工程热力学 第8-9章

1、第第8-98-9章章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环 武汉大学动力与机械学院武汉大学动力与机械学院杨杨 俊俊2014.08按工作按工作原理分类原理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，连续生产第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环一、工作原理一、工作原理 8-1 8-1 活塞式压气机活塞式压气机pv12gf上止点下止点（1 1）低压气体流入气缸气体对活塞）低压气体流入气缸气体对活塞做推进功做推进功 ；（2 2）活塞压缩气体，消耗压缩功；）活塞压缩气体，消耗压缩功；（3 3）高压气体排出，活塞

2、对气体做）高压气体排出，活塞对气体做推进功。推进功。adbc第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环一个完整的压缩气体生产过程包括气体流入、压缩、排一个完整的压缩气体生产过程包括气体流入、压缩、排出三个阶段。消耗外界机械能的总和称为压气机耗功。出三个阶段。消耗外界机械能的总和称为压气机耗功。()()()ctwaccdbdw 二、压气机理论耗功二、压气机理论耗功换热极差换热极差绝热过程绝热过程12,1111kkc stgpkwwR Tkp 第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环换热极好换热极好定温过程定温过程2,11lnc TtgpwwR Tp 换热一般换热

3、一般多变过程多变过程12,1111nnc ntgpnwwR Tnp kn 1第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环2p1p1T2n2s2pvT2n21Ts2p1ps2,c sc nc Twww2,2,2,snTTTT2,2,2,snTvvv增压比增压比21pp,c Tc Tcww等温效率等温效率第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环,1( , )c nwf n T由此可见由此可见 在环境温度下定温压缩，耗功最小。在环境温度下定温压缩，耗功最小。如果进气温度大于环境温度，应先冷却至如果进气温度大于环境温度，应先冷却至环境温度再施压缩。环境温度再施压缩。第八

4、、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环三、三、 余隙容积余隙容积pv12gf余隙容积余隙容积排气不完全排气不完全进气量小于活塞排量。进气量小于活塞排量。排压力越高，进气越少。排压力越高，进气越少。不影响生产单位压缩气体的功耗不影响生产单位压缩气体的功耗上止点下止点余隙容积cVhV活塞排量第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环/chV V余隙余隙容积比容积比/vhV V容积效率容积效率433134314h131313113c4133h(1)1111111VVVnnVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV 第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动

5、力循环储气罐冷却水高压缸低压缸进气口122333p1p21?optpp最佳增压比最佳增压比pv 省功省功四、多级压缩级间冷却四、多级压缩级间冷却2p第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环12cccwwwn-12n11n-13n221() 11()1pnRTnppnRTnp20wpc213pp p3212pppp112mmimmpp 第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环优优 点：点：（1 1）减小耗功）减小耗功; ;（2 2）每级功耗相等，利于曲轴平衡；）每级功耗相等，利于曲轴平衡；（3 3）每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料；）每级气体进出温度相

6、同，可以采用相同的材料；（4 4）每级排热相同；）每级排热相同；（5 5）提高容积效率。）提高容积效率。第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环8-2 8-2 叶轮式压气机叶轮式压气机一、形式与特点一、形式与特点（1 1）形式）形式轴流式、离心式轴流式、离心式（2 2）特点）特点流量大、体积小；压比小、摩擦大流量大、体积小；压比小、摩擦大 轴流式轴流式 离心式离心式第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环二、工作原理与功耗计算二、工作原理与功耗计算 喷管的逆过程喷管的逆过程叶轮带动气体高速旋转对气体做叶轮带动气体高速旋转对气体做功使其加速。高速气体流经静叶组

7、成的扩压通道速度功使其加速。高速气体流经静叶组成的扩压通道速度下降，压力升高。汽流在机内经历一个不可逆绝热过下降，压力升高。汽流在机内经历一个不可逆绝热过程。程。Ts1p2p12T2T 212112111()(1)1cpkkppwhhc TTTc Tc TT理论耗功理论耗功第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环2121()cpwhhc TT实际耗功实际耗功绝热效率绝热效率2121,2121c shhTThhTT2121, c sTTTT第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环 例例8-1 8-1 叶轮式压缩机，氮气进口参数叶轮式压缩机，氮气进口参数p p1

8、 1 = 0.0972MPa= 0.0972MPa，t t1 1= 20= 20， 出口压力出口压力p p2 2 = 311.11kPa= 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,sC,s= 0.80= 0.80，略去进出口动能差和位能差，略去进出口动能差和位能差，求：求： 1 1）压气机定熵压缩的耗功量）压气机定熵压缩的耗功量; ; 2 2）实际耗功量）实际耗功量; ; 3 3）由于不可逆而多耗功）由于不可逆而多耗功 w wt t; ; 4 4）作功能力损失）作功能力损失I I。t t0 0=20 =20 。g1.

9、038 kJ/(kg K)0.297 kJ/(kg K)1.4pcR已知氮气：已知氮气：第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环s12126.6 1.038293408.5252.97 kWmpPq ctt sC,s15178316.21 kW0.8PP s63.24 kWPPP 11.4 11.42211311.11(20 273.15)408.5 K97.2pTTp解：（解：（1）g 1311297 2930.895 m /kg97.2RTvp1113.3126.6 kg/min0.895Vmqqv（2）（3）第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环21

10、21C,s408.5293293437.4 K0.8TTTT20iso0N043.7ITSTsskW222Ng22lnlnmpTpsqcRTp22lnmpTq cT8.983 kJ/(K min)（4）第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环第八章习题第八章习题习题：习题：8-88-8、8-118-11第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环9-1 9-1 循环分析的一般方法循环分析的一般方法一、能量平衡分析方法一、能量平衡分析方法 （1 1）热源提供热量）热源提供热量（2 2）各种损失）各种损失（3

11、 3）输出有用功。）输出有用功。内部效率内部效率i实际循环功循环吸热量,1net actwq,11,net actnet actnet cnetinetnet cwwwwqqww相对内效率相对内效率相对热效率相对热效率卡诺热效率卡诺热效率0itcT ,0net actnetww,netTnet cww,1net ctcwq第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环做功能力损失做功能力损失01ngiiITSEx效率效率,ExExx effexx sufEE输出有效供给二、熵（或二、熵（或ExEx）分析方法）分析方法第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环9-2

12、9-2 活塞式内燃机循环活塞式内燃机循环一、柴油机理想循环一、柴油机理想循环 （1 1）工作过程）工作过程第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环二、循环理想化二、循环理想化1v5432p第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环三、循环分析三、循环分析512113243()11()()netvtvpwc TTqqqc TTc TT 12vv43vv32pp压缩比压缩比定容增压比定容增压比定压预胀比定压预胀比11111ktkk ,ttt汽油机循环汽油机循环煤气机循环煤气机循环1 1 第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环9-3 9-3 燃气

13、轮机循环燃气轮机循环废废气气燃烧室燃烧室燃气轮机燃气轮机空气空气压压气气机机燃料燃料泵泵燃燃料料 环境空气进入环境空气进入压气机被绝热压压气机被绝热压缩。缩。 高压空气送高压空气送到燃烧室与燃料到燃烧室与燃料混合定压燃烧。混合定压燃烧。 燃气进入透燃气进入透平绝热膨胀做功，平绝热膨胀做功， 废气排到环废气排到环境。境。第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环1-1-第一级喷嘴支承环；第一级喷嘴支承环；2-

14、2-第一级喷嘴；第一级喷嘴；3-3-第一级持环；第一级持环；4-4-第一级护环；第一级护环；5.5.第二级喷嘴；第二级喷嘴；6-6-第二级护环；第二级护环；7-7-第三级喷嘴；第三级喷嘴；8-8-第三级护环；第三级护环；9-9-第三级隔板；第三级隔板；10-.10-.第三级叶轮第三级叶轮11-11-第二级叶轮；第二级叶轮；12-12-级间轮盘；级间轮盘；13-13-第一级叶轮；第一级叶轮；14-14-第二级隔板第二级隔板第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环一、定压加热理想循环1v432p1s432T1-21-2绝热压缩绝热压缩2-32-3定压吸热定压吸热3-43-4绝热膨

15、胀绝热膨胀4-14-1定压放热定压放热1 1、循环、循环第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环2 2、分析、分析4121132()11()pnettpc TTwqqqc TT 411321122(1)1111(1)kkTTTTTTTT 理想定压加热循环的热效率只与增压比有关理想定压加热循环的热效率只与增压比有关这一结论是否与这一结论是否与卡诺定理矛盾？卡诺定理矛盾？热效率与吸热均温和热效率与吸热均温和放热均温是否有关？放热均温是否有关？第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环3421()()netTcwwwhhhh1134211()()(1)kkkkppp

16、c TTc TTc T1kk1两种极限情况两种极限情况必有最大值必有最大值0netw0netw0netw2(1)maxkkw2,max1(1)netpwc T第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环二、定压加热实际循环二、定压加热实际循环 1-2 不可逆绝热压缩；不可逆绝热压缩； 2-3 定压吸热；定压吸热； 3-4 不可逆绝热膨胀；不可逆绝热膨胀； 4-1 定压放热。定压放热。第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环s21C,sC,sC21hhwwhhsC21C,s1whhs2121C,s1hhhh

17、st,T34Tt,T34whhwhhst,TT34whhs43T34hhhh第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环neti1wq 整理整理ssnett,TCT3421Cs1wwwhhhhs1323121Cs1qhhhhhh sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhh第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环讨论讨论：CsT)ia除 、 外 还与、有关i),b一定时，),(iic 有极值)增大增大是提高燃气轮机装置性是提高燃气轮机装置性能（能（wnet，i）的方向。）的方向。TCsiTCs0.85 0.920.85 0.90目

18、前，第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环三、提高燃气轮机装置热效率的措施三、提高燃气轮机装置热效率的措施1.回热（回热（regeneration） 废气温度较高，废气温度较高，引入回热器，对引入回热器，对压缩空气加热，压缩空气加热，称为回热称为回热 实际回热量理论回热量回热度回热度 第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环讨论讨论20tt,111TwqT 回回回回极限回热极限回热351612ppqcTTqcTT回回37181ppqcTTqcTT回2回注意：注意：达一定值，回热不能进行达一定值，回热不能进行。第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩

19、及动力循环实际循环的回热实际循环的回热72485242hhhhhhhh72527252()hhhhTTTT（）84428442()()hhhhTTTT881213711iTTqqTT 第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环2.2.回热基础上分级压缩，中间冷却回热基础上分级压缩，中间冷却循环循环12341：t111循环循环1567341：循环循环12341循环循环67256循环循环67256：tt1111 采用分级压缩，中间冷却后采用分级压缩，中间冷却后t ？+t1567341t12341第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环如果不回热net,156734

20、1net,12341ww1,15673411,12341qqt,1567341t,12341第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环充分回热，吸热不变、做功增大3.3.回热基础上分级膨胀，中间加热回热基础上分级膨胀，中间加热循环循环12389101= 12389101= 循环循环12341+12341+循环循环981048 981048 若无回热若无回热t,12341t,127101t,2389101t,127101t,2389101t,12341第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环回热，循环回热，循环1238910112389101与循环与循环1234

21、112341比较，比较，T T1m1m上升上升t,12389101t,123414.4.回热基础回热基础上上 分级压缩，中间冷却；分级膨胀，中间加热分级压缩，中间冷却；分级膨胀，中间加热第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数趋向无当分级压缩中间冷却；分级膨胀中间再热，级数趋向无穷多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。穷多时，定压加热理想循环趋于概括性卡诺循环。第八、九章第八、九章 气体压缩及动力循环气体压缩及动力循环9-2 9-2 喷气发动机简介喷气发动机简介 定压燃烧喷气式发动机定压燃烧喷气式发动机(jet engine)(jet engine)的理论循的理论循环及实际循环与燃气轮机装置定压加热循环