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1、第三章气体的热力过程及气体的压缩第1页，共38页，编辑于2022年，星期二第三章 气体的热力过程及气体的压缩气体的热力过程 活塞式压气机的压缩过程 活塞式压气机的余隙及其影响 多级压缩及中间冷却 第2页，共38页，编辑于2022年，星期二第一节 气体的基本热力过程目的：目的：揭示过程中工质状态参数的变化规律，以及该过程中热能与机械能之间的转换情况，进而找出影响它们转换的主要因素。方法：方法：讨论理想气体的可逆过程1.过程方程 p=f(v),一般写成 的形式。2.利用状态方程和过程方程推出初、终状态参数之间的关系式。3.在p-v图和T-s图上表示出该过程曲线。4.该过程热力学能、焓、熵的变化以及
2、功和热量。第3页，共38页，编辑于2022年，星期二第一节 气体的基本热力过程一、一、定容过程定容过程1过程方程2.初、终状态参数关系3p-v图及T-s图pv122Ts212曲线斜率第4页，共38页，编辑于2022年，星期二第一节 气体的基本热力过程根据熵的定义 ,积分得 4、能量转换定容过程因容积不变，所以无功量交换，工质与外界交换的热量等于其内能的变化量，即第5页，共38页，编辑于2022年，星期二第一节 气体的基本热力过程二、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pv122Ts212曲线斜率第6页，共38页，编辑于2022年，星期二第一节 气体的基本热力过程4、熵
3、的变化量5功量与热量 第7页，共38页，编辑于2022年，星期二三、三、定温过程定温过程1过程方程2初、终状态参数关系3p-v图及T-s图pv122654312234Ts曲线斜率第8页，共38页，编辑于2022年，星期二第一节 气体的基本热力过程4 定温过程中熵的变化量 由 积分得5 定温过程中的功量和热量 第9页，共38页，编辑于2022年，星期二第一节 气体的基本热力过程四、四、绝热过程绝热过程 1、状态参数的变化规律、状态参数的变化规律 由于绝热过程中由于绝热过程中q0，而，而且又是理想气体的可逆过程，所以，第一定律解析式qdupdv 可改写为第10页，共38页，编辑于2022年，星期二
4、第一节 气体的基本热力过程将 代入上市后，得令 代入上式后，得 ，积分后得 于是有 K为绝热指数，其数值随气体的种类和温度而变。对于空气和燃气，第11页，共38页，编辑于2022年，星期二第一节 气体的基本热力过程2初、终状态参数关系第12页，共38页，编辑于2022年，星期二第一节 气体的基本热力过程3 绝热过程中的熵和功在绝热过程中，系统与外界无热量交换，所以，熵的变化量等于零。由第一定律解析式知，绝热过程中，系统与外界交换的功量为 ，即把 代入 中，得于是得第13页，共38页，编辑于2022年，星期二第二节 气体的多变热力过程一、状态参数的变化规律 n=时，v=常数，为定容过程 n=0时
5、，p=常数，为定压过程 n=1时，pv=常数，为定温过程；n=k时，为绝热过程二、二、初、终状态参数间的关系：初、终状态参数间的关系：称为多变指数第14页，共38页，编辑于2022年，星期二第15页，共38页，编辑于2022年，星期二第二节 气体的多变热力过程三、多变过程中的熵 对于理想气体和可逆过程，在多变过程中，热力学第一定律可表述为 积分得 熵是温度和压力的函数，对于理想混合气体，各组元气体的熵si是温度T与组元气体分压力pi 的函数,若混合气体在微元热力过程中成分保持不变，把式 第16页，共38页，编辑于2022年，星期二第二节 气体的多变热力过程代入上式后则可得到各组成气体的熵的变化
6、量计算式 1 kg 混合气体的熵变化则为 注有下标i的参数符号均为第 i 种组元的参数，未注下标的为混合气体的参数。第17页，共38页，编辑于2022年，星期二第二节 气体的多变热力过程四、多变过程中的功量和热量 功量：热量：令 称为多变过程比热容，于是得第18页，共38页，编辑于2022年，星期二第二节 气体的多变热力过程把 及 代入 得五、在 p-v图、T-s图上绘制过程线 1定容过程线（n)定容过程线在p-v 图上为垂线（图(a)中的 线）；定容过程线在 T-s图上为一向上方弯曲的对数曲线（图(b）中的 线）。图中的0-1 线表示定容加热过程；线表示定容放热过程。第19页，共38页，编辑
7、于2022年，星期二第20页，共38页，编辑于2022年，星期二第二节 气体的多变热力过程由于定容过程功量为零，所以，定容过程线是功量出、入的界线。凡是在定容线右侧的过程均为膨胀过程，功为正（w 0）；凡是在定容线左侧的过程均为压缩过程，功为负（w 0）。2 定压过程线（n0)定压过程线在 p-v 图上为一水平线(图(a)中的 线)；在 T-s图上仍为一向上弯曲的对数曲线(图(b)中的 线)。由于，在同一温度变化条件下，定压过程的熵变要比定容过程大，所以，在 T-s图上定压过程线比定容过程线平坦些。图中0-2 线表示定压加热过程，0-2线表示定压放热过程。第21页，共38页，编辑于2022年，
8、星期二第二节 气体的多变热力过程3 定温过程线（n1）根据定温过程方程式 pv常数，定温过程线在 p-v 图上为一等边双曲线(图(a)中的 3-3 线)；在T-s图上为一水平线(图(b)中的 3-3线)。图中0-3 线表示定温加热过程，0-3线表示定温放热过程。4 绝热过程线（n=k）根据绝热过程方程式。绝热过程在p-v 图上为一高次双曲线，它比定温线陡一些(图(a)中的 4-4线)；绝热过程线中的熵变为零，所以，绝热过程线在 T-s图上为一垂线(图(b)中的 4-4线)。图中0-4线表示绝热膨胀过程，0-4线表示绝热压缩过程。第22页，共38页，编辑于2022年，星期二第二节 气体的多变热力
9、过程5多变过程线 多变过程的多变指数可在0到范围内变化，但多变指数为某一确定的值时，过程的特性也就确定了。而实际过程往往十分复杂，各种耗散效应、放热、散热特性都要影响多变指数。为了解析实际过程，如果n 的变化范围不大，则可用一个不变的平均的近似值来代替；如果 n 的变化范围很大，则可将实际过程分为多段，近似地认为各段的n值不变。这样就可在多变过程曲线图上，得到对应相应 n 值的过程线。第23页，共38页，编辑于2022年，星期二第二节 气体的多变热力过程在 p-v 图上，多变过程线的斜率随多变指数 n 的增大而增加，而在T-s图上，从n=0的过程线开始，n 的代数值沿顺时针方向增大。工程上许多
10、实际过程的多变指数常在1和k之间，其过程线在定温线和绝热线之间。第24页，共38页，编辑于2022年，星期二第三节 活塞式压气机的压缩过程一、单级活塞式压气机的工作原理 结构简图结构简图空气进口空气进口排入空气瓶中排入空气瓶中第25页，共38页，编辑于2022年，星期二第三节 活塞式压气机的压缩过程工作过程工作过程1、吸气过程4-12、压缩过程1-23、排气过程2-34、余隙容积内压缩空气的膨胀过程3-4图中图中2-32-3和和4-14-1不是状态变化，不是状态变化，而是表示气缸内气体质量的而是表示气缸内气体质量的变化。变化。第26页，共38页，编辑于2022年，星期二第三节 活塞式压气机的压
11、缩过程二、活塞式压气机的压缩过程分析 三种压缩过程1-2s 绝热过程1-2T 定温过程1-2n 多变过程第27页，共38页，编辑于2022年，星期二第三节 活塞式压气机的压缩过程压缩过程所耗的轴功 对于理想气体可逆压缩过程，1kg工质所需的功可表示为：绝热过程 多变过程 第28页，共38页，编辑于2022年，星期二第三节 活塞式压气机的压缩过程定温过程 对压缩机而言，示功图对压缩机而言，示功图 p-V 图所包围的面积表示压缩机的耗图所包围的面积表示压缩机的耗功，从功，从 p-V图可以看出图可以看出定温压缩耗功最少定温压缩耗功最少，而，而绝热压缩所消绝热压缩所消耗的机械功最大。耗的机械功最大。因
12、此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而因此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而且保证润滑条件。且保证润滑条件。第29页，共38页，编辑于2022年，星期二第四节 活塞式压气机的余隙及其影响活塞式压气机为了安装进、排气阀门，也为了运转平稳，避免活塞与气缸端盖发生撞击，当活塞处于上死点时，活塞端面与气缸端盖之间必须留有一定间隙，这一间隙称为余隙余隙，它所具有的容积、称为余隙容积余隙容积。余隙容积在数量上用余隙百分比c表示。第30页，共38页，编辑于2022年，星期二第四节 活塞式压气机的余隙及其影响一、余隙对排气量的影响 有效吸气体积：有效吸气体积：V1-V4气缸工作体积：气缸工作体积：V1-V3
13、容积效率：容积效率：有效吸气体积与气缸工作体积之比。第31页，共38页，编辑于2022年，星期二第四节 活塞式压气机的余隙及其影响第32页，共38页，编辑于2022年，星期二第四节 活塞式压气机的余隙及其影响称为压缩机的增压比相同的余隙容积，增压比对容积效率的影响1）V吸，v，当增加到某一数值时，V吸=0，v=0。2）当 ，p2 ，压缩终温t2，为保证润滑，要求 t2 160C，7。3）对于压力较高的情况，一般采用双级压缩和中间冷却。第33页，共38页，编辑于2022年，星期二第四节 活塞式压气机的余隙及其影响二、余隙对压气机耗功的影响 有余隙时的理论压缩轴功为 无论压气机是否存在余隙容积，压
14、缩 1kg 气体达到相同的增压比时所耗的轴功相同，即余隙的存在对压缩余隙的存在对压缩等量气体所耗的理论轴功并无影响等量气体所耗的理论轴功并无影响。第34页，共38页，编辑于2022年，星期二第五节 多级压缩及中间冷却多级压缩及中间冷却的意义：降低气缸的工作温度，有利于润滑油的工作。一、两级压气机工作过程第35页，共38页，编辑于2022年，星期二第五节 多级压缩及中间冷却多级压缩中间冷却的优点：1、降低了排气温度 2、节省了功的消耗二、级间压力的确定二、级间压力的确定多级压缩中间冷却的轴功：第36页，共38页，编辑于2022年，星期二第五节 多级压缩及中间冷却当 时，轴功量最小，此时对于多及压缩第37页，共38页，编辑于2022年，星期二第五节 多级压缩及中间冷却多级压缩中间冷却的特点：1、各级气缸的排气温度相等 2、各级压缩的轴功相等 3、每级向外的散热量相等 4、分级压缩对提高容积效率有利 第38页，共38页，编辑于2022年，星期二