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1、4 氣體與蒸氣的熱力過(guò)程, 熱力過(guò)程：系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到 另一個(gè)平衡狀態(tài)所經(jīng)歷的歷程。 實(shí)際的熱力過(guò)程往往較復(fù)雜； 各過(guò)程都存在不同程度的不可逆性； 工質(zhì)的各狀態(tài)參數(shù)都在變化，難以找出規(guī) 律，也就很難用熱力學(xué)方法分析。, 但實(shí)際過(guò)程又具有某些簡(jiǎn)單的特征 保溫良好的設(shè)備內(nèi)的過(guò)程絕熱過(guò)程 工質(zhì)燃燒過(guò)程進(jìn)行得很快絕熱過(guò)程 大多化工設(shè)備內(nèi)的壓力變化很?。ㄈ缛?xì)? 輪機(jī)燃?xì)獾娜紵訜徇^(guò)程）定壓過(guò)程 間歇操作的反應(yīng)釜內(nèi)的過(guò)程定容過(guò)程 活塞式壓氣機(jī)中，若汽缸的冷卻效果好， 壓縮過(guò)程溫度幾乎不升高定溫過(guò)程, 對(duì)實(shí)際過(guò)程進(jìn)行抽象與簡(jiǎn)化，從而可在理論 上用簡(jiǎn)單方法分析計(jì)算，再借助

2、經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修 正抓住主要特征、主要影響因素、突出 主要矛盾，從而進(jìn)行定性分析與評(píng)價(jià)，又可 進(jìn)行定量計(jì)算。,研究熱力過(guò)程的主要任務(wù), 根據(jù)過(guò)程的特征，確定過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)的 變化規(guī)律，即過(guò)程方程； 根據(jù)已知初態(tài)參數(shù)，確定其它初態(tài)參數(shù)； 根據(jù)過(guò)程方程及已知終態(tài)參數(shù)，確定其它 終態(tài)參數(shù)； 根據(jù)熱力學(xué)基本定律及工質(zhì)性質(zhì)確定過(guò)程 中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。,研究熱力學(xué)過(guò)程的依據(jù),2） 理想氣體,3）可逆過(guò)程,1） 熱一律,穩(wěn)流,研究熱力學(xué)過(guò)程的任務(wù)和步驟,1） 確定過(guò)程方程------該過(guò)程中參數(shù)的變化規(guī)律,4） 計(jì)算 w , wt , q,3） 求,5） 用T - s 與 p - v 圖表示熱力過(guò)程,2） 根

3、據(jù)已知參數(shù)及過(guò)程方程求未知參數(shù),4.1 理想氣體的熱力過(guò)程,4.1.1 定容過(guò)程 一定量的氣體在容積不變的容器（剛性容器）內(nèi)進(jìn)行加熱（或放熱）的過(guò)程。, 過(guò)程方程, 初終態(tài)狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系,,,,,,,,,由理想氣體的狀態(tài)方程 pv = RT 得：,且, 能量轉(zhuǎn)換,,,膨脹功,技術(shù)功,熱 量, 過(guò)程曲線,定容過(guò)程，工質(zhì)不做膨脹功，吸收的熱量全部用于增加其內(nèi)能。,4.1.2 定壓過(guò)程,定壓過(guò)程是工質(zhì)在狀態(tài)變化過(guò)程中壓力保持不變的過(guò)程。, 過(guò)程方程, 初終態(tài)狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系,,,,,由理想氣體的狀態(tài)方程 pv=RT 得：,且, 能量轉(zhuǎn)換,,膨脹功,技術(shù)功,熱 量, 過(guò)程曲線,定壓過(guò)程，氣體的

4、技術(shù)功為零，其膨脹功全部用以支付維持流動(dòng)所必須的流動(dòng)凈功；它吸入的熱量等于其焓的增加。,在Ts圖上， 定壓線較定容線平坦。,4.1.3 定溫過(guò)程,定溫過(guò)程是工質(zhì)在狀態(tài)變化過(guò)程中溫度保持不變的過(guò)程。, 過(guò)程方程, 初終態(tài)狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系,,,由理想氣體的狀態(tài)方程 pv=RT 得：,且, 能量轉(zhuǎn)換,,,膨脹功,技術(shù)功,熱 量, 過(guò)程曲線,定溫過(guò)程，氣體吸收的熱量全部轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浌?，且全部是可資利用的技術(shù)功。,4.1.4 絕熱過(guò)程,絕熱過(guò)程是工質(zhì)在與外界沒(méi)有熱量交換的條件下所進(jìn)行的狀態(tài)變化過(guò)程。, 過(guò)程方程,可逆絕熱過(guò)程，即等熵過(guò)程, 理想氣體等熵過(guò)程的過(guò)程方程,,,當(dāng),理想氣體,

5、 初終態(tài)狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系,,,結(jié)合理想氣體的狀態(tài)方程 pv=RT，有,且, 能量轉(zhuǎn)換,,,膨脹功,技術(shù)功,熱 量,若取比容為定值，則,且, 過(guò)程曲線,在pv圖上， 所以絕熱線比定溫線陡。, 變值比熱容絕熱過(guò)程的計(jì)算,以上的推導(dǎo)和計(jì)算是以k（比熱容）為常數(shù)為基礎(chǔ)的，一般僅適用于對(duì)過(guò)程進(jìn)行定性分析或用于溫度變化范圍不大且計(jì)算精度不高的情況。,在通常的設(shè)計(jì)計(jì)算中, 按平均絕熱指數(shù)計(jì)算 以平均絕熱指數(shù)km 代替k 利用氣體熱力性質(zhì)表計(jì)算,例1:一容積為0.15m3的儲(chǔ)氣罐，內(nèi)裝氧氣，其初態(tài)壓力p1=0.55MPa、溫度t1=38。若對(duì)氧氣加熱，其溫度、壓力都升高。儲(chǔ)氣罐上裝有

6、壓力控制閥，當(dāng)壓力超過(guò)0.7MPa時(shí)，閥門(mén)便自動(dòng)打開(kāi)，放走部分氧氣，即儲(chǔ)氣罐中維持的最大壓力為0.7MPa。問(wèn)：當(dāng)儲(chǔ)氣罐中氧氣溫度為285時(shí)，對(duì)罐內(nèi)氧氣共加入多少熱量？（設(shè)氧氣的比熱容為定值： ， ）,,,例2：空氣在膨脹透平中由p1=0.6MPa、T1=900K絕熱膨脹到 p2=0.1MPa，工質(zhì)的質(zhì)量流量為qm=5kg/s。設(shè)比熱容為定值，k=1.4，R=0.287kJ/(kgK)。試求: 膨脹終了時(shí)，空氣的溫度及膨脹透平的功率； 過(guò)程中內(nèi)能和焓的變化量； 將單位質(zhì)量的透平輸出功表示在p-v圖、T-s圖上； 若透平的效率為T(mén)=0.9，則終態(tài)溫度和膨脹透平 的功率又為多少？,例

7、3：如圖所示，兩端封閉而且具有絕熱壁的氣缸，被可移動(dòng)的、無(wú)摩擦的、絕熱的活塞分為體積相同的A、B兩部分，其中各裝有同種理想氣體1kg。開(kāi)始時(shí)活塞兩邊的壓力、溫度都相同，分別為0.2MPa，20，現(xiàn)通過(guò)A腔氣體內(nèi)的一個(gè)加熱線圈，對(duì)A腔氣體緩慢加熱，則活塞向右緩慢移動(dòng)，直至pA2=pB2=0.4MPa時(shí)，試求： A，B腔內(nèi)氣體的終態(tài)容積各是多少？ A，B腔內(nèi)氣體的終態(tài)溫度各是多少？ 過(guò)程中供給A腔氣體的熱量是多少？ A，B腔內(nèi)氣體的熵變各是多少？ 在p-v圖、T-s圖上，表示出A，B腔氣體經(jīng)過(guò)的過(guò)程 設(shè)氣體的比熱容為定值：,,4.1.5 多變過(guò)程, n稱為多變指數(shù)， 不同的n代表不同的過(guò)程 同

8、一過(guò)程，n有確定的值 復(fù)雜過(guò)程，可分為n段不同多變指數(shù)的多 變過(guò)程,, 過(guò)程方程,對(duì)于幾種基本熱力過(guò)程, 定壓過(guò)程 定溫過(guò)程 絕熱過(guò)程 定容過(guò)程, 初終態(tài)狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系,,,,,,,多變過(guò)程與絕熱過(guò)程方程類似，所以, 能量轉(zhuǎn)換,,,膨脹功,（n1）,技術(shù)功,熱 量,n與k和q/w有關(guān)。除非q/w保持不變，否則n是變化的。,取cv為定值，且n1,稱為多變過(guò)程的比熱容,則,所以, 平均多變指數(shù),為便于對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行分析計(jì)算，常 用一個(gè)與實(shí)際過(guò)程相近似的指數(shù)不變的多 變過(guò)程來(lái)代替，該多變指數(shù)稱為平均多變 指數(shù)。, 等端點(diǎn)多變指數(shù),這種方法主要用于初、終態(tài)狀態(tài)參數(shù)計(jì)算。 已知過(guò)程線

9、上兩端點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)1（p1，v1）、2 （p2，v2）則根據(jù)過(guò)程方程 求得多變指數(shù), 等功法多變指數(shù),從過(guò)程始點(diǎn)假設(shè)一條多變過(guò)程線，使之與縱軸（p軸）所圍的面積與實(shí)際過(guò)程線與p軸所圍成的面積相等。由此求出的多變指數(shù)稱為等功法多變指數(shù)。 這種方法主要用于功量計(jì)算。, 利用實(shí)際過(guò)程的 lgplgv 坐標(biāo)圖計(jì)算,將實(shí)際過(guò)程中的多個(gè)點(diǎn)畫(huà)在lgp-lgv圖上，然后用一條直線擬合為多變過(guò)程線，因pvn=Const，則 lgp + nlgv=Const 所以n為該直線的斜率。, 利用p-v圖面積對(duì)比計(jì)算,實(shí)際過(guò)程線與p軸間圍成的面積為技術(shù)功 wt，與v軸圍成的面積為膨脹功w，依功量計(jì)算有,例4

10、：空氣以qm=0.012kg/s的流速穩(wěn)定流過(guò)壓縮機(jī)，入口參數(shù)p1=0.102MPa、T1=305K，出口壓力p2=0.51MPa，然后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。求在下列兩種情況下，1kg空氣的焓變h和熵變s，以及壓縮機(jī)的技術(shù)功率Pt和每小時(shí)散熱量qQ。 （1）空氣按定溫壓縮； （2）空氣按n=1.28的多變過(guò)程壓縮，比熱容 取定值。,4.2 蒸氣的熱力過(guò)程,水蒸氣的基本熱力過(guò)程也是定容、定壓、定溫、定熵四種。 求解的任務(wù)與理想氣體的過(guò)程一樣：初態(tài)和終態(tài)的參數(shù)；過(guò)程中的熱量和功。 但蒸汽沒(méi)有適當(dāng)而簡(jiǎn)單的狀態(tài)方程式，較難用解析方法求得各參數(shù)；蒸汽的cp、cv以及h、u不是溫度的單值函數(shù) ，而是p或v

11、和T的復(fù)雜函數(shù)；所以通過(guò)查圖、表或由專用方程用計(jì)算機(jī)計(jì)算得出。,熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律的基本原理和從其推導(dǎo)得出的一般關(guān)系式仍可利用。例如：,適用于可逆過(guò)程, 利用圖表分析計(jì)算水蒸氣的狀態(tài)變化過(guò) 程， 一般步驟如下：, 根據(jù)初態(tài)的兩個(gè)已知獨(dú)立參數(shù)，通常為（p，t） 或（p，x）、（t，x）從表或圖中查得其他參數(shù)； 根據(jù)過(guò)程特征及一個(gè)終態(tài)參數(shù)確定終態(tài)，再?gòu)谋? 或圖上查得其他參數(shù)； 根據(jù)已求得的初、終態(tài)參數(shù)計(jì)算q、u及w等。 方法如下：, 定容過(guò)程, 定壓過(guò)程, 定溫過(guò)程, 定熵（絕熱）過(guò)程,上述過(guò)程以定壓過(guò)程和絕熱過(guò)程最重要。,下圖是水蒸氣從初態(tài)1（p1，t1）定壓冷卻到終態(tài)2（p1

12、，x2）的過(guò)程。,從定壓線p1與定溫線t1的交點(diǎn)定出狀態(tài)1，縱坐標(biāo)為h1 。同一定壓線與干度線x2的交點(diǎn)就是狀態(tài)2，縱坐標(biāo)為h2 。所以q= h1 - h2 。若查表計(jì)算，由（p1，t1）查出h1 、及p1查出h” 、 h ，則 h2 =x h” +(1-x) h 。,下圖為水蒸氣從初態(tài)1（p1，t1）可逆絕熱膨脹到終態(tài)p2的過(guò)程。,由（p1，t1）在h-s圖上定出狀態(tài)1及h1 。再?gòu)臓顟B(tài)1作垂直線與定壓線p2的交點(diǎn)就是狀態(tài)2，從2查出h2、 x2 。所以 wt= h1 -h2 ， w= u1 -u2。,蒸氣的絕熱過(guò)程不能用pvk=Const表示，但有時(shí)需要絕熱指數(shù)的數(shù)值，也可寫(xiě)成pvk=Co

13、nst的形式。但必須注意，此時(shí)的k已不是cp/cv，而是,近似估算：過(guò)熱蒸氣 k=1.3 干飽和蒸氣 k=1.135 濕水蒸氣 k=1.035+0.1x,例5：水蒸氣從p1=1MPa，t1=300 的初態(tài) 可逆絕熱膨脹到p2=0.1MPa，求1kg水 蒸氣所作的膨脹功和技術(shù)功。,例6：一封閉絕熱的汽缸活塞裝置內(nèi)有1kg壓力為 0.2MPa的飽和水，缸內(nèi)維持壓力不變。 （1）若裝設(shè)一葉輪攪拌器攪動(dòng)水，直至汽缸內(nèi) 80%的水蒸發(fā)為止，求帶動(dòng)此攪拌器需消耗 多少功？ （2）若除去絕熱層，用450K的恒溫?zé)嵩磥?lái)加熱 缸內(nèi)的水，使80%的水蒸發(fā)，這時(shí)加熱量又是 多少？,例7：

14、在一臺(tái)蒸汽鍋爐中，煙氣定壓放熱，溫度從1500降低到250。所放出的熱量用以生產(chǎn)水蒸汽。壓力為10MPa、溫度為30的鍋爐給水被加熱汽化、過(guò)熱成壓力為10MPa、溫度為450的過(guò)熱蒸氣。取煙氣的比熱容為定值，cp=1.079kJ/(kgK)。試求：（1）產(chǎn)生1kg過(guò)熱蒸汽需要多少kg的煙氣？（2）生產(chǎn)1kg過(guò)熱蒸汽時(shí)，煙氣的熵變以及過(guò)熱蒸汽的熵變。（3）將煙氣和水蒸汽作為孤立系統(tǒng)，求生產(chǎn)1kg過(guò)熱蒸汽時(shí)孤立系統(tǒng)的總熵變。,4.3 濕空氣的熱力過(guò)程,濕空氣過(guò)程的計(jì)算主要是研究過(guò)程中濕空氣的焓值h及含濕量d、相對(duì)濕度之間的變化關(guān)系。計(jì)算過(guò)程主要應(yīng)用焓濕圖、穩(wěn)定流動(dòng)能量方程和質(zhì)量守恒方程。 4.3.

15、1 單純加熱或冷卻過(guò)程 濕空氣單純地加熱或冷卻時(shí)，其壓力與含濕量均不變，所以是定濕加熱、定濕冷卻過(guò)程。,,如上圖所示，根據(jù)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)能量方程，過(guò)程中吸熱量（或放熱量）等于焓差，即：,式中， 、 分別是初、終態(tài)濕空氣的焓值。,例8：將p10.1MPa， t15，160的濕空氣在加熱器內(nèi)加熱，在t220下離開(kāi)。試確定在此定壓過(guò)程中對(duì)空氣供的熱量及離開(kāi)加熱器時(shí)的濕空氣相對(duì)濕度。（114頁(yè)習(xí)題8）,4.3.2 絕熱加濕過(guò)程, 噴水加濕過(guò)程 在絕熱條件下，向空氣中噴水使空氣含濕量增加的過(guò)程。 過(guò)程進(jìn)行時(shí)蒸發(fā)水分所需要的熱量全部來(lái)自于濕空氣本身，所以加濕后空氣的溫度將降低。 質(zhì)量守恒：

16、噴水量mw等于空氣含濕量的增加mst ，即：,穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程：,則,即,所以,由于水的焓值遠(yuǎn)小于濕 空氣的焓值，所以有：,噴水加濕過(guò)程可以近似視為定焓過(guò)程。噴水之后，空氣的含水量d、相對(duì)濕度增大，而溫度t減小。, 噴蒸汽加濕過(guò)程 與噴水加濕過(guò)程類似，可以推導(dǎo)出：,噴入水蒸氣后，濕空氣的焓h、含濕量d、相對(duì)濕度均將增大。 噴蒸汽加濕過(guò)程可以近似當(dāng)作等溫加濕過(guò)程。,例9：烘干用空氣的初態(tài)參數(shù)是t125 ， 160 ，p1=0.1MPa。在加熱器內(nèi)被 加熱到50 之后再送入烘箱。從烘箱 出來(lái)時(shí)的溫度是40 。求: （1）每蒸發(fā)1kg水分需供入多少空氣； （2）加熱器中應(yīng)加入多少熱量。,4

17、.3.3 冷卻去濕過(guò)程,濕空氣被冷卻到露點(diǎn)溫度（飽和狀態(tài)），然后繼續(xù)冷卻，則有蒸汽不斷凝結(jié)成水析出，達(dá)到冷卻去濕的目的。此時(shí)含濕量降低，空氣將一直處于飽和狀態(tài)。,質(zhì)量守恒：凝結(jié)水量mw等于空氣中含濕量的減少mst ，即：,所以，冷卻水 帶走的熱量為：,穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程：,則,即,由于水的焓值較小， 可忽略，則：,例10： p10.1MPa，t132，160的濕空氣，以qm=1.5kg/s的質(zhì)量流量進(jìn)入到冷卻設(shè)備的蒸發(fā)盤(pán)管被冷卻去濕，最后以t215的飽和濕空氣下離開(kāi)。求每秒的凝結(jié)水量qm,w以及放熱量Q。,4.3.4 增壓冷凝過(guò)程,將初參數(shù)為 p1、 t1、1的空氣壓縮后，其壓力、溫度達(dá)到 p

18、2 、 t2 ，則水蒸氣的分壓也將從pst1 = 1 ps1增加到 pst2 = pst1 p2 / p1 = 1 ps1 p2 / p1 。然后在壓力 p2下冷卻到 t2 ，與之對(duì)應(yīng)的水蒸氣的飽和蒸氣壓為ps2 ，若pst2 ps2， 則將有水分凝析；反之就不會(huì)有水分凝析。,例11：某壓氣機(jī)吸氣（濕空氣）壓力為 p1=0.1MPa，溫度為25 ，相對(duì)濕度 =62%，若把它壓縮至p2=0.4MPa，然 后冷卻為35 ，問(wèn)是否會(huì)出現(xiàn)凝析？,4.3.5 絕熱混合過(guò)程,將幾股不同狀態(tài)的濕空氣在絕熱條件下混合，以得到符合要求的濕空氣?；旌虾蟮臐窨諝鉅顟B(tài)取決于混合前各股濕空氣的狀態(tài)和流量比。,質(zhì)量守

19、恒,能量守恒,4.5 壓氣機(jī)中的熱力過(guò)程, 壓氣機(jī)是生產(chǎn)壓縮氣體的設(shè)備，它不是動(dòng)力機(jī)，是通過(guò)消耗機(jī)械能而使氣體壓力升高的一種工作機(jī)。 分類（按工作原理和構(gòu)造） 容積式：往復(fù)式（活塞式） 速度式：離心式（葉輪式） 引射式,4.5.1 壓氣機(jī)的理想熱力過(guò)程,壓氣機(jī)工作的時(shí)候，有氣體的進(jìn)出，是開(kāi)口系統(tǒng)。從進(jìn)、出口氣流來(lái)看，可視為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，所以滿足方程： 忽略動(dòng)能和位能的變化，則有 即壓氣機(jī)消耗的功量等于技術(shù)功。,根據(jù)壓氣機(jī)不同的工作條件，壓縮過(guò)程12可能出現(xiàn)三種情況： 一是過(guò)程進(jìn)行得很快，氣體來(lái)不及與外界交換熱量，可視為絕熱過(guò)程； 二是過(guò)程進(jìn)行得十分緩慢，氣體及時(shí)向外界散熱，氣

20、體溫度始終與初溫相等，可視為定溫過(guò)程； 三是實(shí)際的壓縮過(guò)程，既有向外散熱，氣體溫度也有所升高，多變指數(shù)n介于1和k之間。,壓氣機(jī)壓縮過(guò)程的 p-v、T-s 圖,氣體耗功,1-2 絕熱過(guò)程，壓縮后溫度升高,1-2” 定溫過(guò)程，耗功,氣體耗功,1-2 實(shí)際多變過(guò)程，壓縮后溫度,可以看出，在相同的p2/ p1和T1下， 即絕熱過(guò)程耗功最多，最終氣溫最高 ；定溫壓縮耗功最少，最終氣溫最低；多變過(guò)程介于兩者之間。在實(shí)際壓縮過(guò)程中，終溫過(guò)高不僅會(huì)損壞壓縮機(jī)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起爆炸。因此應(yīng)力求使工質(zhì)得到充分冷卻，使之趨于定溫壓縮。 同時(shí)，由于氣缸散熱面積有限，一次壓縮時(shí)間又短，散熱量有限，所以，工程上常

21、采用多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的方法。,,4.5.2 活塞式壓縮機(jī), 組成 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 活塞 氣缸 吸、排氣閥,4.5.2 .1活塞式壓縮機(jī)的工作原理,壓縮機(jī)每完成一個(gè)循環(huán)，曲柄旋轉(zhuǎn)一周，依次進(jìn)行一次吸氣、壓縮、排氣和膨脹的過(guò)程。,死點(diǎn)：活塞左右兩極限的位置點(diǎn)； 行程（沖程）：兩死點(diǎn)之間的距離； 行程容積Vh ：一次行程活塞所掃過(guò)的體積。 活塞右行時(shí)，壓力為p1的低壓氣體通過(guò)吸氣閥吸入氣缸，活塞行至右死點(diǎn)； 活塞左行時(shí)，吸氣閥關(guān)閉，氣體因所占的容積縮小而壓力升高。當(dāng)壓力達(dá)到p2時(shí)，排氣閥頂開(kāi)，開(kāi)始排氣過(guò)程，直到活塞運(yùn)行至左死點(diǎn)為止。, 理想情況, 實(shí)際情況 余隙：在左死點(diǎn)，為防止相

22、撞，活塞端面與氣缸端面之間的間隙。 余隙容積Vc：間隙的容積。,活塞左行排氣時(shí)，由于余隙的存在，只能行至3點(diǎn)；當(dāng)其再次右行時(shí)，由于余隙內(nèi)氣體壓力p2高于吸氣壓力p1 ，吸氣閥無(wú)法打開(kāi)。所以余隙內(nèi)的氣體首先膨脹降壓至4點(diǎn)，才開(kāi)始吸氣。,4.5.2.2 壓氣功的計(jì)算, 理想壓氣功,氣體在壓氣機(jī)中的壓縮和膨脹過(guò)程可視為多變過(guò)程。,, 有余隙的壓氣功, 功率,,,此時(shí)，壓氣功為面積1-2 -3-4-1，即壓縮過(guò)程技術(shù)功與膨脹過(guò)程技術(shù)功的差值。,是壓氣機(jī)的有效吸氣容積。,4.5.2.3 容積效率,壓氣機(jī)的有效吸氣容積Ve與行程容積Vh的比值稱為容積效率。,稱為相對(duì)余隙容積，則,容積效率與p2/p1有

23、關(guān),因此，依靠單級(jí)壓縮往往難以達(dá)到工程實(shí)際中所要求的高壓，實(shí)際工程中多采用多級(jí)壓縮。,由此可見(jiàn)，當(dāng)n一定時(shí)，越大，v越?。划?dāng)n與一定時(shí)，提高p2/p1，v越小，當(dāng)p2/ p1增加到某一值時(shí)，容積效率v 為零，此時(shí)4與1重合。 對(duì)一定的壓氣機(jī)，當(dāng)v為零時(shí)，單級(jí)壓縮的最大升壓比,4.5.3 葉輪式壓縮機(jī),葉輪式壓縮機(jī)主要分離心式和軸流式兩種，它們的特點(diǎn)都是氣體連續(xù)不斷地進(jìn)入壓縮機(jī)，被壓縮后壓力升高不斷地流出壓縮機(jī)。即氣體的壓縮是在連續(xù)流動(dòng)下進(jìn)行的。 以離心式壓縮機(jī)為例說(shuō)明。 離心式壓縮機(jī)包括轉(zhuǎn)子和定子兩部分。,氣體由吸氣口進(jìn)入吸氣室，在吸氣室導(dǎo)流的作用下均勻進(jìn)入葉輪。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使氣體

24、在離心力的作用下加速，由葉輪出來(lái)的高速氣體進(jìn)入截面積逐漸變大的擴(kuò)壓器，將氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，從而得到高壓氣體。 葉輪式壓縮機(jī)里的氣體以極高的速度流過(guò)，在短暫的壓縮過(guò)程氣體來(lái)不及散熱，所以該壓縮過(guò)程可視為絕熱壓縮。,4.5.4 多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻,多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的原理是氣體逐級(jí)在不同氣缸中被壓縮，每經(jīng)過(guò)一次壓縮后，就在中間冷卻器中定壓冷卻至壓縮前的低溫，然后進(jìn)入下一級(jí)氣缸中繼續(xù)被壓縮。 被壓縮氣體中帶有一些水蒸氣或油氣，在高壓冷卻下會(huì)析出水滴或油滴，會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的氣缸造成沖擊現(xiàn)象，因此在級(jí)間冷卻器后設(shè)有油水分離器，除去析出的水分或油分。,,,兩級(jí)壓縮、中間冷卻的流程示意圖及p-v、

25、T-s 圖,, p1和p2之間的壓縮級(jí)數(shù)越多，壓縮過(guò)程就越 接近定溫壓縮； 但級(jí)數(shù)越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，摩擦損失多，經(jīng)濟(jì) 上不合算； 級(jí)數(shù)的多少視p1、p2的大小確定，一般24級(jí)。, 多級(jí)壓縮與單級(jí)壓縮相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：, 排氣溫度低，每一級(jí)的壓力比較小，又有級(jí) 間冷卻器，能夠保證壓縮機(jī)的安全； 省功； 每一級(jí)壓力比小，則容積效率高； 多級(jí)壓縮活塞上所受的最大氣體力較小， 高壓級(jí)的氣缸直徑可做得較小。, 多級(jí)壓縮的中間壓力的最佳值,采用多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻時(shí)，最有利的中間壓力是使各級(jí)壓縮的總功耗最小。 以兩級(jí)壓縮為例，設(shè)各級(jí)壓縮指數(shù)n相同，則,令 得最有利的中間壓力,則，最佳壓

26、力比,同理，對(duì)于 z 級(jí)壓縮來(lái)說(shuō)，有,每一級(jí)耗功為,z 級(jí)總耗功,,例12：要將p1=0.1MPa，t1=17的空氣 壓縮到 p2=1.6MPa。設(shè)壓縮過(guò)程的 多變指數(shù)n=1.25，余隙容積與行程 容積之比為5%。試用計(jì)算證實(shí)采 用雙級(jí)壓縮比單級(jí)壓縮更好。,例13：空氣由初態(tài)壓力98.07kPa，溫度20，經(jīng)三級(jí)壓氣機(jī)壓縮后，壓力提高到12.26MPa。若空氣進(jìn)入各級(jí)氣缸時(shí)的溫度相同，且各級(jí)壓縮指數(shù)均為1.25。試求生產(chǎn)質(zhì)量為1kg的壓縮空氣所消耗的最小功，并求各級(jí)氣缸的排氣溫度；又若單級(jí)壓氣機(jī)一次壓縮到12.26MPa，壓縮指數(shù)也是1.25，則所耗的功和排氣溫度各為多少？,4.6 往

27、復(fù)式膨脹機(jī)中的熱力過(guò)程,4.6.1 工作過(guò)程分析 往復(fù)式膨脹機(jī)的工作原理與往復(fù)式壓縮機(jī) 基本相同，只是作用相反而已。 完全膨脹示功圖,4 1 定壓吸氣線1 2 膨脹降溫、降壓線2 3 定壓排氣線3 4 壓縮升壓線, 不完全膨脹、不完全壓縮示功圖,實(shí)際過(guò)程中膨脹機(jī)的 p-V 圖（1-2-2”-3- 4-4-1）,4-4 定容無(wú)功吸氣線4 - 1 定壓吸氣線1 -2 膨脹降溫、降壓線2-2” 定容無(wú)功排氣線2”-3- 定壓排氣線3- 4 壓縮線2-2-2” 不完全膨脹損失的功3-4-4-3-3 不完全壓縮多回收的功4-4 不完全過(guò)程多充氣的量, 不完全膨脹與完全膨脹相比：,多回收功 充氣量多 單位

28、質(zhì)量氣體回收能量少,4.7 鍋爐生產(chǎn)蒸汽的熱力過(guò)程,鍋爐是產(chǎn)生蒸汽或熱水的重要設(shè)備。 燃料在鍋爐中燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為高溫?zé)煔獾臒崮堋８邷責(zé)煔鈱崃總鬟f給鍋爐內(nèi)表面的水冷壁里溫度較低的水，水被加熱，沸騰汽化，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽流經(jīng)過(guò)熱器最終成為高溫高壓的過(guò)熱蒸汽，然后進(jìn)入汽輪機(jī)做功。 高溫?zé)煔饬鹘?jīng)過(guò)熱器、再熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器后進(jìn)入除塵器，并依靠引風(fēng)機(jī)將除塵后的煙氣送入煙囪排至大氣中。,鍋爐的工作包括三個(gè)同時(shí)進(jìn)行著的過(guò)程：燃料的燃燒過(guò)程，煙氣向水、水蒸汽傳熱的過(guò)程，水的受熱升溫、汽化、過(guò)熱的過(guò)程。 鍋爐里水蒸汽的產(chǎn)生過(guò)程，壓力變化不大，可認(rèn)為是定壓過(guò)程。該過(guò)程工質(zhì)吸收的熱量： 其中，

29、ha是進(jìn)入鍋爐過(guò)冷水的焓值， he是鍋爐出口過(guò)熱蒸汽的焓值。,4.8 汽輪機(jī)中工質(zhì)膨脹的熱力過(guò)程,汽輪機(jī)是一種以蒸汽為工質(zhì)，將高溫高壓蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械功的高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)械。 理想狀況下，蒸汽在汽輪機(jī)中做功，是可逆絕熱膨脹過(guò)程。 做功量： 其中， ha是進(jìn)入汽輪機(jī)的過(guò)熱蒸汽的焓值， hb是汽輪機(jī)出口乏汽的焓值。,理想氣體熱力過(guò)程小結(jié),掌握熱力過(guò)程計(jì)算公式 應(yīng)用p-v圖與T-s圖分析多變過(guò)程,要求熟練掌握4種基本過(guò)程及多變過(guò)程的初、終態(tài)p、v、T 參數(shù)之間的關(guān)系式，以及過(guò)程中系統(tǒng)與外界交換的熱量、功的計(jì)算。 計(jì)算公式匯總于下表。, 掌握熱力過(guò)程計(jì)算公式, 在p，v，T 初、終態(tài)參

30、數(shù)之間的關(guān)系式中，定容、定壓、定溫過(guò)程很容易從狀態(tài)方程中推得，不必死記。 定熵過(guò)程和多變過(guò)程，其狀態(tài)參數(shù)僅僅是指數(shù)不同，記住其中一種過(guò)程，另一種過(guò)程也就記住了。 在定熵過(guò)程（或多變過(guò)程）參數(shù)之間的3個(gè)公式中，只需記住一個(gè)，其余2個(gè)可以從這一個(gè)和狀態(tài)方程中求得。,各種過(guò)程熱量和功量的計(jì)算公式，可以概括為如下兩公式的具體應(yīng)用。,,,從以上2式中看到，計(jì)算功和熱量的方法有：,,,,, 無(wú)論什么過(guò)程，理想氣體的內(nèi)能、焓和熵均 按下列式子計(jì)算（按比熱容為定值考慮）：,,, 應(yīng)用p-v圖與T-s圖分析多變過(guò)程,掌握p-v圖與T-s圖上多變過(guò)程線的分布規(guī)律,,,在p-v圖上，過(guò)程線的斜率可根據(jù)

31、 確定,在T-s圖上，過(guò)程線的斜率可根據(jù) 求得,,過(guò)程中q、u、h、w和wt值正負(fù)的判斷方法,,,根據(jù)過(guò)程的要求，在p-v圖和T-s圖上表示該過(guò)程。 例如要求將工質(zhì)又膨脹、又吸熱、又降溫的 過(guò)程表示在p-v圖和T-s圖上。,先在p-v圖和T-s圖上畫(huà)出四條基本過(guò)程線 找出工質(zhì)膨脹的區(qū)域 找出工質(zhì)吸熱的區(qū)域 找出工質(zhì)降溫的區(qū)域 在p-v圖和T-s圖上所標(biāo)的以上3個(gè)區(qū)域的重疊部分，就是工質(zhì)又膨脹、又吸熱、又降溫區(qū)域。從起始點(diǎn)向該區(qū)域畫(huà)一條線，該過(guò)程線即為所要求的過(guò)程線。,知道p-v圖和T-s圖上各線群的大小變化趨向,例14：試分析多變指數(shù)在1

32、：試確定下列多變過(guò)程的多變指數(shù)n，將過(guò)程繪于同一 p-v圖和T-s圖上，并判定過(guò)程特性：吸熱還是放熱？輸出功還是耗功？?jī)?nèi)能增大還是減??？設(shè)工質(zhì)為空氣，比熱容cv0.717kJ/(kgK)，絕熱指數(shù)k=1.4。（1）用示功器測(cè)得的某氣缸中氣體的一組p-v數(shù)據(jù)在lgp-lgv圖上為一直線，其中兩個(gè)狀態(tài)為p1=0.09MPa、V1=436.2cm3和p2=0.9667MPa、 V2=72.7cm3。（2）已知是多變過(guò)程，測(cè)得吸熱q=650kJ/kg，溫差T150K。,例16：某氣體循環(huán)由下列可逆過(guò)程組成：1-2為絕熱壓縮過(guò)程，初溫度為T(mén)1，壓縮比=(V1/V2)=8；2-3為定壓加熱過(guò)程，V3=2V

33、2；3-4為定溫膨脹過(guò)程，V4=V1；4-1為定容放熱過(guò)程。若設(shè)氣體k=1.4，試： （1）繪出該循環(huán)的p-v圖及T-s圖； （2）計(jì)算相同溫限的卡諾循環(huán)熱效率； （3）計(jì)算該循環(huán)的熱效率。,例17：氧氣O2由t1=40，p1=0.1MPa被壓縮到p2=0.4MPa，試計(jì)算壓縮1kg氧氣消耗的技術(shù)功：（1）按定溫壓縮；（2）按絕熱壓縮，設(shè)為定值比熱容；（3）將上述兩過(guò)程表示在p-v圖和T-s圖上，試比較兩種情況下技術(shù)功的大小。,例18：如圖所示，1mol理想氣體，從狀態(tài)1經(jīng)定壓過(guò)程達(dá)到狀態(tài)2，再經(jīng)定容過(guò)程達(dá)到狀態(tài)3。另一途徑為經(jīng)直線1-3直接達(dá)到3。已知p10.1MPa，T1300K，v2=3v1，p3=2p2，試證明：（1） ；（2） 。,,,