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1、工程热力学第五章气体的流动和压缩第1页，本讲稿共38页5-1 5-1 一元稳定流动的基本方程一元稳定流动的基本方程o一元流动的定义一元流动的定义n流动的一切参数仅沿一个方向（可以是弯曲流流动的一切参数仅沿一个方向（可以是弯曲流道的轴线）有显著变化，而在其他两个方向上道的轴线）有显著变化，而在其他两个方向上的变化极小。的变化极小。o连续方程连续方程qv体积流量：单位时间流过截面的体积体积流量：单位时间流过截面的体积qm质量流量：单位时间流过截面的质量质量流量：单位时间流过截面的质量第2页，本讲稿共38页5-1 5-1 一元稳定流动的基本方程一元稳定流动的基本方程o能量方程能量方程喷管、扩压管流动
2、：喷管、扩压管流动：无轴功、绝热、无轴功、绝热、无重力位能变化无重力位能变化上式适用于任何工质的绝热稳定流动过程上式适用于任何工质的绝热稳定流动过程第3页，本讲稿共38页5-1 5-1 一元稳定流动的基本方程一元稳定流动的基本方程o动量方程动量方程在流体中沿流动方向取一微元柱体，牛顿第二定律：在流体中沿流动方向取一微元柱体，牛顿第二定律：若不考虑粘性力（摩擦力）若不考虑粘性力（摩擦力）第4页，本讲稿共38页5-1 5-1 一元稳定流动的基本方程一元稳定流动的基本方程o其他相关方程其他相关方程状态方程状态方程:F（p,v,T）=0过程方程（定熵过程）：过程方程（定熵过程）：pv=常数常数为定熵指
3、数，为定熵指数，0为理想气体定熵指数为理想气体定熵指数音速方程：音速方程：第5页，本讲稿共38页5-1 5-1 一元稳定流动的基本方程一元稳定流动的基本方程o其他相关方程其他相关方程马赫数是气体在某截面处的流速与该处音速之比马赫数是气体在某截面处的流速与该处音速之比根据根据Ma的大小，流动可分为三类的大小，流动可分为三类亚音速流动音速流动超音速流动第6页，本讲稿共38页5-2 5-2 喷管中气流参数变化喷管中气流参数变化和喷管截面变化的关系和喷管截面变化的关系o什么是喷管什么是喷管n用于增加气体或蒸气流速的变截面短管用于增加气体或蒸气流速的变截面短管o喷管中的流动过程喷管中的流动过程n流速很快
4、，过程很短，近似流速很快，过程很短，近似绝热绝热喷管第7页，本讲稿共38页5-2 5-2 喷管中气流参数变化喷管中气流参数变化和喷管截面变化的关系和喷管截面变化的关系 对于喷管而言，增加气体流速是其主要目的对于喷管而言，增加气体流速是其主要目的。当当Ma0，必须使，必须使dA1时，时，要使要使dc0,则应则应dA0(渐扩喷管渐扩喷管)当当Ma从小于从小于1增加到大于增加到大于1，要使，要使dc0 从从dA0(缩放喷管，拉伐尔喷管缩放喷管，拉伐尔喷管)第8页，本讲稿共38页5-2 5-2 喷管中气流参数变化喷管中气流参数变化和喷管截面变化的关系和喷管截面变化的关系o音速与临界流速o喷管内，音速不
5、断减小，流速不断增大，二者相等时的流速称为临界流速，此位置后喷管需从渐缩转为渐扩才能保持流速继续增大，此位置称为喉部。第9页，本讲稿共38页5-3 5-3 气体流经喷管的流速和流量气体流经喷管的流速和流量o滞止参数（*）：气体流速为0时的各种参数o绝热过程流速o无摩擦绝热过程第10页，本讲稿共38页5-3 5-3 气体流经喷管的流速和流量气体流经喷管的流速和流量o临界压力比n临界截面上的气体压力pc与滞止压力p*之比称为临界压力比，用c表示o临界流速第11页，本讲稿共38页5-3 5-3 气体流经喷管的流速和流量气体流经喷管的流速和流量o流量第12页，本讲稿共38页5-3 5-3 气体流经喷管
6、的流速和流量气体流经喷管的流速和流量o最大流量第13页，本讲稿共38页5-4 5-4 压气机的压气过程压气机的压气过程o压气机n用来压缩气体n最常见的是用来压缩空气，即空气压缩机n原理：消耗功，并使气体从较低的压力升到较高的压力第14页，本讲稿共38页工作原理工作原理压头高低压头高低鼓风机表压0.10.3MPa活塞式压头高，流量小，间隙生产叶轮式压头低，流量大，连续生产通风机表压0.01MPa以下压气机表压0.3MPa以上压气机分类：（容积型）（速度型）第15页，本讲稿共38页单级活塞式压气机的压气过程单级活塞式压气机的压气过程p工作原理工作原理0-1：吸气，传输推动功p1v11-2：压缩，耗
7、外功2-3：排气，传输推动功p2v2第16页，本讲稿共38页注意注意：压气机生产量通常用单位时间里生产气体的标准压气机生产量通常用单位时间里生产气体的标准立方米表示，不同于进气或排气状态立方米表示，不同于进气或排气状态。压气机耗功：第17页，本讲稿共38页表示在活塞式压气机的理想工作过程中，当气缸容积变化时缸内气体压力变化的曲线。图中的0-1和2-3过程，仅是将处于一定热力状态的气体吸入或排出气缸的机械输送过程，只有12压缩过程才是热力过程。pv”图(示功图)第18页，本讲稿共38页压缩过程的热力学分析压缩过程的热力学分析pvp22T2n2s1p12T2n2sp2p11Tsjmn一种为过程进行
8、得极快一种为过程进行得极快,视为绝热过程；视为绝热过程；一种为散热良好一种为散热良好,视为定温过程；视为定温过程；实际压缩过程在这两者之间实际压缩过程在这两者之间第19页，本讲稿共38页二二.理论耗功理论耗功所以wC取决于初、终态及过程特征第20页，本讲稿共38页2.2.等温压缩等温压缩3.3.多变压缩多变压缩1.1.绝热压缩绝热压缩第21页，本讲稿共38页讨论：讨论：理想压缩是 等温压缩b）通常为多变压缩,a）1n第22页，本讲稿共38页压气机所需功:wc=-wt绝热压缩绝热压缩:wc=h任何工质任何工质,可逆不可逆可逆不可逆=Cp,0(T2-T1)理想气体理想气体,可逆不可逆可逆不可逆=0
9、/(0-1)(p2v2-p1v1)理想气体理想气体,可逆绝热可逆绝热=0/(0-1)p1v1(p2/p1)(0-1)/0-1同上同上=0/(0-1)RgT1(p2/p1)(0-1)/0-1同上同上多变过程多变过程,将上式中将上式中0换成换成n即可即可定温压缩定温压缩:wcT=h-q任何工质任何工质,可逆不可逆可逆不可逆=-Rg(v2/v1)=RgT(p2/p1)理想气体可逆理想气体可逆第23页，本讲稿共38页余隙容积的影响余隙容积的影响余隙容积余隙容积clearanceclearancevolumevolumeV V是实际进入气是实际进入气缸的气体容积缸的气体容积,称为气缸的称为气缸的有效有效
10、容积容积V第24页，本讲稿共38页产生原因布置进、排气结构制造公差部件热膨胀当活塞运行到上止点位置时当活塞运行到上止点位置时,为使进、排气阀开启时不与活塞顶部撞为使进、排气阀开启时不与活塞顶部撞击击,在活塞顶点与气缸盖之间留有一定得空隙在活塞顶点与气缸盖之间留有一定得空隙,这一空隙称为这一空隙称为余余隙容积隙容积第25页，本讲稿共38页几个名词：余隙容积余隙容积V Vc c（=V V3 3）气缸工作容积气缸工作容积(活塞排量活塞排量)V Vh(=h(=V V1 1V V3)3)有效吸气容积有效吸气容积V Ve e（=V V1 1V V4 4）容积效率容积效率v=Ve/Vhv=Ve/Vh余隙比余
11、隙比=V Vc/c/V Vh h第26页，本讲稿共38页余隙容积对生产量的影响余隙容积对生产量的影响讨论：Vc，VeVm生产量生产量第27页，本讲稿共38页余隙对理论耗功无影响（实际上还是使耗功增大）。余隙对理论耗功无影响（实际上还是使耗功增大）。归纳：归纳：余隙存在使余隙存在使2 2）实际耗功增大）实际耗功增大有害容积有害容积1 1）生产量下降）生产量下降第28页，本讲稿共38页多级活塞式压气机的压气过程采用分级压缩，级间冷却：压缩过程中随p升高，T升高；v 下降第29页，本讲稿共38页多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却为了节省压缩耗功和限制压缩终温,同时为避免因增压比太高而影响容积效率,
12、常采用多级压缩和级间冷却的方法第30页，本讲稿共38页理论耗功分析理论耗功分析每生产1kg压缩气体：1n低压缸ap中冷器3n高压缸23第31页，本讲稿共38页时耗功最少耗功最少第32页，本讲稿共38页讨论：按选择各级中间压力，推广：若m级，则 a）各级耗功相等（总耗功有利于曲轴平衡）优点：第33页，本讲稿共38页d）各缸按比例缩小各缸按比例缩小e）对提高整机容积效率对提高整机容积效率 v v有利有利 b）各缸终温相同各缸终温中最高者，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第34页，本讲稿共38页2）若分级m m，则趋于定温压缩 但由于体积庞大，系统复杂，可靠性下降一般2-4级3）定温效率4）真空泵(vacuumpump)的实质也是压气机，是出口压力为恒值环境压力，进气压力不断降低的压气机第35页，本讲稿共38页叶轮式压气机工作原理叶轮式压气机工作原理第36页，本讲稿共38页一一.简介简介叶轮式压气机：叶轮式压气机：没有余隙影响；但每级增压比不高。转速高；连续吸，排气，没有余隙影响；但每级增压比不高。转速高；连续吸，排气，运转平稳；排气量大运转平稳；排气量大二.叶轮式压气机热力学分析由于排量大，运转快，难冷却，可作绝热压缩考虑 叶轮式压气机工作原理第37页，本讲稿共38页理论耗功理论耗功实际耗功实际耗功第38页，本讲稿共38页