《工程热力学》PPT课件.ppt

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1、1,4-1 分析热力过程的目的及一般方法4-2 绝热过程4-3 多变过程的综合分析4-4 压气机的理论压缩轴功4-5 活塞式压气机的余隙影响4-6 多级压缩及中间冷却,第四章 理想气体的热力过程及气体压缩,2,一.分析热力过程的目的、思路和依据：1)研究目的：能量转换情况、影响因素 2)研究思路：3)研究依据：热力学第一定律、理想气体状态方程,4-1 分析热力过程的目的及一般方法,二.理想气体热力过程中相关物理量的计算：,1)热力学能的变化：,2)焓的变化：,3,熵的单位？,可逆微元过程：,3)熵的变化：,4-1 分析热力过程的目的及一般方法,4,热力过程的熵变：,注意：1）由上述3式可知，熵

2、是状态参数，但熵不是温 度的单值函数；2）上述3式由理想气体的可逆过程导出，也适用 于理想气体的不可逆过程。,4-1 分析热力过程的目的及一般方法,5,例4-1：某理想气体在刚性绝热容器内作自由膨胀，求s1-2。,解：由热力学第一定律：,6,三.热力过程的分析步骤：1)根据热力过程特征建立过程方程式；2)根据过程方程式及状态方程确定初终态参数的关系；3)将过程表示在p-v图和T-s图上，并进行定性分析；4)计算热力过程的功量和热量。,4-1 分析热力过程的目的及一般方法,注意：热力过程中工质状态变化和能量转换规律与是否流动无关，只取决于过程特性！因此，本章的内容适用于闭口系统的可逆过程和开口系

3、统的可逆稳态稳流过程。,7,4-2 绝热过程,绝热过程：q=0的热力过程。,注意：q=0与 q=0的区别！,1.过程方程式：,近似式,可逆绝热过程：,为定熵过程！,8,2.初、终态参数间的关系：,3.p-v图和T-s图：,p-v图上为一高次双曲线，斜率为：,4.功量和热量：,4-2 绝热过程,9,绝热,理想气体、定热容,理想气体、定热容、定熵过程,因此，定熵过程的技术功是膨胀功的 倍。,小结：1)过程方程式、功的表达式均为近似式；2)膨胀功和技术功的表达式可以由功的定义式得到；3)膨胀功与技术功的关系可以由过程方程式得到：,4-2 绝热过程,10,4-3 多变过程的综合分析,一.可逆多变过程,

4、发动机工作时气缸压力与体积的关系,1.定义：许多热力过程可以近似用式 表示，该过程称为多变过程，n称为多变指数。,n=0：p为常数，定压过程；n=1：pv为常数，定温过程；n=：pv为常数，定熵过程；n=：v为常数，定容过程；,11,2.初、终态参数：,多变指数：,3.p-v图和T-s图：图的形状取决于p 和v（T 和s）的关系式,p-v图上各点的斜率：,T-s图上各点的斜率：,4-3 多变过程的综合分析,12,4.功量和热量：,注意多变过程比热容的正负！,4-3 多变过程的综合分析,13,1.过程方程式：v=常数,2.初、终态参数：,3.p-v图和T-s图：,4.功量和热量：,定容过程,如：

5、气缸内工质的迅速燃烧、刚性容器内的热力过程,14,定压过程,1.过程方程式：p=常数,2.初、终态参数：,3.p-v图和T-s图：,4.功量和热量：,如：燃气轮机内的定压加热和放热、热交换器内的热力过程,思考：T-s图上任两条定压线的关系？,15,1.过程方程式：T=常数或 pv=常数,2.初、终态参数：,3.p-v图和T-s图：,4.功量和热量：,p-v图上为一等边双曲线，斜率为：,思考：能否用 来计算定温过程的热量？,定温过程,如：吸热汽化过程、冷却及时的压缩过程,16,5.多变过程在坐标图上的定性分析：,小结：1)多变指数 n 按顺时针方向逐渐增大；2)n0的情形实际意义不大，一般不予讨

6、论；3)某一多变过程在两图上的对应表示；,4-3 多变过程的综合分析,17,6.多变过程特性判定：判断功量、热量和u(或h)的正负,膨胀功：p-v图上，定容线右方为正，左方为负；T-s图上，定容线右下方为正，左上方为负。,技术功：p-v图上，定压线下方为正，上方为负；T-s图上，定压线右下方为正，左上方为负。,4-3 多变过程的综合分析,18,热量：T-s图上，定熵线右方为正，左方为负；p-v图上，定熵线右上方为正，左下方为负。,热力学能或焓的变化：T-s图上，定温线上方为正，下方为负；p-v图上，定温线右上方为正，左下方为负。,4-3 多变过程的综合分析,19,作图分析：,第一类：多变过程分

7、析：在p-v图和T-s图上表示给定的多变过程，分析功量、热量、热力学能（焓）变化的正负。,例4-2：图示=1.4的某气体，n=1.2的多变放热过程；图示工质压缩且吸热的多变过程。,第二类：在p-v图和T-s图上表示功量、热量、热力学能或焓的变化。,例4-3：1)在T-s图上表示定熵过程的w和wt？2)在p-v图和T-s图上表示任意两点间的u和h？3)在p-v图上表示定压过程的热量？,4-3 多变过程的综合分析,20,例4-4：气缸中装有0.3m3氧气，初态为t1=45、p1=1.032bar，先在定压条件下对氧气加热，然后再定容冷却到初温45。已知氧气的最终压力为0.588bar，气体常数为2

8、59.8J/(kgK)，比定压热容为0.91kJ/(kgK)，试分别求两个过程中加入的热量、热力学能和焓的变化及所作的功。,解：先求氧气的质量：,设初态为1，定压加热后状态为2，定容冷却后状态为3。,状态3为：,状态2为：,21,定压过程：,定容过程：,22,例题4-5：体积0.15m3的储气罐内装p1=0.55MPa、t1=38C的氧气。现对其加热，温度压力将升高。罐上装有压力控制阀，当压力超过0.7MPa时阀门自动打开放走部分氧气，使罐中维持压力0.7MPa。问当罐内温度为285C时，罐内氧气共吸收多少热量？氧气热容cv=0.677kJ/(kgK)，cp=0.917kJ/(kgK)。,解：

9、过程分为两个部分：定容和定压。,定容过程：,罐内氧气的质量为：,则定容过程吸收热量为：,23,定压过程：罐中氧气质量和温度不断变化，取一微元过程：,24,4-4 压气机的理论压缩轴功,压气机：消耗机械能来生产压缩气体的设备，不是动力 机械；压气机中进行的是热力过程，不是循环。,25,活塞式压气机,叶轮式（轴流式）,叶轮式（离心式）,4-4 压气机的理论压缩轴功,26,一.工作原理 1.工作过程：吸气过程：f-1，传输流动功 压缩过程：1-2，消耗体积变化功 排气过程：2-g，传输流动功,压气机的耗功量：,4-4 压气机的理论压缩轴功,27,2.压缩过程的类型 定熵压缩：过程快，忽略换热 定温压

10、缩：过程慢，散热条件好 多变压缩：介于上述两者之间,二.压气机的理论耗功量,定熵压缩：,可逆定温压缩：,4-4 压气机的理论压缩轴功,28,可逆多变压缩：,结论：,2)应尽量减少压缩过程的多变指数，使 过程接近定温压缩。,思考：用手动打气 筒向自行车轮胎充气时用湿毛巾包在打气筒外壁，会有什么后果？,1)相同条件下：,4-4 压气机的理论压缩轴功,29,4-5 活塞式压气机的余隙影响,一.余隙容积,余隙：活塞运动到左死点时与气缸盖的间隙。,活塞排量：活塞运动过程中扫过的容积，V1V3,余隙容积：活塞左死点与气缸盖间隙的容积，V3,余隙百分比：,30,二.余隙容积的影响,1.对压缩气体生产量的影响

11、 有效吸气量：V1V4,容积效率：有效吸气量与活塞排量的比值，它反映了活塞排量的有效利用程度及压气机生产气体的能力。,4-5 活塞式压气机的余隙影响,31,假设气体压缩过程和余隙内气体的膨胀过程均为多变过程，且多变指数相同，则：,结论：1)升压比和多变指数一定时，余隙百 分比越大，容积效率越小；2)余隙百分比和多变指数一定时，升 压比越大，容积效率越小。,4-5 活塞式压气机的余隙影响,32,2.对理论耗功量的影响：,结论：生产质量相同、初状态相同、升压比相同的压缩气体，余隙对耗功量没有影响。因此，在分析理论耗功量时，可以不考虑余隙的影响。,4-5 活塞式压气机的余隙影响,33,3.小结：,1

12、)余隙本身不但不能被利用，还使得另一部分活塞排量不能被利用，且这部分排量随着升压比的增加而增加。当要获得较高压力的气体时，必须采用多级压缩。,2)余隙的存在虽然使压缩过程处理的气体量增加了，从而使得压缩过程的耗功量增加，但是由于余隙内高压气体的膨胀对外作功，最终使得压气机的耗功量没有增加。,3)气体生产量转速（r/min）有效吸气量,4-5 活塞式压气机的余隙影响,34,4-6 多级压缩及中间冷却,一.工作原理 一级压缩：e-1吸气、1-2压缩、2-f排气；定压冷却：f-2进气、2-2 冷却、2-f排气；二级压缩：f-2吸气、2-3压缩、3-g排气；,优点：节省耗功量；降低排气温度。,35,二

13、.中间压力 以两级压缩为例，假设中间冷却使气体温度降至进气温度，两级压缩多变指数相同，则：,4-6 多级压缩及中间冷却,36,小结：对理想的多级压缩，有以下规律：,1)各级压缩的升压比相等：,2)各级压气机的排气温度相等：,3)各级压气机的耗功量相等：,4)各级压缩过程的放热量相等：,4-6 多级压缩及中间冷却,37,8)若分级数m，则趋于定温压缩，但由于体积庞大，系统复杂，可靠性下降，一般为24级。,7)各级压气机的容积效率均大于同条件下单级压缩的 容积效率，使得总容积效率提高。,4-6 多级压缩及中间冷却,6)各级压气机的气缸容积等比例递减：,5)各级冷却器的放热量相等：q=cpT,38,1.定温效率 活塞式压气机定温压缩所消耗功与实际压缩所消耗功的比值：,4-6 多级压缩及中间冷却,三.实际效率,2.绝热压缩效率 可逆绝热压缩消耗功与不可逆绝热压缩消耗功的比值：,39,例题4-6：已知空气初态为p1=0.1MPa、t1=20，经过三级压缩后压力提高到12.5 MPa。假设气体进入各级气缸时温度相同，各级间压力按最佳状况确定，且各级压缩多变指数均为1.25。试求：1)生产1kg压缩空气的耗功量及各级排气温度；2)如采用单级压缩，终压和多变指数不变，则所需耗功量和排气温度又是多少？,4-6 多级压缩及中间冷却,