5MPa，但压缩过程的指数分别为：n1=1.4、n2=1.25、n3=1,试求各压气机的容积效率（假设膨胀过程的指数和压缩过程相同）。解：三台空气压缩机的余隙容积比均为6%，进气状态均为0.1MPa76某单级活塞式压气机，其增压比为7，活塞排量为0.009m3

，余隙比为0.06转速为750r/min(每分钟转数)，压缩过程多变指数为1.3。求（1）容积效率；（2）生产量（kg/h）；（3）理论消耗功率（kW）；（4）压缩过程中放出的热量。已知吸入空气参数为p1=0.1MPa，t1=20℃，cv=0.718kJ/(k·kg)。解：由题意Vh=0.009m3，π=7，σ=0.06，

n=1.3（1）容积效率（2）生产量某单级活塞式压气机，其增压比为7，活塞排量为0.009m377（3）（4）（3）（4）787.1.3气体多级压缩及级间冷却减小气体压缩过程中多变指数n：（1）水套冷却（2）多级压缩及级间冷却低压气缸等温线7.1.3气体多级压缩及级间冷却减小气体压缩过程中多变指数n79多级压缩及级间冷却装置多级压缩及级间冷却装置80两级压缩中间冷却分析存在最佳中间压力使两个气缸中所消耗的功的总和最小

省功两级压缩中间冷却分析存在最佳中间压力使两个气缸中所消耗的功的81最佳增压比的推导

省功最佳增压比的推导省功82最佳增压比的推导

省功欲求wc最小值→最有利中间压力最佳增压比的推导省功欲求wc最小值→最有利中间压力83最佳增压比的推导

省功ws最小值最佳增压比可证明若m级最佳增压比的推导省功ws最小值最佳增压比可证明84分级压缩的优点1润滑油要求t<160~180℃,高压压气机必须分级分级压缩的优点1润滑油要求t<160~180℃,高压压气机85分级压缩优点21.各级气缸的压缩终了最高温度相等(T2=T3)2.各级所消耗的压缩功相等(wc.1=wc.2)

省功z级压缩轴功：wc=zwc.1分级压缩优点21.各级气缸的压缩终了最高温度相等(T2=T3863.每级向外散出的热量相等，而且每级的中间冷却器向外散出的热量也相等。4.分级压缩对提高容积效率有利，在每一级中升压比缩小，其容积效率比不分级时大。评价指标:1.采取冷却措施：压气机的定温效率2.不采取冷却措施：绝热压缩效率3.每级向外散出的热量相等，而且每级的中间冷却器向外散出的热87一台两级压气机示功图如图

所示，若此压气机吸入空气的温度是t1=17℃，压力p1=0.1MPa，压气机将空气压缩到p3=2.5MPa。压气机的生产量为500m3/h（标准状态下），两个气缸中的压缩过程均按多变指数n=1.25进行。以压气机所需要的功量最小作为条件，试求：（1）空气在低压气缸中被压缩后所达到的压力p2；（2）压气机中气体被压缩后的最高温度t2

和t3；（3）设压气机转速为250rpm，每个气缸在每个进气冲程中吸入的空气体积V1

和V2;（4）每级压气机中每小时所消耗的功W1

和W2，以及压气所消耗的总功W；（5）空气在中间冷却器及两级气缸中放出的热量（kJ/h）。一台两级压气机示功图如图所示，若此压气机吸入空气的温度是t88（1）（2）压气机中空气被压缩后最高温度（3）每小时吸气量每转一圈吸入空气体积（1）（2）压气机中空气被压缩后最高温度（3）每小时吸气量89（4）压气机耗功（5）（4）压气机耗功（5）90例题7.2

实验室需要压力p2=6.0MPa的压缩空气，应采用一级压缩还是两级压缩？若采用两级压缩，最佳中间压力p应为多少？设大气压力p1=0.1MPa，大气温度T1=293K，n=1.25采用中冷器将压缩空气冷却到初温，求压缩终了空气的温度T2’。[解]采用一级压缩还是二级压缩，决定于压缩终温是否超过了规定值。如采用了一级压缩，则终了温度T2为：例题7.2

实验室需要压力p2=6.0MPa的压缩空气，应采91显然超过了润滑油允许温度，所以应采用两级压缩中间冷却。最佳中间压力p为：

两级压缩后的终温T2/则为：显然超过了润滑油允许温度，所以应采用两级压缩中间冷却。927.2叶轮式气体压缩循环

7.2叶轮式气体压缩循环

93叶轮式压气机简介

活塞式压气机优、缺点：缺点：单位时间内产气量小转速不高，间歇性吸气与排气，余隙容积的影响优点：转速高；连续吸，排气，运转平稳；没有余隙影响；排气量大缺点：每级压比不高；摩擦损耗大叶轮式式压气机特点：优点：压缩比高叶轮式压气机简介

活塞式压气机优、缺点：缺点：单位时间内产气94离心式压缩机Centrifugalcompressor轴流式压缩机axial-flowcompressor分类

螺旋桨压气