热力学第08章压气机的热力过程

1、第八章第八章 压气机的热力过程压气机的热力过程概述：概述： 压气机：生产压缩气体的设备压气机：生产压缩气体的设备 压缩气体的用途：压缩气体的用途： 内燃机：大型柴油机启动；二冲程机扫气；增压内燃机：大型柴油机启动；二冲程机扫气；增压 涡轮机：装置的一部分涡轮机：装置的一部分 热热 能：锅炉供风能：锅炉供风 制制 冷：装置的一部分冷：装置的一部分 汽汽 车：车闸，公汽开、关门车：车闸，公汽开、关门 其其 它：气锤、气钻、风镐、通风、空调等它：气锤、气钻、风镐、通风、空调等 压气机分类：压气机分类：工作原理工作原理活塞式压头高，流量小，间隙生产叶轮式压头低，流量大，连续生产压气机表压0.3MPa以

2、上鼓风机表压0.10.3MPa通风机表压0.01MPa以下压头高低压头高低另有罗茨式压气机另有罗茨式压气机(Roots blower),等等。等等。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81 单级活塞式压气机工作原理单级活塞式压气机工作原理 和理论耗功量和理论耗功量 0-1：吸气，增加，状态不变， 传输推动功p1v1 1-2：压缩，不变，升压升温， 耗功 2-3：排气，减少，状态不变， 传输推动功p2v2一、工作原理一、工作原理注意：压气机不是动力机注意：压气机不是动力机 压气机中进行的是过程压气机中进行的是过程 不是循环不是循环二二.理论耗功

3、理论耗功 压缩过程耗功：2121pdVW2C1 1221dWpVp Vp V21dtV pW l压气机耗功：12pp增压比：增压比：1、绝热压缩、绝热压缩C,21sswhh1g 111R T2、多变压缩、多变压缩1C,1 111nnnnwp vn3、等温压缩、等温压缩C,g 1lnTwR T1、讨论：讨论：C,C,C,snTwwwTnsTTT222Tnsvvv222等温压缩理想nC22nnnwTv2、通常为多变压缩,1nk82 余隙容积的影响余隙容积的影响 余隙容积余隙容积Vc（=V3） clearance volume 产生原因： 布置进、排气结构 制造公差 部件热膨胀 排量排量 Vh(=V

4、1V3) 余隙容积比余隙容积比 =Vc/Vh 有效吸气容积有效吸气容积 Ves（=V1V4） 一、余隙容积对生产量的影响一、余隙容积对生产量的影响容积效率容积效率讨论：0) 1(maxvnchVV使存在;)确定，当hcVVa生产量mv;)一定当b生产量mVVvcsc11111111343133141nnhchcsvVVVVVVVVVVVVV二、余隙容积对理论耗功的影响二、余隙容积对理论耗功的影响C1 23 4ttWWW1111144111nnnnVpnnVpnn111411nnVVpnn1111nnespVnn11111nnpvnnm生产量1CC1111nnWnwv pmn生产量即：余隙对单位

5、产气量的理论耗功无影响即：余隙对单位产气量的理论耗功无影响 （但实际上，存在摩擦，还是使耗功增大）。（但实际上，存在摩擦，还是使耗功增大）。归纳：归纳： 余隙存在使余隙存在使 1）每周期生产量下降）每周期生产量下降 2）每周期理论耗功减少，）每周期理论耗功减少， 但单位产气量的理论耗功不变但单位产气量的理论耗功不变单位产气量的理论耗功单位产气量的理论耗功83 多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却单级压缩，随p和T的升高， v 下降。多级压缩、级间冷却多级压缩、级间冷却能保证min,max, 22vvTT示功图示功图中间冷却器降温极限中间冷却器降温极限T3=T1耗功小于单级压缩耗功耗功小于单级压

6、缩耗功理论耗功分析理论耗功分析CC,C,lhwww112Cg 1g311111nnnnaappnnwR TR Tnpnp112g 1121nnnnaappnR Tnpp耗功大小与耗功大小与pa有关有关C0awp令21pppahaalpppp21或时CC,minww推广：若m级，则：212CC,min1mmpwwp时讨论：1）按 选择各级中间压力，优点：12ppmia）各级耗功相等各级耗功相等1C,g 111nniinwR Tn有利于曲轴平衡（总耗功总耗功 ）CC,iwmwb）各缸终温相同各缸终温相同 小于不如此分配时各缸终温中最高者，有利于润滑油工作及使可靠性增加。nniTT11d）各级气缸容

7、积按增压比递减各级气缸容积按增压比递减e）对提高整机容积效率对提高整机容积效率 v有利有利c）各级气缸散热相同各级气缸散热相同TcnnqVi1各中冷器散热相等各中冷器散热相等Tcqpi中，2）若分级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2-4级3）真空泵(vacuumpump)的实质也是压气机，是出口压力为恒值环境压力，进气压力不断降低的压气机。84 叶轮式压气工作原理叶轮式压气工作原理axial-flowcompressorcentrifugalcompressor原理：入口初步加速、导向叶片扩压、叶片加速，再扩压，逐级升压特点：转速高；连续吸，排气，运转平稳；排气量大没

8、有余隙影响；但每级压比不高。叶轮式压气机热力学分析叶轮式压气机热力学分析C,21sswhhC21whh实际多耗功C2222sswhhmnm 面积流量大，运转快，难冷却。流量大，运转快，难冷却。绝热压缩过程绝热压缩过程理论耗功理论耗功实际耗功实际耗功绝热内效率绝热内效率 C21CSC21sswhhwhh2121CS2121CSssTTTTTTTT压气机装置压气机装置产品：产品：80-375 m3/h 径流式鼓风机另有罗茨式压气机(Roots blower)等作业：作业：8-2、5、8、12某大学实验室需某大学实验室需4.9MPa压缩空气源，据市场调查，目前市售压缩空气源，据市场调查，目前市售活塞

9、式压气机余容比活塞式压气机余容比 。3 . 104. 0nVVhc叶轮式叶轮式压气机压气机绝热效率绝热效率 Cs=0.85，试提出初步方案及必要的分析计算。，试提出初步方案及必要的分析计算。已知，已知，T0 = 290 K，p0 = 0.1 MPa。例题例题1某大学实验室需某大学实验室需4.9MPa压缩空气源，据市场调查，目前市售压缩空气源，据市场调查，目前市售活塞式压气机余容比活塞式压气机余容比 。3 . 104. 0nVVhc叶轮式叶轮式压气机压气机绝热效率绝热效率 Cs=0.85，试提出初步方案及必要的分析计算。，试提出初步方案及必要的分析计算。已知，已知，T0 = 290 K，p0 =

10、 0.1 MPa。解：解：分析活塞式压气机压头高流量小，叶轮式压气机压头低分析活塞式压气机压头高流量小，叶轮式压气机压头低流量大，考虑到大学实验室用气量可能较小，但其压力却较流量大，考虑到大学实验室用气量可能较小，但其压力却较大，故采用活塞式压气机较合大，故采用活塞式压气机较合 适。为了保证一定的容积效率适。为了保证一定的容积效率及设备和人身安全，考虑分级及设备和人身安全，考虑分级（2级）级）压缩中间冷却。压缩中间冷却。中间压力及压力比中间压力及压力比例题例题1容积效率容积效率111.3111 0.04710.861nV 因为两级压气机因为两级压气机 相同，相同，n 相同，所以相同，所以 V

11、L = V H = 0.861LH0.861 0.8610.741VVV 21177 0.1 MPa0.7 MPaapppp111.3 11.3210110.7 MPa290 K454.4 K0.1 MPa181.4 CnnnnaaaappTTTTppt例题例题1若叶轮式压气机可以实施如此大之压比，则若叶轮式压气机可以实施如此大之压比，则11.4 11.422114.9 MPa290K881.6 K0.1 MPapTTp 从以上数据（及另外储气筒容积）等分析，采用活塞式从以上数据（及另外储气筒容积）等分析，采用活塞式 压缩机两级压缩中间冷却设计方案较合适。压缩机两级压缩中间冷却设计方案较合适。

12、212act1Cs2act(881.6290) K881.6 K986 K0.85713 CTTTTt若一级压缩，则若一级压缩，则11.3 11.322114.9 MPa290 K711.9 K438.9 C0.1 MPannpTTp241. 014904. 01113 . 111nV例题例题1叶轮式压缩机，氮气进口参数叶轮式压缩机，氮气进口参数p1 = 0.0972MPa，t1= 20， 出口出口压力压力p2 = 311.11kPa，进口处氮气流量，进口处氮气流量 。3113.3m /minVq 压气机绝热效率压气机绝热效率 C,s= 0.80，略去进出口动能差和位能差，略去进出口动能差和位

13、能差，求：求： 1）压气机定熵压缩的耗功量）压气机定熵压缩的耗功量; 2）实际耗功量）实际耗功量; 3）由于不可逆而多耗功）由于不可逆而多耗功 wt; 4）作功能力损失）作功能力损失I。t0=20 。g1.038 kJ/(kg K)0.297 kJ/(kg K)1.4pcR例题例题2已知氮气：已知氮气：s12126.6 kg/min 1.038 kJ/(kg K)293408.5C15178 kJ/min252.97 kWmpPq ctt sC,s15 178 kJ/min18 972.5 kJ/min316.21 kW0.8PP s18 972.5 kJ/min15 178 kJ/min3

14、794.5 kJ/min63.24 kWPPP 11.4 11.42211311.11 kPa(20 273.15) K408.5 K97.2 kPapTTp解：（解：（1）g 1311297 J/(kg K) 293 K0.895 m /kg97.2 kPaRTvp331113.3 m /min126.6 kg/min0.895 m /kgVmqqv（2）（3）例题例题22121C,s408.5 K293 K293 K437.4 K0.8TTTT20iso0N0ITSTss222Ng22lnlnmpTpsqcRTp22lnmpTq cT8.983 kJ/(K min)（4）437.4 K12

15、6.6 kg/min 1.038 kJ/(kg K) ln408.5 K293 K 8.983 kJ/(K min)2 631.9 kJ/(K min)43.87 kW例题例题2有一储气柜内有初温t1=100c，压力为p1=4.90MPa的氢气。氢气经渐缩喷管流入背压pb=3.9MPa的外界，设喷管的出口截面积A2=20mm2，试求：1）氢气外射的速度及流量；2）若初始条件不变，喷管不变，氢外射入大气，求外射时的流速及流量。（已知氢气Rg=4.12kJ/kgk，cp=14.32kJ/kgk）例题3有一储气柜内有初温t1=100c，压力为p1=4.90MPa的氢气。氢气经渐缩喷管流入背压pb=3

16、.9MPa的外界，设喷管的出口截面积A2=20mm2，试求：1）氢气外射的速度及流量；2）若初始条件不变，喷管不变，氢外射入大气，求外射时的流速及流量。（已知氢气Rg=4.12kJ/kgk，cp=14.32kJ/kgk）解：1）首先确定p2crbpp MPappb9 . 32例题3MPappcrcr5872. 2528. 09 . 41KTppT4 .349796. 03739 . 49 . 3273100286. 04 . 114 . 111122smTTchhcpf08.264 .34937332.1422221212skgpTRvcAqgfm0446. 010394 .349124. 0

17、82210208221020562262222？310=822m/s例题32）确定p2，由于pb=0.1MPapcrMPappcr587. 22skgvcAqkgmpTRvsmTTccKppTTfmgpfcr054. 0495. 08 01087.257 .31041248 .13357 .3103731032.14227 .3103736222352223212286. 011212例题33m /kg6465 10 1/KV4.186kJ/(kg K)pc 1kg水由水由t1=50、p1=0.1MPa经定熵增压过程到经定熵增压过程到p2=15MPa。50时水时水v

18、 = 0.0010121 ， ， ，并可以将它们视为定值。试确定水的终温及焓的变化量。并可以将它们视为定值。试确定水的终温及焓的变化量。 例题4第六章的尾巴3m /kg6465 10 1/KV4.186kJ/(kg K)pc 1kg水由水由t1=50、p1=0.1MPa经定熵增压过程到经定熵增压过程到p2=15MPa。50时水时水v = 0.0010121 ， ， ，并可以将它们视为定值。试确定水的终温及焓的变化量。并可以将它们视为定值。试确定水的终温及焓的变化量。 解：由第二解：由第二ds方程方程 dddddppVpccvsTpTvpTTT根据状态参数特性，选择先沿根据状态参数特性，选择先沿T1=50+273.15=323.15K等温由等温由p1到到p2，再在，再在p2下定压地由下定压地由T1到到T2进行积分。进行积分。2211111 2ddpTpVpTTpcsvpTT 121212lnTVppppvTTc因等熵增压因等熵增压1 20s121212lnTVppppvTTcpVcppvTT1212ln3616630.0010121m /kg465 10 K15 100.1 10Pa0.001