工程热力学基础第八章概要
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工程热力学：9第八章 压气机的热力过程
压气机简述
按工作原理及构造分： H2
活塞式 叶轮式 引射式
H1
罗茨式
按压缩气体压力范围：
通风机（＜110 kPa)
鼓风机（110～300 kPa)
压气机（>300 kPa)
8-1 单级活塞式压气机的工作原理 和理论耗功量
单 级 活 塞 式 压 气 机
一、工作原理
p
f－1：进气过程；
p
3
2
g
程中，为避免活塞与气缸塞撞击，也便于安
排进、排气阀，必须留有余隙。
图8-3为具有余隙容积的压气机理论示功图，
4-1：有效进气。
f6
4
1
1-2：压缩过程； 2-3：排气过程；
0 Vc V4-V6 V=V1-V4· V
H2
Vh=V1-V3
图中容积Vc就是余隙容积；
Vh＝V1－V3，是活塞从上死点运动到下死点 时活塞扫过的容积，称为气缸的排量。 H1
P3
1
近等温过程。为此，活塞式压气机都采取冷却措施。
但对于实际压缩过程说，无论采取什么冷却措施，
P1
很难实现等温压缩。
s
图8-2 压缩过程的p-v图和T-s图
二、压气机的理论耗功
p
P2
2T 2n 2s
按热力学的约定，压气机消耗的轴功应为负值，工 程上常令压气机耗功为技术功的负值，即：
P1
wC [w12 ( p2v2 p1v1)] wt
用多级压缩；
1 p1 而当增压比一定时，余隙比Vc/Vh加
V
大，也将使容积效率ηV降低。 显然，当π或Vc/Vh增大到某一值时，
可能使ηV＝0。
<2> 理论耗功 余隙容积为 Ve V3
工程热力学(王修彦)
.
Ma2 1 dcf dA cf A
b )M a 1 c f c d c f 与 d A 同 号 ,c f A
当Ma > 1时， dcf>0 →dA>0 ，采用渐扩喷管；
.
c )M a 1 c f c c f d A 0
截面上Ma=1，cf=c，称临界截面(minimum cross-sectional area)[也称喉部(throat)截面]，临界截面上速度达当地音速 (velocity of sound)
4) cf cr 21p0v01(cr)1
21p0v012111
21p0v0
21RgT0
ccr RgTcr
. 与上式是否矛盾？
3.背压pb对流速的影响
a）收缩喷管：
p b p c r p 2 p bc f 2 c 2M a 2 1
p b p c r p 2 p c rc f 2 c 2M a 2 1
工程热力学课件
华北电力大学
工程热物理教研室制作 2015年1月
.
第八章 气体和蒸汽的流动 (Gas and Steam Flow)
.
工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别 是喷管(nozzle; jet)、扩压管(diffuser)及节流阀(throttle valve)内流动过程的能量转换情况。
c c r R g T c r 1 .4 2 8 4.2 7 1 4 9 2 .0 0 m s 1 7
o r 2 h 0 h cr 2 c p T 0 T cr
2 1 0 4.8 0 9 4 2 4 4 .2 1 4 9 2 .0 0 m /s 8 7
A cf
.
2
p2 T2 qm2 cf2 2
工程热力学-第八章 压气机的热力过程
可见压气机耗功以技术功计。
➢ 三种压缩过程耗功量
（1）可逆绝热压缩
wC,s wt,s
k 1
k
k
1
RgT1
1
p2 p1
k
（2）可逆多变压缩
wC,n wt,n
n1
n
n
1
RgT1
1
p2 p1
n
（3）可逆定温压缩
wC,T wt,T
RgT1
ln
v2 v1
RgT1 ln
wC h2s h1 Aj2T 2s m
定压线
✓实际压缩过程
不可逆绝热压缩1－2’
wC h2 h1 Aj2T2n wC wC,S h2 h2 Am2S2nm
✓压气机的绝热效率
可逆绝热压缩时压气机所需的功与不可逆绝热 压缩时所需的功之比称为压气机的绝热效率，也 称为压气机的绝热内效率：
p1 p2
压缩过程中气体终压和初压之比，称为增压比，
即：
p=
p2 p1
wC,s wC,n wC,T
T2,s T2,n T2,T
采用绝热压缩后，比体积较大，需要较大储气罐； 温度较高，不利于机器安全运行。
因此要尽量接近定温过程，所以采用水套冷却。
8-2 余隙容积的影响
一、余隙容积
当活塞运动到上死点位置时，活塞顶面与气
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：
即：可逆定温压缩过程消耗的功与实际压缩
过程消耗的功之比
C ,T
wC ,T wC
9－4 叶轮式压气机的工作原理
✓ 活塞式压气机缺点：单位时间 内产气量小（转速不高，间隙 性的吸气和排气，以及余隙容 积的影响）。
➢ 三种压缩过程耗功量
（1）可逆绝热压缩
wC,s wt,s
k 1
k
k
1
RgT1
1
p2 p1
k
（2）可逆多变压缩
wC,n wt,n
n1
n
n
1
RgT1
1
p2 p1
n
（3）可逆定温压缩
wC,T wt,T
RgT1
ln
v2 v1
RgT1 ln
wC h2s h1 Aj2T 2s m
定压线
✓实际压缩过程
不可逆绝热压缩1－2’
wC h2 h1 Aj2T2n wC wC,S h2 h2 Am2S2nm
✓压气机的绝热效率
可逆绝热压缩时压气机所需的功与不可逆绝热 压缩时所需的功之比称为压气机的绝热效率，也 称为压气机的绝热内效率：
p1 p2
压缩过程中气体终压和初压之比，称为增压比，
即：
p=
p2 p1
wC,s wC,n wC,T
T2,s T2,n T2,T
采用绝热压缩后，比体积较大，需要较大储气罐； 温度较高，不利于机器安全运行。
因此要尽量接近定温过程，所以采用水套冷却。
8-2 余隙容积的影响
一、余隙容积
当活塞运动到上死点位置时，活塞顶面与气
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：
即：可逆定温压缩过程消耗的功与实际压缩
过程消耗的功之比
C ,T
wC ,T wC
9－4 叶轮式压气机的工作原理
✓ 活塞式压气机缺点：单位时间 内产气量小（转速不高，间隙 性的吸气和排气，以及余隙容 积的影响）。
《工程热力学》第四版课件 第8章
15
d. 各缸按比例缩小 e. 对提高整机容积效率ηv 有利 2)若分级m→∞,则趋于定温压缩但由 )若分级 →∞ →∞, 于体积庞大,系统复杂,可靠性下降, 于体积庞大,系统复杂,可靠性下降, 一般2- 级 一般 -4级. 3)定温效率(isothermal efficiency) )
ηC,T =
8–3 余隙容积的影响
余隙容积( 一,余隙容积(clearance volume) )
产生原因 几个名词: 几个名词: 余隙容积Vc(=V3) 余隙容积 气缸工作容积(活塞排量 气缸工作容积 活塞排量) Vh(=V1–V3) 活塞排量 ( cylinder displacement; stroke volume; piston displacement; piston swept volume) ) 有效吸气容积V 有效吸气容积 es(=V1–V4) 余隙容积比(clearance-to-piston displacement ratio) 余隙容积比 σ =Vc/Vh
理想气体
wC ' = h2 'h 1
(adiabatic internal efficiency) T2s T1 T2s T1 ηCs = T2 ' = T1 + ηCs T2 ' T1
18
例A451177 例A453257*
下一章
19
�
p2 p1
选择各级中间压力,优点: 选择各级中间压力,优点:
小于不如此分配时 T = T1π b. 各缸终温相同 各缸终温中最高者, 各缸终温中最高者,有利于润滑油工作及使可靠 性增加. 性增加. c. 各级散热相同
n 1 n i
n κ qi = cV T n 1
工程热力学第8章
第八章 压气机
一个完整的压缩气体生产过程包括气体流入、压缩、 一个完整的压缩气体生产过程包括气体流入、压缩、排 出三个阶段。消耗外界机械能的总和称为压气机耗功。 出三个阶段。消耗外界机械能的总和称为压气机耗功。
二、压气机理论耗功
wc = (a + c) − (c + d) + (b + d) = −wt
ηv =V /Vh
V3 (V4 V3 −1) V1 − V3 − V4 + V3 V V1 − V4 ηV = = = = 1− Vh V1 − V3 V1 − V3 V1 − V3 1 V3 V4 Vc 1 n n =1 − −1 = 1 − π −1 = 1 − σ π −1 V1 − V3 V3 Vh
第8章
压 气 机
武汉大学动力与机械学院 杨 俊 2007.08
第八章 压气机
压缩气体的用途： 压缩气体的用途：
动力机、风动工具、制冷工程、 动力机、风动工具、制冷工程、化学工业 潜水作业、 医疗等。 、潜水作业、 医疗等。
通风机—表压 通风机 表压0.01MPa以下 表压 以下 按压头高低可分为 鼓风机—表压 鼓风机 表压0.1~0.3MPa 表压 压气机—表压 压气机 表压0.3MPa以上 表压 以上
计算结果表明： 计算结果表明：采用活塞式压气机采用分级压缩中间冷 却可以提高容积效率降低功耗。 却可以提高容积效率降低功耗。
第八章 压气机
第八章习题
1.思考题5 1.思考题5 思考题 2.习题 习题9 11、 2.习题9-2、9-7、9-11、9-12
1.4−1 1.4
Ps = qm c p ( t1 − t2 ) = 126.6 ×1.038 × ( 293 − 408.5 ) = −252.97 kW
《工程热力学》热力学第八章
2s p2 p1
1
v
s
三种压气过程的参数关系
wtT wtn wts
qT qn qs 0
v2T v2n v2s
T1 T2T T2n T2s
p p2
2T
2n
2s
p1
T
2T 2n 1
2s p2 p1
1
v
s
三种压气过程功的计算
wtn
n
n
1
RT1[1
(
p2
)
n 1 n
]
p1
wtT
RT1 ln
Wt理论
k
k
1
g
m
RT1[1
(
p2
)
k -1 k
]
p1
Q H Wt
g
g
Wt理论 H m(h1 h2 ) m cp (T1 T2 )
实际过程有摩擦
T
机械效率 Wt理论
经验值70％
Wt实际
T2' T2
p2 p1
Wt实际
Wt理论
g
m cp (T1 T2' )
1
s
压气机的校核计算
p1 p2
wts
k
k
1
RT1[1
(
p2
)
k 1 k
]
p1
p p2
2T
2n
2s
T
2T
p1
1
最小 重要启示
2s p2 p1
2n
1
v
s
§8-2 活塞式压气机的余隙影响
避免活塞与进排气
p
阀碰撞，留有空隙
Clearance余v隙ol容um积eVC
工程热力学第15讲-第8章-2化学平衡、热力学第三定律
标准自由焓差
经验数据
0 GT
G RmT ln K p
0 T
≤ - 40 kJ/mol ≥ +40 kJ/mol
0 ≤ +40 GT
Kp ≥ 10+7 Kp ≤ 10–7
反应自发、完全 反应不可能
G
0 T
-40 ≤
10–7 ≤ Kp ≤ 10+7 可通过改变条件来促进反应进行
标准自由焓差的计算
aA bB dD eE
化学反应等温方程式
热力学方程：
dG SdT Vdp i dni
i
等温、等压条件下平衡条件：
dG i dni 0
i
d D eE a A bB 0
i i
i
0
化学平衡条件
i i
i
0
公式使用： （1）反应物取负号；
G RmT ln K p
0 T
理想气体应，Qp>0 ，升高温度，Kp 增加，正向反应。 对放热反应，Qp<0 ，升高温度，Kp 减小，逆向反应。
温度对化学平衡的影响
若温度变化不大，ΔH0可视为常数，得定积分式为：
0 H K p (T2 ) 1 1 ln ( ) K p (T1 ) Rm T1 T2
温度对化学平衡的影响
吉布斯-亥姆霍兹公式
G H G T T p
van’t Hoff 公式的微分式
0 0 GT GT H 0 T T p
ln K p H 0 2 T R T p m
化学平衡的特点
浓 度
速 率
高等工程热力学第八章
k 被称为平均绝热指数
对于实际气体某一状态的该指数
假定从该状态经历微小的定熵过程
则能满足上式的指数k由下式确定：
[ dp p
k
dv v
]s
0
即：
k
v p
( p v
)s
（8-34）
k也被称为某个状态的绝热指数 注意：这个k和5.5节的k不同，不是比热比
（1）过热蒸气的k值
有热力学一般关系式（5.5节）
T1 p,m
▪
C
0 p,m
─
理想气体的定压摩尔热容
设B为熵S：
按第一ds方程：
ds
cv T
dT
(
p T
)
v
dv
S
0 m
(T2
,Vm0,2
)
S
0 m
(T1 ,Vm0,1 )
T2
C0 v,m
dT
T T1
Vm0, 2 Vm0,1
( p T
)V
dVm
对于理想气体：(p / T )V R /V ，代入上式：
可用两状态之间的其偏离函数之差计算
因为偏离函数是经过一个假想的等温过程
自由能和自由焓的偏离函数φF 、φG较易获得 然后可求得其他热力学函数的偏离函数
各热力学函数的偏离函数有如下关系：
U (T ,Vm ) F (T ,Vm ) TS (T ,Vm ) H (T ,Vm ) U (T ,Vm ) pVm RT G (T ,Vm ) H (T ,Vm ) TS (T ,Vm )
第八章 工质热力性质的计算
实际气体热力学函数u、h、s、cp、cv等的计算 有两种方法：
根据已知的p-v-T状态方程
▪ 由热力学一般关系式求取
对于实际气体某一状态的该指数
假定从该状态经历微小的定熵过程
则能满足上式的指数k由下式确定：
[ dp p
k
dv v
]s
0
即：
k
v p
( p v
)s
（8-34）
k也被称为某个状态的绝热指数 注意：这个k和5.5节的k不同，不是比热比
（1）过热蒸气的k值
有热力学一般关系式（5.5节）
T1 p,m
▪
C
0 p,m
─
理想气体的定压摩尔热容
设B为熵S：
按第一ds方程：
ds
cv T
dT
(
p T
)
v
dv
S
0 m
(T2
,Vm0,2
)
S
0 m
(T1 ,Vm0,1 )
T2
C0 v,m
dT
T T1
Vm0, 2 Vm0,1
( p T
)V
dVm
对于理想气体：(p / T )V R /V ，代入上式：
可用两状态之间的其偏离函数之差计算
因为偏离函数是经过一个假想的等温过程
自由能和自由焓的偏离函数φF 、φG较易获得 然后可求得其他热力学函数的偏离函数
各热力学函数的偏离函数有如下关系：
U (T ,Vm ) F (T ,Vm ) TS (T ,Vm ) H (T ,Vm ) U (T ,Vm ) pVm RT G (T ,Vm ) H (T ,Vm ) TS (T ,Vm )
第八章 工质热力性质的计算
实际气体热力学函数u、h、s、cp、cv等的计算 有两种方法：
根据已知的p-v-T状态方程
▪ 由热力学一般关系式求取
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T
T2
卡诺逆循环 Reversed Carnot cycleq1 w
C
q2 w
q2 q1 q2
T2 T0 T2
T0不变, T2 εC
T0 qT2 2
T2不变, T0 εC
s
热泵循环和供热系数
Coefficient of Performance
COP ' q1
w
T
1
1 T0 T1
卡诺逆循环制冷系数 NhomakorabeaT
2
3
COP q2 q2
w q1 q2
cp (T1 T4 )
4
cp (T2 T3 ) cp (T1 T4 )
1
s
1 T2 T3 T1 T4
1
1
T2 1
T1
1
k 1
1
k 1
p2 p1
k
1
k 1
空气压缩制冷循环特点
• 优点：工质无毒，无味，不怕泄漏。
• 缺点：
1. 无法实现 T ， < C
8 65
1
h4 h8 (h6 h8 )
ab
s
面积a84ba 面积a86ba 优点： 1. 省掉膨胀机，设备简化；
利>弊
2. 膨胀阀开度，易调节蒸发温度；
蒸气压缩制冷循环的计算
蒸发器中吸热量
T
q2 h1 h5 h1 h4
4
冷凝器中放热量
2 3
q1 h2 h4
1
制冷系数
5
q2
h1 h4
• 制冷Refrigeration循环—逆循环
输入功量（或其他代价），从低温 热源取热
• 热泵Heat Pump循环 —逆循环
输入功量（或其他代价），向高温 热用户供热
蒸气压缩制冷空调装置
制冷循环和制冷系数
Coefficient of Performance
COP q2
w
1
T0环T境0 1
2. q2=cp(T1-T4)小， 制冷能力q2 很小。
• 蒸气在两相区易实现 T • 汽化潜热大，制冷能力可能大
§ 8-2 蒸气压缩制冷循环
Vapor-compression refrigeration cycle
水能用否？ 0°C以下凝固不能流动。 一般用低沸点工质，如氟利昂、氨
沸点：Ts ( p 1atm)
比较逆卡诺循环3467 T
C
4
逆卡诺 73 湿蒸气压缩
“液击”现象
实际 12 既安全，又
65
增加了单位质量
工质的制冷量71
节流阀代替了膨胀机
2 3
1 7
s
节流阀代替膨胀机分析
缺点：
T
1. 损失功量 h4 h6 84越陡越好
2. 少从冷库取走热量
4
2 3
h5 h6 h4 h6 面积8468
0.0007 0.00075
0.0008 0.00085
250o C 240℃
140℃ 130℃ 120℃
110℃ 100℃ 90℃ 80℃ 70℃ 60℃ 50℃ 40℃ 30℃ 20℃ 10℃ t=0℃ -10℃ -20℃ -30℃ -40℃ -50℃ -60℃
150
200
250
0.00090.00095 0.001
2. q2=cp(T1-T4)，空气cp很小， (T1-T4)不 能太大， q2 很小。
若(T1-T4)
3. 活塞式流量m小，制冷量Q2=m q2小， • 使用叶轮式，再回热则可用。
空气回热制冷循环
5
3R 4
回热式空气压缩制冷装置
2R 1R 1
T
3
T0 T2 3R
4
2
2R
5
1R
1
s
空气回热制冷与非回热的比较
蒸汽喷射制冷
半导体制冷
热声制冷,磁制冷
§8－1 空气压缩制冷循环
冷却水
3
2
冷却器
膨胀机 4
冷藏室
压缩机 1
p
3
4
pv图和Ts图
Reversed Brayton Cycle
T
逆勃雷登循环
2
2
3
T0
1
4
1 T2
v
s
1 2 绝热压缩 s 3 4 绝热膨胀 s 2 3 等压冷却 p 4 1 等压吸热 p
作业
8-5 工作在300K和250K之间
指环境温度和冷库温度之间
8-8 1) 作业中制冷剂氟利昂-12
改为HFC134a 2) 不用对比两种制冷剂 3) 不用求火用效率
第八章
制冷（致冷）循环
Refrigeration Cycles
动力循环与制冷（热泵)循环
• 动力Power循环 —正循环
输入热,通过循环输出功
0.0011 0.0012 0.00130.0014 0.0015 150℃160℃170℃180℃21009℃0℃ 210℃ 220℃ 230℃
0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
水 100°C R22 - 40.8°C R134a - 26.1°C THR01 - 30.18°C
空气压缩制冷循环装置
冷却水
3
2
冷却器
膨胀机 4
冷藏室
压缩机 1
蒸气压缩制冷空调装置
蒸气压缩制冷空调装置
1-2：绝热压缩过程
4
2-4：定压放热过程 4-5：绝热节流过程 5-1：定压吸热过程
5
蒸气压缩制冷循环
吸热量（收益）： T
q2=cp(T1-T4) 不变
放热量： 相同
3
q1=cp(T2-T3) 非回热 T0 =cp(T2R-T5) 回热 T2 3R
回热＝ 非回热
4
2
2R
5
1R
1
p2R p2 p1R p1
s 适用于小压比大流量的叶 轮式压气机空气制冷系统
空气压缩制冷的根本缺陷
1. 无法实现 T ， 低，经济性差
h1 h4 q2 s
q1 q2 (h2 h4 ) (h1 h4 ) h2 h1 w
两个等压，热与功均与焓有关 lnp-h图
lnp-h图及计算
lnp
4
q1 3
T
2
4
2 3
1 5
q2 w
h
q2 h1 h5 h1 h4 q1 h2 h4
1 5
s
q2 h1 h4
w h2 h1
T1
w
' C
q1 w
q1 q1 q2
T1 T1 T0
T0
T1不变, T0 εC T0不变, T1 εC
T2 s
制冷循环种类
√ Refrigeration Cycle 空气压缩制冷 压缩制冷 Gas compression √ 蒸气压缩制冷 Vapor-compression √ 吸收式制冷 Absorption 制冷循环 吸附式制冷
压焓图 P-h diagram
p(MPa)
10
1
0.1
0.01 50
100
0.7 0.8 0.9 1.0kJ/(kg·K) 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0kJ/(kg·K) 2.1 2.2 2.3 2.4kJ/(kg·K)
x=0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 x=1.0