第十一章《礦山流體機(jī)械》課件

第四篇礦山壓縮空氣設(shè)備第十一章礦山壓縮空氣設(shè)備概述

及熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)礦山壓縮空氣設(shè)備概述熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)本章小結(jié)第一節(jié)礦山壓縮空氣設(shè)備概述以壓縮空氣為動(dòng)力源的優(yōu)點(diǎn)：（1）可避免由于電火花而引起的爆炸，比電力源安全；（2）礦山使用的風(fēng)動(dòng)機(jī)具大部分是沖擊式機(jī)械，往復(fù)速度高、沖擊力大，適宜切削堅(jiān)硬的巖石；（3）壓縮空氣本身具有良好的彈性和沖擊性能，適合在變負(fù)載條件下作動(dòng)力源，比電力源有更大的過負(fù)荷能力；（4）風(fēng)動(dòng)機(jī)械排出的廢氣可幫助通風(fēng)和降溫，有利于改善工作環(huán)境。缺點(diǎn)是壓氣設(shè)備本身的效率較低，而壓縮空氣又是二次能源，所以運(yùn)行費(fèi)用較高。

一、礦山壓氣設(shè)備的組成礦山壓氣設(shè)備主要由空壓機(jī)、拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、附屬裝置和輸氣管路等組成。如圖所示，在空壓機(jī)房?jī)?nèi)，由拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)1驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)2動(dòng)作。空氣由空氣過濾器3進(jìn)入空壓機(jī)內(nèi)進(jìn)行壓縮，當(dāng)達(dá)到額定壓力時(shí)，壓縮空氣就被送入風(fēng)包4中儲(chǔ)存，最后通過輸氣管路5送到井下各用氣地點(diǎn)。二、空壓機(jī)的類型按作用原理不同，工業(yè)上使用最廣泛的空壓機(jī)可分為容積型和速度型兩大類。

容積型空壓機(jī)又可分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩類。往復(fù)式空壓機(jī)主要有活塞式空壓機(jī)；回轉(zhuǎn)式空壓機(jī)主要有螺桿式和滑片式空壓機(jī)。

速度式空壓機(jī)又可分為離心式和軸流式兩類。

第二節(jié)熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)一、氣體的狀態(tài)參數(shù)在熱力學(xué)中，用壓力p、溫度T和比容v來描述氣體所處的狀態(tài)，所以，p、T、v稱為氣體的狀態(tài)參數(shù)。因這三個(gè)量可以直接或間接地用儀器測(cè)量出來，故又稱為基本狀態(tài)參數(shù)。（一）壓力p

壓力（即壓強(qiáng)）是指氣體垂直作用在容器壁單位面積上的力，也就是氣體的絕對(duì)壓力（絕對(duì)壓強(qiáng)）。用壓力表測(cè)得的壓力稱為表壓力（表壓強(qiáng)），也稱為相對(duì)壓力（相對(duì)壓強(qiáng)）。而在理論計(jì)算時(shí)，往往用絕對(duì)壓力，壓力的單位為N/m2（Pa）。（二）溫度T

溫度是表示物體冷熱程度的參數(shù)。溫度的高低，反映了氣體內(nèi)部大量分子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱程度。測(cè)量溫度的標(biāo)尺稱為溫標(biāo)。目前我國采用兩種溫標(biāo)，即攝氏溫標(biāo)t（℃）和絕對(duì)溫標(biāo)T（K），其關(guān)系為：T＝t+273。在熱力學(xué)計(jì)算中，采用的是熱力學(xué)溫度，即絕對(duì)溫度。（三）比容v

比容是指單位質(zhì)量的氣體所占有的容積，單位為m3/kg。顯然，比容的倒數(shù)就是密度二、理想氣體狀態(tài)方程式反映p、V（v）、T之間關(guān)系的方程式稱為氣體的狀態(tài)方程式。（一）波義耳—馬略特定律一定量的氣體，當(dāng)溫度保持不變時(shí)，其體積和壓力成反比，即對(duì)1kg氣體而言（二）蓋—呂薩克定律一定量的氣體，當(dāng)壓力保持不變時(shí)，其體積與絕對(duì)溫度成正比，即對(duì)1kg氣體而言（三）理想氣體狀態(tài)方程式如下圖所示，由狀態(tài)a到b，因溫度T1保持不變，故由狀態(tài)b到c，因壓力p2保持不變，故則有對(duì)1kg氣體進(jìn)行研究時(shí)，常數(shù)用R表示，故對(duì)于Mkg的氣體，上式兩邊應(yīng)乘以M，得即三、內(nèi)能U

氣體的內(nèi)能U是指氣體內(nèi)部所具有的各種能量的總和，其單位是焦耳（J），與功的單位相同。理想氣體的內(nèi)能只與溫度有關(guān)，即通過熱傳遞的方式可改變內(nèi)能。四、焓H

焓H是指系統(tǒng)內(nèi)能U和系統(tǒng)的壓強(qiáng)p與體積V的乘積之和，即H＝U＋pV。焓的單位是焦耳（J）。1kg介質(zhì)的焓稱為比焓。在氣體等壓變化過程中，常用焓差來表示熱交換量，即ΔH＝ΔQ。五、熵熵是指氣體由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài)后的改變程度（即無序度）。在可逆轉(zhuǎn)變過程中，熵的改變是零；在不可逆轉(zhuǎn)變過程中，熵總是增加的。例如，空壓機(jī)中，氣體壓縮過程中伴有熱量損失，其熵值就是增加的。熵的增加值越小，說明熱量損失就越小，空壓機(jī)的效率就越高。六、熱力學(xué)第一、第二定律（一）熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱力工程中的具體應(yīng)用，即熱能與機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)換前后的總能量保持不變，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：上式表明：系統(tǒng)從外界吸收的熱量一部分使系統(tǒng)內(nèi)能增加，另一部分則用來對(duì)外做功。（二）熱力學(xué)第二定律

熱力學(xué)第二定律指出在熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的循環(huán)中，必須有兩個(gè)不同的熱源，同時(shí)熱量不能自發(fā)地從低溫?zé)嵩磦鬟f給高溫?zé)嵩?。七、氣體的比熱容比熱容簡(jiǎn)稱為比熱，是指單位質(zhì)量的氣體，溫度變化1K時(shí)吸收或放出的熱量。氣體比熱值的大小與氣體和外界進(jìn)行熱交換時(shí)的條件有關(guān)，即與熱力過程有關(guān)。若吸（放）熱是在氣體容積不變的情況下進(jìn)行的，則稱為定容比熱，用符號(hào)CV表示，單位為J/（kg·K）；若吸（放）熱是在氣體壓力不變的情況下進(jìn)行的，則稱為定壓比熱，用符號(hào)Cp表示，單位為J/（kg·K）。根據(jù)比熱定義有：氣體的比熱容一般隨溫度的升高而增加。在工程計(jì)算中，為了簡(jiǎn)便起見，常常使用在一定溫度范圍內(nèi)的平均比熱。對(duì)于空氣，一般CV＝718J/（kg·K），Cp＝1005J/（kg·K）。在熱工計(jì)算中，還常用到Cp和CV的比值，這個(gè)比值稱為氣體的絕熱指數(shù)，用k表示，即八、理想氣體狀態(tài)的變化過程能量的轉(zhuǎn)換必須通過氣體狀態(tài)的不斷改變才能實(shí)現(xiàn)，這種氣體狀態(tài)的連續(xù)改變稱為氣體狀態(tài)的變化過程（熱力過程）。氣體的狀態(tài)經(jīng)過一系列變化后，又回到初始狀態(tài)的變化過程，稱為循環(huán)過程，簡(jiǎn)稱為循環(huán)。（一）等容過程在氣體容積保持不變的情況下，氣體狀態(tài)的變化過程稱為等容過程，其過程方程式為：V（v）＝常數(shù)根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式pV＝MRT可得，一定量的氣體，在等容過程中，氣體狀態(tài)參數(shù)的變化關(guān)系為：上式表明：在等容過程中，氣體的壓力與它的熱力學(xué)溫度成正比。在p–V（v）圖上，等容過程可用一條垂直于V軸的直線表示，如右圖所示，線1–2表示等容加熱過程，線1–2′表示等容冷卻過程。在等容過程中，因V＝常數(shù)，故氣體對(duì)外所做的膨脹功W＝0，在此過程中，氣體吸收或放出的熱量為：即在等容過程中，氣體吸收（或放出）的熱量全部用于增加（或減少）氣體的內(nèi)能。（二）等壓過程在壓力保持不變的情況下，氣體狀態(tài)的變化過程稱為等壓過程，其過程方程式為：p＝常數(shù)由理想氣體狀態(tài)方程式pV＝MRT可得，一定量的氣體，在等壓過程中，氣體狀態(tài)參數(shù)的變化關(guān)系為：上式表明：在等壓過程中，氣體的容積與它的熱力學(xué)溫度成正比。在p–V（v）圖上，等壓線是一條平行于V軸的直線，如右圖所示，線1–2表示氣體的等壓膨脹過程，線1–2′表示氣體的等壓壓縮過程。在定壓膨脹過程中，氣體對(duì)外界做功等于1–2線下的面積，即此過程中，氣體吸收的熱量Qp為：此熱量也可寫為：比較上述兩式可知：（三）等溫過程在溫度一定的情況下，氣體狀態(tài)的變化過程稱為等溫過程，其過程方程式為：T＝常數(shù)由理想氣體狀態(tài)方程pV＝MRT可得，一定量的氣體，在等溫過程中，氣體狀態(tài)參數(shù)的變化關(guān)系為：上式表明：在等溫過程中，氣體的壓力與它的容積成反比。在p–V（v）圖上，等溫過程是一條以坐標(biāo)軸為漸近線的等邊雙曲線，如右圖所示，線1–2表示等溫膨脹過程，線1–2′表示等溫壓縮過程。在等溫膨脹過程中，氣體對(duì)外做功等于1–2線下的面積，即在此過程中，因溫度不變，氣體的內(nèi)能變化ΔU＝U2－U1＝0，所以氣體吸收的熱量為：上式表明，理想氣體在等溫過程中，因溫度不變，內(nèi)能也不變；氣體膨脹時(shí)，從外界獲得的熱量全部用于對(duì)外膨脹做功；壓縮氣體時(shí)，所作的壓縮功全部轉(zhuǎn)為熱量向外釋放出去。（四）絕熱過程在與外界沒有熱量交換的情況下，氣體狀態(tài)的變化過程稱為絕熱過程。實(shí)際上，真正的絕熱過程是不存在的，但在過程進(jìn)行中，氣體與外界交換的熱量很小以致可忽略或來不及交換時(shí)，可近似當(dāng)作絕熱過程。其過程方程式為：ΔQ＝0絕熱過程的氣體狀態(tài)參數(shù)關(guān)系為：pVk＝常數(shù)根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式和絕熱過程方程式，可以得到下面一組反映絕熱過程中，氣體狀態(tài)參數(shù)之間關(guān)系的方程式：在p–V（v）圖上，絕熱線是一條以坐標(biāo)軸為漸近線的不等邊雙曲線，如右圖所示，線1–2表示絕熱膨脹過程，線1–2′表示絕熱壓縮過程。在絕熱膨脹過程中，氣體對(duì)外做功等于1–2線下的面積，即在絕熱過程中，ΔQ＝0，于是有：上式表明，在絕熱過程中，氣體膨脹時(shí)，將消耗本身的內(nèi)能來對(duì)外做功；壓縮氣體時(shí)，其壓縮功將全部用于增加氣體的內(nèi)能。（五）多變過程所有氣體狀態(tài)參數(shù)同時(shí)發(fā)生變化的過程稱為多變過程。其過程方程式為：

pVn＝常數(shù)n為多變指數(shù)，其值可以是－∞到＋∞內(nèi)的任何實(shí)數(shù)。這說明多變過程有無限多個(gè)，但都必須按照pVn＝常數(shù)的規(guī)律進(jìn)行狀態(tài)變化。所以，前述的等容、等壓、等溫、絕熱四個(gè)過程都是多變過程的特殊形式。在熱力機(jī)械中，常見熱力過程的多變指數(shù)n一般均在1～k范圍內(nèi)變化。當(dāng)n在1～k范圍內(nèi)變化時(shí)，多變過程曲線與其他四種基本過程曲線的相關(guān)位置如下圖所示。由于多變過程方程式pVn＝常數(shù)和絕熱過程方程式pVk＝常數(shù)的形式相同，因此，絕熱過程中計(jì)算功的公式和各種狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系式，都可應(yīng)用到多變過程中，只需將k換成n即可。故多變過程中的熱量為：本章小結(jié)（一）礦山壓縮空氣設(shè)備概述

1．礦山壓氣設(shè)備主要由空壓機(jī)、拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、附屬裝置（濾風(fēng)器、風(fēng)包、冷卻裝置等）和輸氣管路等組成。2．按作用原理不同，工業(yè)上使用最廣泛的空壓機(jī)可分為容積型和速度型兩大類。（二）熱力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1．在熱力學(xué)中，壓力p、溫度T、比容v稱為氣體的狀態(tài)參數(shù)。2．質(zhì)量為1kg和Mkg的理想氣體狀態(tài)方程式分別為：3．氣體的內(nèi)能U是指氣體內(nèi)部所具有的各種能量的總和。4．焓H是指系統(tǒng)內(nèi)能U和系統(tǒng)的壓強(qiáng)p與體積V的乘積之和，即H＝U＋pV。5．熵是指氣體由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)狀態(tài)后的改變程度（即無序度）。6．熱力學(xué)第一定律：熱能與機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)換，但轉(zhuǎn)換前后的總能量保持不變；熱力學(xué)第二定律：在熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的循環(huán)中，必須有兩個(gè)不同的熱源，同時(shí)熱量不能自