3第三章-理想气体的热力过程及气体压缩课件.ppt

1、2022-12-32022-12-32022-12-32022-12-3第一节第一节 理想气体的热力过程理想气体的热力过程 在热力设备中，热能与机械能间的相互转换及工质状在热力设备中，热能与机械能间的相互转换及工质状态参数的变化规律都是通过态参数的变化规律都是通过热力过程热力过程来实现的。来实现的。研究分析热力过程的研究分析热力过程的目的和任务目的和任务:揭示不同的热力过程揭示不同的热力过程中中工质状态参数的变化规律工质状态参数的变化规律和和能量在过程中相互转换能量在过程中相互转换的数量关系的数量关系。研究分析热力过程的研究分析热力过程的方法方法:采用抽象、简化的方法，将采用抽象、简化的方法，

2、将复杂的不可逆过程简化为复杂的不可逆过程简化为理想气体理想气体的的可逆过程可逆过程来处理，来处理，然后，借助于某些经验系数进行修正。然后，借助于某些经验系数进行修正。2022-12-3：2022-12-3一、基本热力过程一、基本热力过程 基本热力过程是指热力系基本热力过程是指热力系保持某一状态参数保持某一状态参数（比体积（比体积v、压力压力p、温度、温度T与熵与熵s等）等）不变不变的热力过程。的热力过程。（2）初、终状态参数关系式）初、终状态参数关系式1212TTpp2022-12-321d0wp v2121d()twv pv pp（3）功量与热量的计算）功量与热量的计算21dTcuwuqV1

3、2TTcqV2022-12-312:定容加热升温定容加热升温12 :定容放热降温定容放热降温热力系与外界热力系与外界交换的热量交换的热量 2022-12-3 （2）初、终状态参数关系式）初、终状态参数关系式2211vTvT（3）功量与热量的计算）功量与热量的计算12g1221dTTRvvpvpw0d21tpvwquwh 1221dTTcTcqpp2022-12-312:定压吸热升温膨胀定压吸热升温膨胀12 :定压放热降温压缩定压放热降温压缩2022-12-3 （2）初、终状态参数关系式）初、终状态参数关系式（3）功量与热量的计算）功量与热量的计算2112pvpv21TT211221lnddvv

4、pvvvpvvpw21g12glnlnppTRvvTR2022-12-3（4）过程曲线）过程曲线 定温过程在定温过程在p-v图上为一条图上为一条等轴双曲线等轴双曲线，在，在T-s图上是一条图上是一条平行于平行于s轴的直线轴的直线。qh wt,h=0wt q21g12lnlnvpquwwpvR Tvp 2022-12-3 0ddTqss=定值定值所以所以可逆绝热过程可逆绝热过程又称为又称为定熵过程定熵过程。pv 等熵指数等熵指数。对于理想气体，单原子气体。对于理想气体，单原子气体 1.66；双原子气体；双原子气体 1.4；多原子气体；多原子气体 1.33。故故2022-12-3（2）初、终状态参

5、数关系式）初、终状态参数关系式1 122p vp v2112pvpvgpvR T12112TvTv12211TPTP（3）功量与热量的计算）功量与热量的计算q=02022-12-321g2211212111111ddTTRvpvpvvvpvpw1121g1211g1111ppTRvvTRw0wuq21uuuw21TTcuwV11212112ppvvTT2022-12-321tdpvwpv1121g21gt111ppTRTTRww21thhhhqw21tTTchwp2022-12-32022-12-3 例例3-4 如图如图3-6所示，所示，0.9kg空气从初态空气从初态p1 0.2MPa，t1

6、300定温膨胀到定温膨胀到V2 1.8m3。随后将空气定压压缩，再在。随后将空气定压压缩，再在定容下加热，使它重新回到初始状态。试求每一过程中热力定容下加热，使它重新回到初始状态。试求每一过程中热力学能和焓的变化量？定压过程所耗的功？定容过程的加热量学能和焓的变化量？定压过程所耗的功？定容过程的加热量？已知空气的？已知空气的cp 1.004kJ/（kgK），），cV 0.717kJ/（kgK），），Rg 287J/（kgK）。）。2022-12-3 解：解：由理想气体状态方程得 （m3）因为V3=V1，T2=T1，所以 （K）74.0102.03002732879.0611g1pTmRV232

7、3VVTT39.25230027368.174.02233TVVT（1）定温过程12 U0 H02022-12-3 （2）定压过程23 （kJ）（kJ）89.20657339.252717.09.023TTmcUV7.28957339.252004.19.023TTmcHp（3）定容过程31W=MRg(T3T2)=0.9287(252.39573)=82.81103(J)=82.81（kJ）U=mcV(T1T3)=0.90.717(573252.39)=206.89（kJ）H=mcp(T1T3)=0.91.004(573252.39)=289.7（kJ）QU206.89（kJ）2022-12-

8、3第二节第二节 多变过程多变过程 npvn 符合该式的状态变符合该式的状态变化过程即为化过程即为多变过多变过程程当当n 0时，时，p 定值，为定压过程；定值，为定压过程；当当n 1 1时，时，pv 定值，为定温过程；定值，为定温过程；pv当当n 时，时，=定值，为绝热过程；定值，为绝热过程；当当n 时，时，v=定值，为定容过程定值，为定容过程多变过程的过程多变过程的过程方程式的形式与方程式的形式与绝热过程完全相绝热过程完全相同同因此，四个基本热力过程可以看成是多变过程的特例。因此，四个基本热力过程可以看成是多变过程的特例。2022-12-3（2）初、终状态参数关系式及功量与热量的计算）初、终状

9、态参数关系式及功量与热量的计算初、终状态参数关系式初、终状态参数关系式nvvpp2112nnnppvvTT11212112体积变化功体积变化功nnppnTRTTnRvpvpnw1121g21g221111111nnppTRnnTTRnnnww1121g21gt111)(1)(1)(12g21g12TTnRcTTnRTTcwuqVVcn111111gnncncncccnRccVVVpVVn2022-12-33.过程曲线及特性分析过程曲线及特性分析（1）过程曲线的分布规律）过程曲线的分布规律n值按顺时针方向逐渐增大值按顺时针方向逐渐增大n:-01+2022-12-3（2）过程特性的判定）过程特性的

10、判定2022-12-3 用来压缩气体的设备称为压气机。气体经压气机压缩后，压力升高，称为压缩气体。压气机被广泛地应用于动力、制冷和化工等工程中。常用压气机按其结构及工作原理可分为：活塞式（往复式）、叶轮式（离心式、轴流式）及回转式压气机等。在活塞式压气机中，气体在气缸内由往复运动的活塞来进行压缩，通常用于压力高、用气量小的场所。在叶轮式压气机中，气体的压缩主要依靠离心力作用，通常用于压力低、用气量大的地方。第三节 单级活塞式压气机的基本原理2022-12-3 各种压气机的构造尽管不同，但从热力学观点来分析，压气机中气体状态变化规律都是一样的，都是消耗机械功使气体得到压缩而提高其压力的。下面以活

11、塞式压气机为例介绍其工作原理。在理想条件下，其工作过程可分为三个阶段：(1)吸气过程吸气过程 当活塞自左端点向右移动时，进气阀A开启，排气阀B关闭，初状态为p1、T1的气体被吸入气缸。活塞到达右端点时进气阀关闭，吸气过程完毕。气体自缸外被吸入缸内的整个吸气过程中状态参数p1、T1没有变化，但质量不断增加。2022-12-3(2)压缩过程压缩过程 进、排气阀均关闭，活塞在外力的推动下自右端点向左运动，缸内气体被压缩升压。在压缩过程中气体质量不变，压力及温度由p1、T1变为p2、T2。单级活塞式压气机单级活塞式压气机(a)工作原理图工作原理图(b)p-V 图图2022-12-3(3)排气过程排气过

12、程 活塞向左运行到某一位置时，气体压力升高到预定的终态压力p2，排气阀B 被顶开，活塞继续左行，直到左端点，排气完毕。排气过程中气体的热力状态p2、T2没有变化，活塞每往返一次，完成以上三个过程。为了便于研究，假定活塞运动到左端点时，活塞与气缸盖之间没有余隙存在，还假定压缩过程是可逆的，在这些假定条件下的压气机工作过程，称为理论压气过程。该过程可表示在p-V 图上，如图b所示。2022-12-3 压气机的工作条件不同，其压缩过程也不相同，压缩压气机的工作条件不同，其压缩过程也不相同，压缩过程的性质与气体被冷却的情况有关，压缩过程存在过程的性质与气体被冷却的情况有关，压缩过程存在两种极限情况：一

13、种是过程进行得非常快，由机械功两种极限情况：一种是过程进行得非常快，由机械功转变的热能来不及通过气缸传给外界，或传出热量极转变的热能来不及通过气缸传给外界，或传出热量极少，这种过程可视为绝热压缩过程；另一种是过程进少，这种过程可视为绝热压缩过程；另一种是过程进行得非常慢，气缸冷却效果很好，由机械功转变的热行得非常慢，气缸冷却效果很好，由机械功转变的热能及时从气缸传出，气体的温度保持不变，属于等温能及时从气缸传出，气体的温度保持不变，属于等温压缩过程，过程的特征指数压缩过程，过程的特征指数n=1。在实际的压缩过程中。在实际的压缩过程中尽管都采取了一定的冷却措施，有部分热量从气缸传尽管都采取了一定

14、的冷却措施，有部分热量从气缸传出，但难以实现等温压缩，这样的压缩过程介于等温出，但难以实现等温压缩，这样的压缩过程介于等温与绝热压缩之间，属于多变压缩，过程的特征指数为与绝热压缩之间，属于多变压缩，过程的特征指数为 1nk。2022-12-3 从前面关于热力过程的学习中得出这样的结论，从同一从前面关于热力过程的学习中得出这样的结论，从同一初态（初态（p1、T1）出发，经三种不同的压缩过程，达到同）出发，经三种不同的压缩过程，达到同一终态压力一终态压力p2，所消耗的功量是不同的。为了得到预期，所消耗的功量是不同的。为了得到预期压力的气体，所消耗的功量自然是越小越好。另外，压压力的气体，所消耗的功

15、量自然是越小越好。另外，压缩终了的气体温度也尽可能要低一些，因为过高的气体缩终了的气体温度也尽可能要低一些，因为过高的气体温度对压气机缸体显然是不利的。以下就结合温度对压气机缸体显然是不利的。以下就结合p-V图和图和T-s图对绝热压缩、等温压缩以及多变压缩进行分析，看图对绝热压缩、等温压缩以及多变压缩进行分析，看哪种压缩过程更省功，哪种压缩过程更有利于压气机的哪种压缩过程更省功，哪种压缩过程更有利于压气机的安全运行。为便于分析，假定压缩过程是可逆的，并假安全运行。为便于分析，假定压缩过程是可逆的，并假定活塞与气缸盖之间没有余隙存在。定活塞与气缸盖之间没有余隙存在。2022-12-3 5.1.2

16、.1 压缩过程消耗的轴功压缩过程消耗的轴功 2022-12-3图图5.2三种压缩过程的三种压缩过程的p-V图和图和T-s图图(a)p-V图；图；(b)T-s图图2022-12-3 5.1.2.2 压缩过程终态气体的温度：压缩过程终态气体的温度：图5.2(b)2022-12-3 上述分析说明，等温压缩过程最省功；多变过程次之；绝热压缩过程消耗轴功最多。而压缩后气体的终态温度，等温压缩为最低，多变过程次之；绝热压缩为最高。压缩后气体温度升得过高，会影响润滑油的性能，导致运行事故发生，故在压缩过程中，希望压缩终态温度愈低愈好。所以，无论从压缩的终态温度看，还是从耗功看，等温压缩过程都是最有利的。从图

17、5.2(b)中可以看出，等温压缩12T放热量最多；多变压缩12n次之；绝热压缩12s放热为零。显然放热压缩过程是有利的。压缩过程放热愈多，愈接近等温压缩过程，多变指数n愈小，就愈有利。2022-12-3 在工程中为了改善压气机性能，总是尽量采用各种有效的冷在工程中为了改善压气机性能，总是尽量采用各种有效的冷却散热措施。对于活塞式压气机常采取在气缸外面加散热肋却散热措施。对于活塞式压气机常采取在气缸外面加散热肋片、冷却水套等措施，来增强过程中的散热。这样做可使得片、冷却水套等措施，来增强过程中的散热。这样做可使得空气压缩机中的过程特征指数空气压缩机中的过程特征指数n值降至值降至1.3 以下。在工程实践以下。在工程实践中，有些压气机的气缸尺寸较小，转速也不太高，采用上述中，有些压气机的气缸尺寸较小，转速也不太高，采用上述的冷却措施冷却效果会好一些。相反，高速大型的压气机采的冷却措施冷却效果会好一些。相反，高速大型的压气机采用这些冷却措施的效果将差一些。对于叶轮式压气机，由于用这些冷却措施的效果将差一些。对于叶轮式压气机，由于其转速快，气体以高速度流过叶轮而完成压缩过程，来不及其转速快，气体以高速度流过叶轮而完成压缩过程，来不及向外界散热，冷却措施也无法实施，故一般看做是绝热压缩向外界散热，冷却措施也无法实施，故一般看做是绝热压缩过程。过程。2022-12-3