7压气机的热力过程解析
工程热力学-第四版思考题答案(完整版)(沈维道)(高等教育出版社)
工程热力学-第四版思考题答案(完整版)(沈维道)(高等教育出版社)工程热力学第四版沈维道 思考题 完整版第1章 基本概念及定义1.闭口系与外界无物质交换，系统内质量将保持恒定，那么，系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗?答：否。
当一个控制质量的质量入流率与质量出流率相等时（如稳态稳流系统），系统内的质量将保持恒定不变。
2.有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系。
这种观点对不对，为什么? 答：不对。
“绝热系”指的是过程中与外界无热量交换的系统。
热量是指过程中系统与外界间以热的方式交换的能量，是过程量，过程一旦结束就无所谓“热量”。
物质并不“拥有”热量。
一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。
⒊平衡状态与稳定状态有何区别和联系，平衡状态与均匀状态有何区别和联系? 答：“平衡状态”与“稳定状态”的概念均指系统的状态不随时间而变化，这是它们的共同点；但平衡状态要求的是在没有外界作用下保持不变；而平衡状态则一般指在外界作用下保持不变，这是它们的区别所在。
⒋倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？在绝对压力计算公式中，当地大气压是否必定是环境大气压?答：可能会的。
因为压力表上的读数为表压力，是工质真实压力与环境介质压力之差。
环境介质压力，譬如大气压力，是地面以上空气柱的重量所造成的，它随着各地的纬度、高度和气候条件不同而有所变化，因此，即使工质的绝对压力不变，表压力和真空度仍有可能变化。
“当地大气压”并非就是环境大气压。
准确地说，计算式中的P b 应是“当地环境介质”的压力，而不是随便任何其它意义上的“大气压力”，或被视为不变的“环境大气压力”。
⒌温度计测温的基本原理是什么?答：温度计对温度的测量建立在热力学第零定律原理之上。
它利用了“温度是相互热平衡的系统所具有的一种同一热力性质”，这一性质就是“温度”的概念。
第8章 习题提示和答案
为 516.6m3 / min ，绝热压缩到 p2 = 1MPa 。由于磨擦作用，使出口气温度达到 350℃。求
以各级消耗的功不相等。
8-17 某高校实验室需要压力为 6.0MPa 的压缩空气。有两人分别提出下述两个方案：
A 方案采用绝热效率为 0.9 的轴流式压气机；B 方案采用活塞式气机，二级压缩。中间冷却，
两缸压缩多变指数均为 1.25。试述上述两个方案的优劣。（设 p0 = 0.1MPa、t0 = 27°C ）
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）。
1
提示和答案： ηV = 1− σ (π n −1) ，ηV,1 = 0.871 、ηV,2 = 0.843 、ηV,3 = 0.76 。 8-5 某单级活塞式压气机，其增压比为 7，活塞排量为 0.009m3 ，余容比为 0.06，转 速为 750r/min，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 、
应略大于
185
kW，(190.76 −185)kW 185 kW
=
3.1% ，
其误差尚在可允许范围内，所以实测基本合理。 8-14 以 R134a 为工质的制冷循环装置中，蒸发器温度为-15℃，进入压缩机工质的干
工程热力学-第八章 压气机的热力过程
➢ 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）。
工程热力学第章 压气机热力过程
工程热力学第章压气机热力过程压气机简介压气机是一种能够将气体压缩到一定压力的机械设备，以提高气体的密度，降低气体体积，增加气体的能量密度。
压气机广泛应用于工业、航空、航天、能源等领域，其热力过程是压气机运行过程中最为关键和复杂的部分之一。
压气机的热力过程是指在压气机运行过程中所涉及的热力学性质和过程，包括压缩过程、加热过程、冷却过程等。
这些过程对于压气机的工作效率、能量损失等方面均有重要影响，因此对于研究和了解压气机的热力过程具有十分重要的意义。
压缩过程及其热力学特性压气机的压缩过程是指将气体从低压缩到高压的过程，这个过程中，气体被压缩，气体能量被转换为压缩机的机械能。
在压缩过程中，混合气体中的温度也会相应地上升，因此需要进行冷却和加热来控制温度。
在压缩过程中，气体的压力和温度随着时间的推移而变化，可以用热力学基本公式进行分析。
对于多级压缩机系统，每一级的压缩过程都会产生一定的温度升高和熵增，因此需要进行冷却，以避免温度升高过快和热损失。
加热过程及其热力学特性压气机的加热过程是指在压缩过程中，由于气体被压缩，使得气体的温度升高，这个过程中，需要将气体冷却至温度不致过高。
在加热过程中，气体通过加热流程，将气体热量转换为机械能。
在压缩过程中，加热的温度也是相对较高的，它需要在多级压缩机系统中进行非常复杂和严密的控制。
在实际的生产和应用中，可以通过改变加热温度、空气流量等多个参数来控制加热过程。
冷却过程及其热力学特性冷却是压缩机系统中非常重要的一个环节，它可以有效降低气体的温度，提高压缩机效率。
一般情况下，采用多级压缩机系统，同时进行冷却和加热的过程。
冷却的过程可以通过多种方式来实现，比如自然冷却、水冷却、空气冷却等。
其中空气冷却是一种比较常见的方式，它可以通过强制通风等方式来实现，从而将气体的温度降低到合理水平。
，压气机的热力过程是压缩机系统中非常重要的一部分，它涉及到气体的压缩、加热和冷却等多个方面，同时需要进行严密的控制和协调，以达到最佳的效果和效率。
压气机的热力过程概述和工作原理
1
0.525
二级压缩，中间冷却
若取 pa 0.2MPa
l
pa p1
0.2 0.1
MPa MPa
2、h
2.5 0.2
MPa MPa
12.5
n1
Ta T1l n 342.3 K 69.3 oC
1
V ,L
1
n l
1
0.970
n1
T2 T1 h n 493.8 K 220.8 oC
C,T
等温压缩过程耗功 实际压缩过程耗功
wC,T wC
课后思考题
思考题： 1. 如果采用气缸冷却水套以及其他 冷却措施，使气体在压气机中已经 能够按等温压缩过程进行，这时是 否还需要采用多级压缩，为什么？
需要，虽然实现等温压缩后耗功最小，但由于余隙容积的存
在，若压比过大， V会很小，分级后有助于提高 V。
2）求实际耗功量
P Ps 15 178 kJ/min 18 972.5 kJ/min 316.21 kW
C,s
0.8
3）由于不可逆而多耗功
P P ' Ps 18 972.5 kJ/min 15 178 kJ/min 3 794.5 kJ/min 63.24 kW
m1
V1
V4 V1
研究VC对产气量和耗功
的影响
3
4 V3
2
1 V
V1 V
一、余隙容积VC对生产量的影响
定义容积效率
p 32
V
V
Vh
V1 V4 V1 V3
V3 V3
VC
1 V4 V3 V1 V3
1 V3 V1 V3
V4 V3
1
1 4V
工程热力学思考题及答案
工程热力学思考题及答案第一章基本概念1.闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？答：不一定。
稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定.2.有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割,所以开口系统不可能是绝热系。
对不对，为什么？答：这种说法是不对的。
工质在越过边界时，其热力学能也越过了边界。
但热力学能不是热量，只要系统和外界没有热量的交换就是绝热系。
3.平衡状态与稳定状态有何区别和联系,平衡状态与均匀状态有何区别和联系？答：只有在没有外界影响的条件下,工质的状态不随时间变化，这种状态称之为平衡状态。
稳定状态只要其工质的状态不随时间变化，就称之为稳定状态，不考虑是否在外界的影响下，这是它们的本质区别。
平衡状态并非稳定状态之必要条件.物系内部各处的性质均匀一致的状态为均匀状态.平衡状态不一定为均匀状态，均匀并非系统处于平衡状态之必要条件。
4.假如容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？绝对压力计算公式p = p b+p e(p 〉p b)，p v=p b−p （p b<p）中，当地大气压是否必定是环境大气压？答：压力表的读数可能会改变，根据压力仪表所处的环境压力的改变而改变。
当地大气压不一定是环境大气压。
环境大气压是指压力仪表所处的环境的压力。
5.温度计测温的基本原理是什么？答:温度计随物体的冷热程度不同有显著的变化.6.经验温标的缺点是什么?为什么？答：任何一种经验温标不能作为度量温度的标准。
由于经验温标依赖于测温物质的性质，当选用不同测温物质的温度计、采用不同的物理量作为温度的标志来测量温度时,除选定为基准点的温度,其他温度的测定值可能有微小的差异。
7.促使系统状态变化的原因是什么？答：系统内部各部分之间的传热和位移或系统与外界之间的热量的交换与功的交换都是促使系统状态变化。
8.（1）将容器分成两部分，一部分装气体，一部分抽成真空，中间是隔板。
第九章压气机的热力过程详解
在T—S图上可见， 等温压缩不仅耗功少，而且终温低，故气体 压缩应尽可能在等温条件下进行（压缩终 温低可避免润滑油的烧结）。
3 例1：理想的活塞式压气机吸 入 p1 0.1MPa, t1 20℃空气 1000 m h
并将其压到
p2 0.6MPa,设压缩指数为n=1,n=1.25,n=k=1.4
理论压气功(可逆过程)
v
可能的压气过程
(1)、特别快，来不及换热。 s (2)、特别慢，热全散走。 T (3)、实际压气过程是
nk n 1 1 n k
2s
n
T
2T
p 2 2 2 n T s p2
p1
1
p2
p1
2n
1
v
s
定熵过程→压气过程进行快，来不及与外界进行 热交换； 定温过程→有冷却，或压气过程进行的较慢，与 外界有充分的热交换； 多变过程→一般压气过程； 实际的压气过程为介于绝热和定温两过程之间的 多变过程：
wnet ,t , R wnet , I
——等温效率
为可逆等温压缩的耗功与不可逆放热压缩的耗功之比。 等温效率用于评价活塞式压气机性能的主要参数。
例2 压气机压缩空气，初态
p1 0.1MPa 3 v 0 . 052 m 1 0 t 40 C 1
3
可逆多变压缩至 p2 0.565MPa, v2 0.013m 然后排出，求：多变指数、压缩终温、压 缩 过程与外界交换的热量和功量 分析： pv m 0.058kg ①气缸中空气质量 RT
⑤气体与外界交换的容积功
m R w (T1 T2 ) 8.58kJ n 1
⑥压气机消耗轴功
wt n w 1.25 (8.58) 10.7kJ
工程热力学思考题参考答案
第八章压气机的热力过程1、利用人力打气筒为车胎打气时用湿布包裹气筒的下部，会发现打气时轻松了一点，工程上压气机缸常以水冷却或气缸上有肋片，为什么答：因为气体在压缩时，以等温压缩最有利，其所消耗的功最小，而在人力打气时用湿布包裹气筒的下部或者在压气机的气缸用水冷却，都可以使压缩过程尽可能的靠近等温过程，从而使压缩的耗功减小。
2、既然余隙容积具有不利影响，是否可能完全消除它答：对于活塞式压气机来说，由于制造公差、金属材料的热膨胀及安装进排气阀等零件的需要，在所难免的会在压缩机中留有空隙，所以对于此类压缩机余隙容积是不可避免的，但是对于叶轮式压气机来说，由于它是连续的吸气排气，没有进行往复的压缩，所以它可以完全排除余隙容积的影响。
3、如果由于应用气缸冷却水套以及其他冷却方法，气体在压气机气缸中已经能够按定温过程进行压缩，这时是否还需要采用分级压缩为什么答：我们采用分级压缩的目的是为了减小压缩过程中余隙容积的影响，即使实现了定温过程余隙容积的影响仍然存在，所以我们仍然需要分级压缩。
4、压气机按定温压缩时，气体对外放出热量，而按绝热压缩时不向外放热，为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济答：绝热压缩时压气机不向外放热，热量完全转化为工质的内能，使工质的温度升高，压力升高，不利于进一步压缩，且容易对压气机造成损伤，耗功大。
等温压缩压气机向外放热，工质的温度不变，相比于绝热压缩气体压力较低，有利于进一步压缩耗功小，所以等温压缩更为经济。
5、压气机所需要的功可从第一定律能量方程式导出，试导出定温、多变、绝热压缩压气机所需要的功，并用T-S图上面积表示其值。
答：由于压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机耗功应以技术功计，一般用w c 表示，则w c =-w t由第一定律：q=△h+w t ，定温过程：由于T 不变，所以△h 等于零，既q=w t ，q=T △s ，21lnp p R s g =∆，则有 多变过程：w c =-w t =△h-q 所以⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-111121n n g c p p T R n n w 绝热过程：即q=0，所以6、活塞式压气机生产高压气体为什么要采用多级压缩及级间冷却的工艺答：由于活塞式压气机余隙容积的存在，当压缩比增大时，压气机的产气量减小，甚至不产气，所以要将压缩比控制在一定范围之内，因此采用多级压缩,以减小单级的压缩比。
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一、工作原理
f－1为进气过程，是气体 的移动过程； 1－2为压缩过程； 2－g为排气过程，是气体 的移动过程。
g
p p2 2
f 0
p1
1 V2 V1 V Wsh Wc
压缩过程的类型：
（1）绝热压缩过程； （2）定温压缩过程； （3）实际过程是n介于1与k之间的多变压缩过程。
Vc / Vh 和n确定，则 ,V 。
确定，则 Vc / Vh ,V 。
2、理论耗功
n 1 n 1 n n n p2 n p V p3 1 WC p1V1 1 n 1 4 4 n 1 p1 p4
可见，不但余隙容积本身不起压气作用，而且 使另一部分气缸容积也不起压缩作用。
分析：
（1）容积效率（volumetric efficiency）：有效吸气容 积与气缸排量之比，即
V
V Vh
在相同的余隙容积下，若 增压比增大，则有效吸气容积 减少，容积效率降低，达到某 一极限时将完全不能进气。
7.3 多级压缩和级间冷却
工程上需要高压气体，但压缩过程中压力越高温 度也越高，而V 下降。为使
T2 T2 , max
V V , min
多级压缩（multistage compression）， 通常采用 级间冷却（intervening cooling）。
动 作 原 理 及 构 造
活塞式压气机 压 缩 气 叶轮式压气机 体 的 压 引射式压缩器 力
通风机0.01Mpa表压以下) 鼓风机(0.1～0.3Mpa表压) 压气机(0.3Mpa表压以上)
注意：压气机中进行的过程不是循环。
7.1 活塞式压气机的工作原理和理论耗功量
增压比
p2 / p1
分析：
wC , s wC ,n wC ,T , T2, s T2,n T2,T , v2, s v2,n v2,T
n w, T , v
结论：尽量减少压缩过程的多变指数n，使过程接近 于定温过程是有利的。
7.2 余隙容积(clearance volume)的影响
（2）容积效率与增压比的关系
1 n V p2 1 Vc V 1 c 1 Vh p1 Vh 1 n 17 4
隙比）。
Vc 式中， V h
称为余隙容积百分比（余隙容积比、余
2、可逆多变压缩过程
n 1 n p2 n n 7 2 p2v2 p1v1 wC ,n wt ,n RgT1 1 n 1 n 1 p 1
3、可逆定温压缩过程
wC ,T wt ,T v2 p2 RgT1 ln RgT1 ln 7 3 v1 p1
n 1 n 1 n n p n p n 3 1 2 RgT1 1 R T ' g 2 n 1 n 1 p1 p2 n 1 n 1 n n p n p 3 2 RgT1 2 p n 1 p1 2
基本工作原理是气体逐级在不同气缸中被压缩， 每经过一次压缩后就在中间冷却器中被定压冷却到压 缩前的温度，然后进入下一级气缸继续被压缩。
1、两级压缩、级间冷却
不计余隙容积、气体得到最有效的冷却T2’=T1、 两级压缩指数n相同。
wC wC , L wC , H
p1 p4 , p3 p2
p2 n WC p1 V1 V4 n 1 p1 n 1 n n p 2 p1V 1 n 1 p1
n 1 n
1
二、压气机的理论耗功
压气机耗功应以技术功计，通常用符号Wc表示， 并令
WC Wt
wC wt
1、可逆绝热压缩过程
k 1 k p2 k k 7 1 p2v2 p1v1 RgT1 wC ,s wt , s 1 p k 1 k 1 1
1 nn n mRgT1 1 7 5 n 1
可见，有余隙容积后，如生 产增压比相同、质量相同的 同种压缩气体，理论耗功与 无余隙容积时相同。
综上所述，活塞式压气机余隙容积的存在，虽然 对压缩定量气体的理论耗功并无影响，但使容积效率 降低。 生产量下降； 实际耗功增大。
当活塞运动到上死点位置时，在活塞顶面与气缸 盖间留有一定的空隙，该空隙的容积称为余隙容积。 1－2为压缩过程； 2－3为排气过程； 3－4为余隙容积中剩余气体 的膨胀过程； 4－1表示有效进气。 生产量和理论耗功
1、生产量
Vc－余隙容积； Vh－气缸排量； V－有效吸气容积。
第七章 压气机的热力过程
Processes in Compressor
7.1活塞式压气机的工作原理和理论耗功量 7.2余隙容积的影响 7.3多级压缩和级间冷却 7.4叶轮式压气机的工作原理
压气机是生产压缩气体的设备，它不是动力机， 而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工作机。