第四章.工程熱力學(xué)

1、.,1,4-1 分析熱力過程的目的及一般方法 4-2 絕熱過程 4-3 多變過程的綜合分析 4-4 壓氣機(jī)的理論壓縮軸功 4-5 活塞式壓氣機(jī)的余隙影響 4-6 多級(jí)壓縮及中間冷卻,第四章 理想氣體的熱力過程及氣體壓縮,.,2,一. 分析熱力過程的目的、思路和依據(jù)： 1) 研究目的：能量轉(zhuǎn)換情況、影響因素 2) 研究思路： 3) 研究依據(jù)：熱力學(xué)第一定律、理想氣體狀態(tài)方程,4-1 分析熱力過程的目的及一般方法,二. 理想氣體熱力過程中相關(guān)物理量的計(jì)算：,1) 熱力學(xué)能的變化：,2) 焓的變化：,.,3,熵的單位？,可逆微元過程：,3) 熵的變化：,4-1 分析熱力過程的目的及一般方法,.,4,

2、熱力過程的熵變：,注意：1）由上述3式可知，熵是狀態(tài)參數(shù)，但熵不是溫 度的單值函數(shù)； 2）上述3式由理想氣體的可逆過程導(dǎo)出，也適用 于理想氣體的不可逆過程。,4-1 分析熱力過程的目的及一般方法,.,5,例4-1：某理想氣體在剛性絕熱容器內(nèi)作自由膨脹，求s1-2。,解：由熱力學(xué)第一定律：,.,6,三. 熱力過程的分析步驟： 1) 根據(jù)熱力過程特征建立過程方程式； 2) 根據(jù)過程方程式及狀態(tài)方程確定初終態(tài)參數(shù)的關(guān)系； 3) 將過程表示在p-v圖和t-s圖上，并進(jìn)行定性分析； 4) 計(jì)算熱力過程的功量和熱量。,4-1 分析熱力過程的目的及一般方法,注意：熱力過程中工質(zhì)狀態(tài)變化和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律與是否流

3、動(dòng)無關(guān)，只取決于過程特性！ 因此，本章的內(nèi)容適用于閉口系統(tǒng)的可逆過程和開口系統(tǒng)的可逆穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程。,.,7,4-2 絕熱過程,絕熱過程： q=0的熱力過程。,注意：q=0與 q=0的區(qū)別！,1. 過程方程式：,近似式,可逆絕熱過程：,為定熵過程！,.,8,2. 初、終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系：,3. p-v圖和t-s圖：,p-v圖上為一高次雙曲線，斜率為：,4. 功量和熱量：,4-2 絕熱過程,.,9,絕熱,理想氣體、定熱容,理想氣體、定熱容、定熵過程,因此，定熵過程的技術(shù)功是膨脹功的 倍。,小結(jié)：1) 過程方程式、功的表達(dá)式均為近似式； 2) 膨脹功和技術(shù)功的表達(dá)式可以由功的定義式得到； 3) 膨脹功

4、與技術(shù)功的關(guān)系可以由過程方程式得到：,4-2 絕熱過程,.,10,4-3 多變過程的綜合分析,一. 可逆多變過程,發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸 壓力與體積的關(guān)系,1.定義：許多熱力過程可以近似用 式 表示，該過程稱為多變 過程，n稱為多變指數(shù)。,n=0：p為常數(shù)，定壓過程； n=1：pv為常數(shù)，定溫過程； n=：pv為常數(shù)，定熵過程； n=：v為常數(shù)，定容過程；,.,11,2.初、終態(tài)參數(shù)：,多變指數(shù)：,3. p-v圖和t-s圖： 圖的形狀取決于p 和v（t 和s）的關(guān)系式,p-v圖上各點(diǎn)的斜率：,t-s圖上各點(diǎn)的斜率：,4-3 多變過程的綜合分析,.,12,4. 功量和熱量：,注意多變過程 比熱容的正負(fù)

5、！,4-3 多變過程的綜合分析,.,13,1. 過程方程式：v =常數(shù),2. 初、終態(tài)參數(shù)：,3. p-v圖和t-s圖：,4. 功量和熱量：,定容過程,如：氣缸內(nèi)工質(zhì)的迅速燃燒、剛性容器內(nèi)的熱力過程,.,14,定壓過程,1. 過程方程式：p =常數(shù),2. 初、終態(tài)參數(shù)：,3. p-v圖和t-s圖：,4. 功量和熱量：,如：燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的定壓加熱和放熱、熱交換器內(nèi)的熱力過程,思考：t-s圖 上任兩條定 壓線的關(guān)系？,.,15,1. 過程方程式：t =常數(shù)或 pv = 常數(shù),2. 初、終態(tài)參數(shù)：,3. p-v圖和t-s圖：,4. 功量和熱量：,p-v圖上為一等邊雙曲線，斜率為：,思考：能否用 來計(jì)算

6、定溫過程的熱量？,定溫過程,如：吸熱汽化過程、冷卻及時(shí)的壓縮過程,.,16,5. 多變過程在坐標(biāo)圖上的定性分析：,小結(jié)：1) 多變指數(shù) n 按順時(shí)針方向逐漸增大； 2) n0的情形實(shí)際意義不大，一般不予討論； 3) 某一多變過程在兩圖上的對(duì)應(yīng)表示；,4-3 多變過程的綜合分析,.,17,6. 多變過程特性判定：判斷功量、熱量和u (或h)的正負(fù),膨脹功： p-v圖上，定容線右方為正，左方為負(fù)； t-s圖上，定容線右下方為正，左上方為負(fù)。,技術(shù)功： p-v圖上，定壓線下方為正，上方為負(fù)； t-s圖上，定壓線右下方為正，左上方為負(fù)。,4-3 多變過程的綜合分析,.,18,熱量： t-s圖上，定熵線

7、右方為正，左方為負(fù)； p-v圖上，定熵線右上方為正，左下方為負(fù)。,熱力學(xué)能或焓的變化： t-s圖上，定溫線上方為正，下方為負(fù)； p-v圖上，定溫線右上方為正，左下方為負(fù)。,4-3 多變過程的綜合分析,.,19,作圖分析：,第一類：多變過程分析：在p-v圖和t-s圖上表示給定的多變 過程，分析功量、熱量、熱力學(xué)能（焓）變化的正負(fù)。,例4-2：圖示 =1.4的某氣體，n =1.2的多變放熱過程； 圖示工質(zhì)壓縮且吸熱的多變過程。,第二類： 在p-v圖和t-s圖上表示功量、熱量、熱力學(xué)能或 焓的變化。,例4-3：1) 在t-s圖上表示定熵過程的w和wt？ 2) 在p-v圖和t-s圖上表示任意兩點(diǎn)間的u

8、和h？ 3) 在p-v圖上表示定壓過程的熱量？,4-3 多變過程的綜合分析,.,20,例4-4：氣缸中裝有0.3m3氧氣，初態(tài)為t1=45、p1=1.032bar， 先在定壓條件下對(duì)氧氣加熱，然后再定容冷卻到初溫45。已 知氧氣的最終壓力為0.588bar，氣體常數(shù)為259.8j/(kgk)，比 定壓熱容為0.91kj/(kgk)，試分別求兩個(gè)過程中加入的熱量、 熱力學(xué)能和焓的變化及所作的功。,解：先求氧氣的質(zhì)量：,設(shè)初態(tài)為1，定壓加熱后狀態(tài)為2，定容冷卻后狀態(tài)為3。,狀態(tài)3為：,狀態(tài)2為：,.,21,定壓過程：,定容過程：,.,22,例題4-5：體積0.15m3的儲(chǔ)氣罐內(nèi)裝p1=0.55mp

9、a、t1=38c的 氧氣?，F(xiàn)對(duì)其加熱，溫度壓力將升高。罐上裝有壓力控制閥， 當(dāng)壓力超過0.7mpa時(shí)閥門自動(dòng)打開放走部分氧氣，使罐中維 持壓力0.7mpa。問當(dāng)罐內(nèi)溫度為285c時(shí)，罐內(nèi)氧氣共吸收多 少熱量？氧氣熱容cv=0.677kj/(kgk)，cp=0.917kj/(kgk)。,解：過程分為兩個(gè)部分：定容和定壓。,定容過程：,罐內(nèi)氧氣的質(zhì)量為：,則定容過程吸收熱量為：,.,23,定壓過程：罐中氧氣質(zhì)量和溫度不斷變化， 取一微元過程：,.,24,4-4 壓氣機(jī)的理論壓縮軸功,壓氣機(jī)：消耗機(jī)械能來生產(chǎn)壓縮氣體的設(shè)備，不是動(dòng)力 機(jī)械；壓氣機(jī)中進(jìn)行的是熱力過程，不是循環(huán)。,.,25,活塞式壓氣機(jī)

10、,葉輪式 （軸流式）,葉輪式 （離心式）,4-4 壓氣機(jī)的理論壓縮軸功,.,26,一. 工作原理 1. 工作過程： 吸氣過程： f-1，傳輸流動(dòng)功 壓縮過程：1-2，消耗體積變化功 排氣過程：2-g，傳輸流動(dòng)功,壓氣機(jī)的耗功量：,4-4 壓氣機(jī)的理論壓縮軸功,.,27,2. 壓縮過程的類型 定熵壓縮：過程快，忽略換熱 定溫壓縮：過程慢，散熱條件好 多變壓縮：介于上述兩者之間,二. 壓氣機(jī)的理論耗功量,定熵壓縮：,可逆定溫壓縮：,4-4 壓氣機(jī)的理論壓縮軸功,.,28,可逆多變壓縮：,結(jié)論：,2) 應(yīng)盡量減少壓縮過程的多變指數(shù)，使 過程接近定溫壓縮。,思考：用手動(dòng)打氣 筒向自行車輪胎充氣時(shí)用濕

11、毛巾包在打氣筒外壁，會(huì)有什么后果？,1) 相同條件下：,4-4 壓氣機(jī)的理論壓縮軸功,.,29,4-5 活塞式壓氣機(jī)的余隙影響,一. 余隙容積,余隙：活塞運(yùn)動(dòng)到左死點(diǎn)時(shí)與氣缸 蓋的間隙。,活塞排量：活塞運(yùn)動(dòng)過程中掃過的 容積，v1v3,余隙容積：活塞左死點(diǎn)與氣缸蓋間隙的容積，v3,余隙百分比：,.,30,二. 余隙容積的影響,1. 對(duì)壓縮氣體生產(chǎn)量的影響 有效吸氣量：v1v4,容積效率：有效吸氣量與活塞排量的比值，它反映了活塞排量的有效利用程度及壓氣機(jī)生產(chǎn)氣體的能力。,4-5 活塞式壓氣機(jī)的余隙影響,.,31,假設(shè)氣體壓縮過程和余隙內(nèi)氣體的膨脹過程均為多變過程，且多變指數(shù)相同，則：,結(jié)論： 1

12、) 升壓比和多變指數(shù)一定時(shí)，余隙百 分比越大，容積效率越?。?2) 余隙百分比和多變指數(shù)一定時(shí)，升 壓比越大，容積效率越小。,4-5 活塞式壓氣機(jī)的余隙影響,.,32,2. 對(duì)理論耗功量的影響：,結(jié)論：生產(chǎn)質(zhì)量相同、初狀態(tài)相同、升壓比相同的壓縮氣體，余隙對(duì)耗功量沒有影響。因此，在分析理論耗功量時(shí)，可以不考慮余隙的影響。,4-5 活塞式壓氣機(jī)的余隙影響,.,33,3. 小結(jié)：,1) 余隙本身不但不能被利用，還使得另一部分活塞排量 不能被利用，且這部分排量隨著升壓比的增加而增加。當(dāng) 要獲得較高壓力的氣體時(shí)，必須采用多級(jí)壓縮。,2) 余隙的存在雖然使壓縮過程處理的氣體量增加了，從 而使得壓縮過程的耗

13、功量增加，但是由于余隙內(nèi)高壓氣體 的膨脹對(duì)外作功，最終使得壓氣機(jī)的耗功量沒有增加。,3) 氣體生產(chǎn)量轉(zhuǎn)速（r/min） 有效吸氣量,4-5 活塞式壓氣機(jī)的余隙影響,.,34,4-6 多級(jí)壓縮及中間冷卻,一. 工作原理 一級(jí)壓縮：e-1吸氣、1-2壓縮、2-f排氣； 定壓冷卻：f-2進(jìn)氣、2-2 冷卻、2-f排氣； 二級(jí)壓縮：f-2吸氣、2-3壓縮、3-g排氣；,優(yōu)點(diǎn)： 節(jié)省耗功量；降低排氣溫度。,.,35,二.中間壓力 以兩級(jí)壓縮為例，假設(shè)中間冷卻使氣體溫度降至進(jìn)氣溫度，兩級(jí)壓縮多變指數(shù)相同，則：,4-6 多級(jí)壓縮及中間冷卻,.,36,小結(jié)：對(duì)理想的多級(jí)壓縮，有以下規(guī)律：,1) 各級(jí)壓縮的升壓比相等：,2) 各級(jí)壓氣機(jī)的排氣溫度相等：,3) 各級(jí)壓氣機(jī)的耗功量相等：,4) 各級(jí)壓縮過程的放熱量相等：,4-6 多級(jí)壓縮及中間冷卻,.,37,8) 若分級(jí)數(shù)m，則趨于定溫壓縮，但由于體積龐大， 系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性下降，一般為24級(jí)。,7) 各級(jí)壓氣機(jī)的容積效率均大于同條件下單級(jí)壓縮的 容積效率，使得總?cè)莘e效率提高。,4-6 多級(jí)壓縮及中間冷卻,6) 各級(jí)壓氣機(jī)的氣缸容積等比例遞減：,5) 各級(jí)冷卻器的放熱量相等：q = cpt,.,38,1. 定溫效率 活塞式壓氣機(jī)定溫壓縮所消耗功與實(shí)際壓縮所消耗功的比值：,4-6 多級(jí)壓縮及中間冷卻,三. 實(shí)際