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1、 第第 四四 章章 理想气体的热力过程及气体压缩理想气体的热力过程及气体压缩 第一节第一节 分析热力过程的目的和方法分析热力过程的目的和方法一、分析热力过程的目的和任务一、分析热力过程的目的和任务工程上实施热力过程的主要工程上实施热力过程的主要目的目的：完成一定的能量转换；完成一定的能量转换；使工质达到一定的热力状态；使工质达到一定的热力状态；具体地说，就是力求通过具体地说，就是力求通过有利的外部条件有利的外部条件，合理安排，合理安排热力过程，达到热力过程，达到提高提高热能和机械能热能和机械能转换效率转换效率的目的。的目的。研究热力过程的基本任务任务：根据过程进行的条件，揭示揭示状态变化规律与
2、能量传递之间的关系，从而计算计算热力过程中工质状态参数的变化及传递的能量、热量和功量。二、热力过程中工质参数变化值的计算二、热力过程中工质参数变化值的计算1.初、终状态基本参数（p、v、T）的计算，依据：（1）pv=RT 及（2）过程方程式过程方程式 p=f(v)2.过程中理想气体内能、焓和熵变化值变化值的计算：焓焓变化内能内能变化 由熵熵的定义式得将 q=du+pdv=cVdT+pdv 代入上式，得由pv=RT 并取cV为定值得 将 q=dh-vdp=cpdT-vdp代入式得由pv=RT 并取cp为定值得 将式代入下面任一s计算式利用式 cp-cV=R整理后可得 三、热力过程中能量传递的计算
3、三、热力过程中能量传递的计算 四、分析热力过程的一般步骤四、分析热力过程的一般步骤1)确定确定过程方程过程方程-该过程中参数变化关系该过程中参数变化关系2)根据根据已知已知参数及参数及过程方程过程方程求求未知未知参数参数3)用用T-s 与与 p-v 图表示图表示4)求求5)计算计算w,wt,q 第二节第二节 绝热过程绝热过程绝热绝热可逆可逆说明说明:不能不能说说绝热绝热过程就是过程就是等熵等熵过程过程,必须是必须是可逆绝热可逆绝热过程才是过程才是等熵等熵过程。过程。一、绝热过程的过程方程式一、绝热过程的过程方程式三个条件三个条件:(1)理想气体理想气体 (2)可逆过程可逆过程 (3)k 为常数
4、为常数当当理想气体理想气体 二、过程初、终状态之间的关系二、过程初、终状态之间的关系 三、过程在三、过程在p-v,T-s图上的表示图上的表示sTvp 四、绝热过程的能量转换四、绝热过程的能量转换 内能变化内能变化焓变化焓变化熵变化熵变化 状态参数的变化与过程无关状态参数的变化与过程无关 膨胀功膨胀功 w技术功技术功 wt热量热量 q 第三节第三节 多变过程的综合分析多变过程的综合分析一、多变过程方程及多变比热容一、多变过程方程及多变比热容过程方程过程方程n是常量，称为多变指数，是常量，称为多变指数，每一过程有一每一过程有一 n 值值n=ks（表示定熵定熵过程）多多变变指指数数p=常数，表示定压
5、定压过程pv=常数，表示定温定温过程pvk=常数，表示定熵定熵过程v=常数，表示定容定容过程由由得 多变过程的功量及多变比热多变过程的功量及多变比热多变过程比热容多变过程比热容当1n0 u0 h在在p-v,T-s图上的图上的变化趋势变化趋势sTvphT=u0 u0 h0 h0 w在在p-v,T-s图上的图上的变化趋势变化趋势sTvp u0 u0 h0 h0w0w0 wt在在p-v,T-s图上的图上的变化趋势变化趋势sTvp u0 u0 h0 h0w0w0wt0wt0 q在在p-v,T-s图上的图上的变化趋势变化趋势sTvp u0 u0 h0 h0w0w0wt0wt0q0Tq0 u,h,w,wt
6、,q在在p-v,T-s图上的图上的变化趋变化趋势势sTvp u0 u0 h0 h0w0w0wt0wt0q0u,h(T)w(v)wt(p)q(s)q0 p-v,T-s图图练习（练习（1）sTvp压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？p-v,T-s图图练习（练习（2）sTvp膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？p-v,T-s图图练习（练习（3）sTvp膨胀降压、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？膨胀降压、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？q在在 p-v 图上确定图上确定T 增大及增大及 s 增大方向增大方向 q在
7、在 T-s 图上确定图上确定 p 增大及增大及 v 增大方向增大方向利用特殊过程的特性，如利用特殊过程的特性，如利用过程的能量关系，如利用过程的能量关系，如p-v,T-s图图练习练习 看【例41】【例42】【例43】【表41】第四节第四节 压气机的理论压缩轴功压气机的理论压缩轴功压气机压气机的作用的作用生活中：自行车打气。生活中：自行车打气。工业上：锅炉鼓风、出口引风、炼钢、工业上：锅炉鼓风、出口引风、炼钢、燃气轮机、制冷空调等等燃气轮机、制冷空调等等型式型式结构结构活塞式活塞式(往复式往复式)离心式离心式轴流式轴流式叶轮式叶轮式压压力力范范围围通风机通风机 p115kPa鼓风机鼓风机 115
8、p350kPa回转容积式回转容积式引射式引射式 一、单级活塞式压气机工作原理一、单级活塞式压气机工作原理余隙容积：余隙容积：活塞的左死点位置与气缸头之间的间隙。单级活塞式压气机的工作过程分三个阶段：吸气过程吸气过程：当活塞自左死点向右移动时，进气阀开启，排气阀关闭，初态为p1、T1的气体被吸入气缸。活塞到达右死点时进气阀关闭，吸气过程完毕。气缸自缸外被吸入缸内的整个吸气过程中p1、T1没有没有变化变化，但质量不断增加质量不断增加。压缩过程压缩过程：进、排气阀均关闭，活塞在外力的推动下自右死点向左运动，缸内气体被压缩升压。在压缩过在压缩过程中质量不变，压力及温度程中质量不变，压力及温度p1、T1
9、由变为由变为p2、T2。排气过程排气过程：活塞左行到某一位置时，气体压力升高到预定压力p2，排气阀被顶开，活塞继续左行，把压缩气体排至储气罐或输气管道，直至左死点，排气完毕。排气过程中气体的热力状态排气过程中气体的热力状态p2、T2没有变化没有变化。理论压气过程理论压气过程：不考虑余隙容积的影响；压缩过程可逆；不考虑进、排气阀阻力损失；排气压力与外界压力相等；升压比升压比（或压力比压力比）压缩过程中，气体终压p2与初压p1的比值。二、单级活塞式压气机理论压气轴功的计算二、单级活塞式压气机理论压气轴功的计算0-1：吸气，传输推动功p1V1 1-2：压缩，耗外功2-3：排气，传输推动功p2V2压气
10、机耗功压气机耗功：WC=Wt=Ws=压气机所耗轴功取决于压缩过压气机所耗轴功取决于压缩过程的初、终状态和压缩过程的程的初、终状态和压缩过程的性质。性质。对压缩过程对压缩过程1-2存在两种极端情存在两种极端情况，一是定熵，二是定温。况，一是定熵，二是定温。实际压气机都采用冷却措施，实际压气机都采用冷却措施，压缩过程为介于定温与定熵之压缩过程为介于定温与定熵之间的多变过程。间的多变过程。三种压气过程的参数关系三种压气过程的参数关系 三种压气过程功的计算三种压气过程功的计算最小最小 重要启示重要启示 对 pVn=常数求导得到-Vdp=npdV轴功等于多变指数n乘以膨胀功【例4-4】第五节第五节 活塞
11、式压气机的余隙影响活塞式压气机的余隙影响活塞排量活塞排量研究研究V3对对耗功耗功和和排气量排气量的影响的影响有效吸气容积有效吸气容积余隙百分比c：一、余隙对排气量的影响一、余隙对排气量的影响定义定义容积效率容积效率余隙比余隙比c工程上一般工程上一般0.030.08 23424如左图，当余隙容积如左图，当余隙容积V3一定时，一定时，升压比越大，有效吸气量越小，升压比越大，有效吸气量越小，容积效率越小。容积效率越小。极限情况极限情况V=0压力比越大越不利，当需要压力比越大越不利，当需要获得较高压力时，获得较高压力时，必须采用必须采用多级压缩多级压缩二、余隙对理论压气轴功的影响二、余隙对理论压气轴功
12、的影响设设12和和43两过程两过程n相同相同功面积功面积12341面积面积12561面积面积43564余隙对理论压气轴功的影响余隙对理论压气轴功的影响余隙对单位产气余隙对单位产气量耗功不影响量耗功不影响p1V=mRT1 余隙对理论压气轴功的影响余隙对理论压气轴功的影响余隙对单位质量耗功无影响，但是，有余隙时，余隙对单位质量耗功无影响，但是，有余隙时，进气量减小，气缸容积不能充分利用，当压缩进气量减小，气缸容积不能充分利用，当压缩同量气体时，需采用气缸较大的压气机。同量气体时，需采用气缸较大的压气机。这一有害影响随压力比的增大而增大。这一有害影响随压力比的增大而增大。应尽量减小余隙容积。应尽量减
13、小余隙容积。第六节 多级压缩及中间冷却多级压缩及中间冷却气体压缩终了温度过高将影响气缸润滑油的性能，并气体压缩终了温度过高将影响气缸润滑油的性能，并可能造成运行事故。可能造成运行事故。各种气体的压气机对压缩终各种气体的压气机对压缩终了温度都有限定的数值。了温度都有限定的数值。空压机的排气温度一般不允空压机的排气温度一般不允许超过许超过160180。一、多级活塞式压气机的工作过程一、多级活塞式压气机的工作过程降低了排气温度降低了排气温度节节省省了了功功的的消消耗耗 二、级间压力的确定二、级间压力的确定设设T2=T1，则，则p1V1=p2V2，代入上式整理得，代入上式整理得 二、级间压力的确定二、
14、级间压力的确定由上式可见，由上式可见，Ws随随p2而变化而变化要求要求Ws为最小时的为最小时的p2值，可求极值点。值，可求极值点。令令dWs/dp2=0可得可得 二、级间压力的确定二、级间压力的确定依此类推，对依此类推，对z级压缩级压缩 b）各级耗功相等，利于曲轴平衡各级耗功相等，利于曲轴平衡,总耗总耗功功 a）各级气缸终温相同各级气缸终温相同 c）各级散热相同，而且每级的中间冷却器向外放各级散热相同，而且每级的中间冷却器向外放出的热量也相等出的热量也相等按选择各级中间压力，优点有：d）对提高整机容积效率对提高整机容积效率 v有利有利 三、三、压气机的效率气机的效率绝热压缩效率绝热压缩效率定温压缩效率定温压缩效率压缩前气体的状态相同，压压缩前气体的状态相同，压缩后气体的压力相同缩后气体的压力相同【例例4-5】Ts122p1p2 小小 结结q压气机压气机(理论轴功、余隙容积、容积效率、理论轴功、余隙容积、容积效率、级间压力）级间压力）q多变过程在多变过程在p-v图、图、T-s图上的表示图上的表示及其综合分析及其综合分析（会计算状态参数变化，焓、熵、内能的变化，（会计算状态参数变化，焓、熵、内能的变化，以及过程中各种功量和热量）以及过程中各种功量和热量）第四章作业第四章作业 第第4-9、4-10、4-15题题q表表4-1