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第四章理想氣體的熱力過(guò)程及氣體壓縮
1分析熱力過(guò)程的目的及一般方法
3多變過(guò)程的綜合分析
2理想氣體基本熱力過(guò)程4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響6多級(jí)壓縮及中間冷卻
本章基本知識(shí)點(diǎn)
熟練掌握定容、定壓、定溫、絕熱、多變過(guò)程中狀態(tài)參數(shù)p、v、T、u、h、s的計(jì)算,過(guò)程量Q、W的計(jì)算,以及上述過(guò)程p-v
、T-s圖上的表示。
分析對(duì)象:
閉口系統(tǒng)
過(guò)程性質(zhì):可逆過(guò)程過(guò)程特點(diǎn):
定容過(guò)程、定壓過(guò)程、定溫過(guò)程、絕熱(多變)過(guò)程§4-1分析熱力過(guò)程的目的及一般方法
一、研究熱力學(xué)過(guò)程的目的與方法內(nèi)容:以第一定律為基礎(chǔ),理想氣體為工質(zhì),分析可逆的基本熱力過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換、傳遞關(guān)系,揭示過(guò)程中工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律及熱量和功量的計(jì)算。目的:主要研究外部條件對(duì)熱功轉(zhuǎn)換的影響,提高熱力學(xué)過(guò)程的熱功轉(zhuǎn)換效率。利用外部條件,合理安排過(guò)程,形成最佳循環(huán)。對(duì)已確定的過(guò)程,進(jìn)行熱力計(jì)算。方法:1.求出過(guò)程方程。2.計(jì)算各過(guò)程初終態(tài)參數(shù)。3.畫出過(guò)程的p-v圖及T-s圖,直觀分析過(guò)程中參數(shù)間關(guān)系及能量關(guān)系。4.計(jì)算初終態(tài)參數(shù)下比熱力學(xué)能、比焓、比熵的變化量。5.根據(jù)第一定律及理想氣體性質(zhì)計(jì)算過(guò)程中功和熱。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.第一定律穩(wěn)流二、熱力學(xué)過(guò)程中工質(zhì)參數(shù)變化值的計(jì)算適用條件:理想氣體、可逆過(guò)程
a.理想氣體內(nèi)能變化量
b.理想氣體焓的變化量
任何過(guò)程中都有下列計(jì)算式成立c.理想氣體熵的變化量強(qiáng)調(diào)!三、分析熱力學(xué)過(guò)程的步驟1.確定過(guò)程方程------該過(guò)程中參數(shù)變化關(guān)系5.計(jì)算w
,
wt,
q4.求3.用T-s
與p-v
圖表示2.根據(jù)以知參數(shù)及過(guò)程方程求未知參數(shù)
§4-2理想氣體基本熱力過(guò)程理想氣體的多變過(guò)程(Polytropicprocess)過(guò)程方程:n是常量,每一過(guò)程只有一n值=常數(shù)
多變過(guò)程(polytropicprocess)(isobaricprocess;constantpressureprocess)(isometricprocess;constantvolumeprocess)(isentropicprocess;reversibleadiabaticprocess)(isothermalprocess;constanttemperatureprocess)一、基本熱力過(guò)程(1)
當(dāng)n=0
(2)
當(dāng)n=1多變過(guò)程與基本過(guò)程的關(guān)系(3)
當(dāng)n=k
(4)
當(dāng)n=
基本過(guò)程是多變過(guò)程的特例pTsvnpTsv二、定壓、定容和定溫過(guò)程1、過(guò)程方程定容過(guò)程(v=常數(shù))定壓過(guò)程(p=常數(shù))定溫過(guò)程2、在p-v圖及T-s圖上表示定容過(guò)程:定壓過(guò)程:定溫過(guò)程:3、比熱容定容過(guò)程
定壓過(guò)程
定溫過(guò)程4、Δu、
Δh和Δs定容過(guò)程定壓過(guò)程定溫過(guò)程5、w、wt和q定容過(guò)程定壓過(guò)程定溫過(guò)程三、等比熵(可逆絕熱)過(guò)程1、過(guò)程方程取定比熱容,積分由推導(dǎo)過(guò)程,上述三式適用于:
理想氣體,定比熱,可逆絕熱過(guò)程。2、在p-v圖及T-s圖上表示nn3、比熱容4、Δu、Δh和Δs5、w,wt和q或006、變比熱絕熱過(guò)程功的計(jì)算(1)、查表(2)、用代替理想氣體基本過(guò)程的
u,h,
s
內(nèi)能變化焓變化熵變化
狀態(tài)參數(shù)的變化與過(guò)程無(wú)關(guān)pTsv理想氣體基本過(guò)程的wpTsv理想氣體基本過(guò)程的wtpTsv理想氣體基本過(guò)程的qpTsvcp
的定義cv
的定義例4-1:質(zhì)量為4kg的空氣由初狀態(tài)p1=0.4MPa、溫度t1=25℃,經(jīng)過(guò)下列不同過(guò)程膨脹到同一終態(tài)壓力p2=0.1Mpa:(1)定溫過(guò)程;(2)定熵過(guò)程。試計(jì)算這兩個(gè)過(guò)程中空氣對(duì)外作的膨脹功,所進(jìn)行的熱量交換、終態(tài)參數(shù)和空氣熵的變化。設(shè)空氣的比熱容為定值,且。解:終態(tài)溫度T2=T1=25+273=298K
膨脹功
熱量
熵變化(1)定溫過(guò)程(2)定熵過(guò)程
膨脹功熱量
熵變化終態(tài)溫度或§4-3多變過(guò)程的綜合分析
一、過(guò)程方程n是常量,每一過(guò)程有一n值二、初終態(tài)關(guān)系n(1)
當(dāng)n=0
(2)
當(dāng)n=1多變過(guò)程與基本過(guò)程的關(guān)系(3)
當(dāng)n=k
(4)
當(dāng)n=
基本過(guò)程是多變過(guò)程的特例pTsvnpTsv三、多變過(guò)程的p-v圖和T-s圖pvTsn=0n=±∞n=±∞n=0n=0n=0n=n=n=kn=n=1n=1n=1n=11<n<1<n<1<n<1<n<n=+∞n=—∞n=—∞n=+∞n<0n<0n<0n<0四、功量和熱量?jī)?nèi)能變化量
焓的變化量體積功多變過(guò)程中技術(shù)功的計(jì)算容積功技術(shù)功熱量稱cn為多變過(guò)程的比熱容(n1)。即五、多變過(guò)程中熱量的計(jì)算斜率理想氣體基本過(guò)程的p-v,T-s圖上凸?下凹?sTvpppp斜率理想氣體基本過(guò)程的p-v,T-s圖上凸?下凹?sTvpppvvv斜率理想氣體基本過(guò)程的p-v,T-s圖上凸?下凹?sTvpppTvvTT理想氣體基本過(guò)程的p-v,T-s圖sTvpppsvvTTss理想氣體基本過(guò)程的p-v,T-s圖sTvpppvvTTssu在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpuT=u>0u>0w在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0q在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0Tq>0u,h,w,wt,q在p-v,T-s圖上的變化趨勢(shì)sTvpu>0u>0h>0h>0w>0w>0wt>0wt>0q>0u↑,h↑(T↑)
w↑(v↑)
wt↑(p↓)
q↑(s↑)q>0§4-4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功
壓氣機(jī)的作用生活中:自行車打氣。工業(yè)上:鍋爐鼓風(fēng)、出口引風(fēng)、煉鋼、燃?xì)廨啓C(jī)、制冷空調(diào)等等壓力范圍通風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)消耗外功使氣體壓縮升壓的設(shè)備統(tǒng)稱為壓氣機(jī)。壓氣機(jī)的定義(1)壓氣機(jī)按其產(chǎn)生壓縮氣體的壓力范圍,習(xí)慣上常分為:①通風(fēng)機(jī)(<0.01MPa);②鼓風(fēng)機(jī)(0.01MPa<<0.3MPa);③壓縮機(jī)(
>0.3MPa)。(2)按壓縮原理和結(jié)構(gòu)將壓氣機(jī)分為:
活塞式、葉輪式(離心式和軸流式)及引射式。壓氣機(jī)的分類離心式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖擴(kuò)壓管進(jìn)氣室進(jìn)氣口葉輪蝸殼出氣口出口擴(kuò)壓器主軸出口擴(kuò)壓器軸流式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖收縮器
靜葉片動(dòng)葉片擴(kuò)壓器機(jī)殼轉(zhuǎn)子止推軸承支撐軸承聯(lián)軸器軸端密封進(jìn)口導(dǎo)向葉片葉輪式壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程1、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖空氣濾清器進(jìn)氣閥氣缸活塞散熱片排氣閥一、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作原理理論壓氣功(可逆過(guò)程)指什么功目的:研究耗功,越少越好活塞式壓氣機(jī)的壓氣過(guò)程技術(shù)功wtpva2、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過(guò)程模擬pvapva2、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過(guò)程模擬pvapva12、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過(guò)程模擬同14pva12、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過(guò)程模擬pva122、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過(guò)程模擬pva122、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過(guò)程模擬V112abpVV2p202、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)工作過(guò)程模擬V112abpVV2p20二、單級(jí)活塞式壓氣機(jī)的理論耗功Wc
的計(jì)算進(jìn)氣氣體向活塞作功壓縮活塞向氣體作功排氣活塞向氣體作功(1)、特別快,來(lái)不及換熱。(2)、特別慢,熱全散走。(3)、實(shí)際壓氣過(guò)程是
可能的壓氣過(guò)程sTn三、定溫、定熵、多變壓縮消耗功基本能量方程各過(guò)程中壓氣機(jī)耗功都應(yīng)滿足基本能量方程可逆定溫壓縮定熵壓縮多變壓縮若工質(zhì)為理想氣體四、定溫、定熵、多變壓縮消耗理論功的比較pvTs12S2T12np2p12S2T2nabp2p1jmn結(jié)論:
三種壓氣過(guò)程的參數(shù)關(guān)系
三種壓氣過(guò)程功的計(jì)算最小重要啟示§4-5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響避免活塞與進(jìn)排氣閥碰撞,留有空隙余隙容積壓縮過(guò)程排氣,狀態(tài)未變殘留氣體膨脹進(jìn)新氣,狀態(tài)未變活塞式壓氣機(jī)的余隙影響活塞排量研究VC對(duì)耗功和產(chǎn)氣量的影響新氣量產(chǎn)氣量有效吸氣容積V=V1-V4V
h=V1-V3V4–V3V
c12nn4350pV
hV
一、有余隙的活塞式壓氣機(jī)的工作過(guò)程§4-5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響V=V1-V4V
h=V1-V3V4–V3V
e12nn4350pV實(shí)際進(jìn)入氣缸的氣體所占的體積余隙容積為活塞排量有余隙時(shí)的理論壓氣功為假定1—2及3—4兩過(guò)程的n相同,則二、余隙容積對(duì)理論壓氣功的影響
表明,不論有無(wú)余隙,壓縮單位質(zhì)量氣體所消耗的理論壓氣功相同。因?yàn)?對(duì)于1kg氣體
所以三、余隙對(duì)排氣量的影響
顯然,有效的吸氣容積小于活塞排量,降低了活塞排量的利用率。它用兩者的比值容積效率ηv()表示。是余隙與活塞排量的比值,稱為余隙比,所以上式可寫成由于式中,通常為0.03~0.08。四、增壓比對(duì)容積效率的影響在相同的余隙比時(shí),提高增壓比,將減小容積效率,因此當(dāng)需要獲得較高壓力時(shí),必須采用多級(jí)壓縮,而當(dāng)增壓比一定時(shí),余隙比加大,也將使容積效率降低總之有余隙容積時(shí)雖然理論壓氣功不變,但進(jìn)氣量減少,氣缸容積不能充分利用,當(dāng)壓縮同量氣體p2p1V1340VVcVh時(shí),必須采用氣缸較大的機(jī)器,而且這一有害的余隙影響還隨增壓比的增大而增加。所以應(yīng)該盡量減小余隙容積。
三種壓氣過(guò)程功的計(jì)算最小重要啟示低壓缸中間冷卻器高壓缸冷卻水§4-6多級(jí)壓縮及中間冷卻
多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻壓氣機(jī)裝置系統(tǒng)圖分級(jí)壓縮中間冷卻分級(jí)壓縮的級(jí)數(shù)省功分級(jí)降低出口溫度多級(jí)壓縮達(dá)到無(wú)窮多級(jí)(1)不可能實(shí)現(xiàn)(2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜(成本高)所以,一般采用2~4
級(jí)壓縮T分級(jí)壓縮的其它好處
潤(rùn)滑油要求t<160~180℃,
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