工程热力学课件：第八章.ppt

1、哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院第八章压气机的热力过程本章主要内容本章主要内容v活塞式压气机和叶轮式压气机的工作原理活塞式压气机和叶轮式压气机的工作原理v不同压缩过程耗功及压气机耗功计算不同压缩过程耗功及压气机耗功计算v余隙容积对活塞式压气机的影响余隙容积对活塞式压气机的影响v多级压缩、中间冷却的工作原理多级压缩、中间冷却的工作原理 压气机压气机压压力力范范围围目的：研究耗功，越少越好。目的：研究耗功，越少越好。 通风机通风机表压表压0.01MPa以下以下鼓风机鼓风机表压表压0.10.3MPa压气机压气机表压表压0.3MPa以上以上压气机（或压缩机）是消耗机械功而产生压气机（或压缩机）是消耗

2、机械功而产生高压气体（流体）的设备通称。高压气体（流体）的设备通称。压气机的应用压气机的应用 锅炉鼓风、出口引风、炼钢、燃气轮机、制冷空锅炉鼓风、出口引风、炼钢、燃气轮机、制冷空调等调等。自行车打气。自行车打气。压气机分类压气机分类活塞式活塞式压头高，流量小，间隙生产压头高，流量小，间隙生产叶轮式叶轮式压头低，流量大，连续生产压头低，流量大，连续生产按工作原理按工作原理压气机不是动力机，压气机中进行的过程不是循环压气机不是动力机，压气机中进行的过程不是循环.理论压气功理论压气功(可逆过程可逆过程)耗功耗功pv 8-18-1单级活塞式压气机的工作原理单级活塞式压气机的工作原理技术功技术功wt12

3、一、工作过程一、工作过程经历：吸气、压缩、排气三个阶段经历：吸气、压缩、排气三个阶段34p1p2指什么功指什么功8-18-1单级活塞式压气机的工作原理单级活塞式压气机的工作原理进气阶段：进气阶段：压缩阶段：压缩阶段：排气阶段：排气阶段：11vp二、耗功量二、耗功量22vppdvvdpwwtc压气机耗功量压气机耗功量pv1234p1p2(1)、特别快，来不及换热。、特别快，来不及换热。(2)、特别慢，热全散走。、特别慢，热全散走。(3)、实际压气过程是、实际压气过程是 kn 12p1p1T2n2s2pvT2n21Ts2p1ps2 可能的压气过程可能的压气过程sTnnk1n 2p1p1T2n2s2

4、pvT2n21Ts2p1ps2 三种压气过程的参数关系三种压气过程的参数关系tTtntswww2T2n2svvvTns0qqq12T2n2sTTTT2p1p1T2n2s2pvT2n21Ts2p1ps2 三种压气过程功的计算三种压气过程功的计算1tT12lnpwRTpn 12ntn111 ()1npwRTnp12ts111 ()1kkkpwRTkp最小最小 重要启示重要启示ggg小小 结结压缩过程耗功多少，取决于过程的性质压缩过程耗功多少，取决于过程的性质 等温、绝热、多变。等温、绝热、多变。耗功的大小是压气机的主要指标耗功的大小是压气机的主要指标 三个过程中定温过程耗功最小。三个过程中定温过程

5、耗功最小。改进压气机主要是减小过程的多变指数改进压气机主要是减小过程的多变指数 使其趋近定温，即使其趋近定温，即n=1n=1。8 82 2 余隙容积的影响余隙容积的影响一、余隙容积（一、余隙容积（clearance volume） 产生原因产生原因布置进、排气结构布置进、排气结构制造公差制造公差部件热膨胀部件热膨胀几个名词：几个名词： 气缸排量气缸排量 （ cylinder displacement; stroke volume; piston displacement; piston swept volume）余隙容积余隙容积Vc有效吸气容积有效吸气容积 余隙容积比余隙容积比(clearan

6、ce-to-piston displacement ratio) （余隙比余隙比）8-2 8-2 余隙容积的影响余隙容积的影响余隙容积：余隙容积：避免活塞与进、避免活塞与进、排气阀碰撞，留有的排气阀碰撞，留有的空隙。空隙。pV1234CV余隙容积余隙容积12压缩过程压缩过程23排气，状态未变排气，状态未变34残留气体膨胀残留气体膨胀 41进新气，状态未变进新气，状态未变Clearance volumepv1234p1p2无余隙容积无余隙容积活塞式压气机的余隙容积的影响活塞式压气机的余隙容积的影响汽缸排量汽缸排量pV1V3VCV1234V研究研究VC对对产气量产气量和和耗功耗功的影响的影响h13

7、VVV14VVV新气量新气量产气量产气量11pVmRT有效吸气容积有效吸气容积4Vg余隙容积余隙容积VC对产气量的影响对产气量的影响hVVcpV1V3VCV1234V14Vh13VVVVVV1、容积效率、容积效率433413133111VVVVVVVVV 33VV令令余隙比余隙比工程上一般工程上一般0.030.081111112143nnvpppp称增称增压比压比4V增压比增压比12pp11112nvpp余隙容积余隙容积VC对产气量的影响对产气量的影响111nvhVVcpV1V3V1234V讨论：讨论：21pp（1） 一定，一定， V（2） 和和n一定，一定，21ppV极限极限V0CV余隙比余

8、隙比4V14Vh13VVVVVV增压比增压比余隙容积余隙容积VC对产气量的影响对产气量的影响111nvhVVc12pppV1V3V1234VCV结论：余隙容积的存在容结论：余隙容积的存在容积效率减小。且压缩比不积效率减小。且压缩比不能很高能很高越大，残留在余隙容越大，残留在余隙容积中的气体膨胀所需积中的气体膨胀所需空间越大空间越大.2p余隙比余隙比4V余隙容积余隙容积VC对理论压气功的影响对理论压气功的影响pV1V3VCV1234V设设12和和34两过程两过程n相同相同12t111134441111nnnnnpWpVnppnp Vnp56功功面积面积12341面积面积12561面积面积4356

9、423pp14pp2p1p1p4V余隙容积余隙容积VC对理论压气功的影响对理论压气功的影响pV1V3VCV1234V12t1141() 11nnnpWp VVnp11pVmRT121111nnnppVnp余隙对余隙对单位单位产气产气量耗功不影响量耗功不影响111121nngtcppTmRnnWW4V小小 结结余隙容积理论上对压缩定量的同种气体耗余隙容积理论上对压缩定量的同种气体耗功无影响功无影响，但实际上由于存在膨胀和压缩但实际上由于存在膨胀和压缩过程的不可逆损失，压气机耗功会增加。过程的不可逆损失，压气机耗功会增加。余隙容积的存在使容积效率降低。余隙容积的存在使容积效率降低。应尽量减小余隙容

10、积，使压气机的结构设应尽量减小余隙容积，使压气机的结构设计更合理。计更合理。hvVV8-38-3多级压缩和中间冷却多级压缩和中间冷却u单级压缩中，定温压缩是最理想的压缩，压缩单级压缩中，定温压缩是最理想的压缩，压缩 功最小。功最小。u压气机改进方向：减小多变指数压气机改进方向：减小多变指数n n，接近，接近1 1。u从容积效率看从容积效率看： 增压比增压比 增大，容积效率减小。增大，容积效率减小。 所以，一级压缩时所以，一级压缩时 不会很高。不会很高。u而且，而且，P P2 2越高，越高，T T2 2高，可能使润滑油自燃。高，可能使润滑油自燃。111nv12pphVVc润滑油的自燃点约为润滑油

11、的自燃点约为300-350300-350。一般规定，压缩终点的气体温度不超一般规定，压缩终点的气体温度不超过过160160。若若P P1 1=10=105 5Pa,TPa,T1 1=20,n=1.25=20,n=1.25。则单级。则单级压缩能达到的最高压力为：压缩能达到的最高压力为：5125. 125. 151121210720273160273101nnTTpp增压比为增压比为7 78-38-3多级压缩和中间冷却多级压缩和中间冷却Pa8-38-3多级压缩和中间冷却多级压缩和中间冷却储气罐冷却水高压缸低压缸进气口1231ppv 5n一、原理一、原理1234若单级压缩为若单级压缩为1-5n T

12、省功省功 4n若不考虑余隙容积的存在若不考虑余隙容积的存在4p2p最佳增压比的推导最佳增压比的推导12pp12344p1ppv 省功省功n-12n11n-14n331() 11()1npRTnpnpRTnpn-1n-124nn1122()() 1nppwRTnpp分级2p二、耗功二、耗功有一个最佳增压比有一个最佳增压比gggP2的选取很重要的选取很重要IIIt(n)t(n)www分级 5n最佳增压比的推导最佳增压比的推导2412pppp12344p1ppv 省功省功n-1n-124nn1122()() 1nppwRTnpp分级欲求欲求w分级分级最小值，最小值，20wp分级412ppp 2p可证

13、明可证明若若m级级最佳增压比最佳增压比初终ppmg1424111pp ppppppp终初 5n分级压缩的其它好处分级压缩的其它好处12344p1ppvTs2p1p2p4p123456645TT 润滑油要求润滑油要求t160180,高压压气机必须分级高压压气机必须分级 5n分级压缩的级数分级压缩的级数154p1ppv6省功省功分级分级降低出口温度降低出口温度多级压缩达多级压缩达到无穷多级到无穷多级(1)不可能实现不可能实现(2)结构复杂结构复杂(成本高成本高)一般采用一般采用 2 4 级压缩级压缩T但但是是 T n三、活塞式压气机的定温效率三、活塞式压气机的定温效率 在相同的初温和终温的条件在相

14、同的初温和终温的条件下，下，可逆定温过程的耗功可逆定温过程的耗功与与实际压缩耗功的比值，称为实际压缩耗功的比值，称为活塞式压气机的定温效率。活塞式压气机的定温效率。 定温效率可以作为比较实际压缩过程定温效率可以作为比较实际压缩过程完善程度的客观标准。完善程度的客观标准。,c Tc Tcww活塞式压气机的效率活塞式压气机的效率绝热效率 多变效率 定温效率 )(C)(C,C,实际理论wwss )(C)(C,C,实际理论wwnn)(C)(C,C,实际理论wwTT8 84 4 叶轮式压气机工作原理叶轮式压气机工作原理离心式压气机离心式压气机centrifugal compressor轴流式压气机轴流式

15、压气机axial-flow compressor 共同点：有连续气流产生共同点：有连续气流产生 热力学观点：压缩过程中气体的状态变化本质是一致的热力学观点：压缩过程中气体的状态变化本质是一致的叶轮式压气机与活塞式压气机的比较叶轮式压气机与活塞式压气机的比较u工作过程的不同点：工作过程的不同点：u压缩原理的不同点：压缩原理的不同点： 活塞式：靠外力直接压缩气体，使气体压力升高。活塞式：靠外力直接压缩气体，使气体压力升高。 叶轮式：外功先转换为动能，再减少动能升压。叶轮式：外功先转换为动能，再减少动能升压。u相同点：都是消耗外功、升压，都可视为稳定流动。相同点：都是消耗外功、升压，都可视为稳定流动

16、。活塞式活塞式- 间歇性间歇性 叶轮式叶轮式 - 连续性连续性 相比之下，由叶轮式的结构特点，加上转速相比之下，由叶轮式的结构特点，加上转速高，叶轮式压缩过程更接近绝热。高，叶轮式压缩过程更接近绝热。叶轮式压气机的绝热效率叶轮式压气机的绝热效率理想情况：可逆绝热压缩理想情况：可逆绝热压缩实际情况：不可逆绝热压缩实际情况：不可逆绝热压缩2p1p1pvs22s21Ts1p22p可逆绝热压缩时的耗功与不可逆绝热压缩可逆绝热压缩时的耗功与不可逆绝热压缩的耗功的比值称为压气机的绝热效率。的耗功的比值称为压气机的绝热效率。,c Tc Tcww活塞式压气活塞式压气机定温效率机定温效率叶轮式压气机的绝热效率叶

17、轮式压气机的绝热效率实际耗功可逆绝热压缩功cscscww,2p2p1p1pvs22s21Ts1p21212,hhhhssc叶轮式压气机的绝热效率叶轮式压气机的绝热效率ssccchhwww, 22,实际比理想多耗功实际比理想多耗功 绝热效率可以用来衡量实际过程耗功与绝热效率可以用来衡量实际过程耗功与理想过程耗功的偏离程度。理想过程耗功的偏离程度。1212,hhhhwwscscsc本章目的：利用热力学原理分本章目的：利用热力学原理分析气体在压缩时如何更省功析气体在压缩时如何更省功第八章第八章 小结小结 1、掌握压气机的形式及活塞式压气机的掌握压气机的形式及活塞式压气机的 工作原理工作原理2、掌握活塞式压气机余隙容积的影响、掌握活塞式压气机余隙容积的影响3、掌握常用的基本概念、掌握常用的基本概念4、了解叶轮式压气机的工作原理、了解叶轮式压气机的工作原理5、掌握压气机热力过程的分析方法、掌握压气机热力过程的分析方法 作业：作业：8-2；8-8第八章第八章 小结小结 本章结束哈尔滨工业大学（威海）汽车工程学院