重点课件- 热工基础应用

1、第五章第五章 热工基础的应用热工基础的应用 本章研究气体和蒸气在变截面短管内的流动。最后获得 喷管和扩压管的流动规律. 先分析可逆流动，然后对不可逆过程进行修正。 流动为一元流动。 先分析理想气体过程，再分析蒸气过程。一一 稳定流动的基本方程式稳定流动的基本方程式1、质量守恒方程1 1221212mmAcA cAcqqvvv常数1122sh0 0 0qzw 2、能量守恒方程对于稳定流动过程有对于变截面短管内的流动有2221122111 222hchchc 常数对于微元过程有2102dhdcsh212qhcg zw 可逆时cdcvdp dAdvdcAvc（5-1b) 流动过程中, 当 c = 0

2、 的点称为滞止点，相应的参数称为滞止参数。22201122111222hhchchc2220112121011112222pppppc Tc Tcc Tcc TccTTc对于理想气体有10011TppT01Ts1 122pvp vp v对于理想气体可逆过程微分后得4、状态方程gpvR T0 (5-7)dpdvpv2assppcvvsppvv a (59)gcpvR T由物理学可知，声音在介质中传播的速度为对于理想气体定熵过程所以马赫数定义为acMc当 M 1 时 超声速流动当 M = 1 时 声速流动2a2221cdcpv dpdpdpccpcpMp 由能中方程2sh12qhcg zw 可得2

3、12dcvdp (力学条件)或cdcvdp 上式两边同除于 c2, 并对方程右边分子和分母同乘以p得： 2 dpdcMpc 21dvdpdcMvpc 0 (5-7)dpdvpv得将上式代入质量守恒方程得上式称为流动的特征方程。d Ad vd cA v c （5-1b)2(1) (5 11)dAdcMAc2(1) (8 11)dAdcMAc、当沿流动方向定熵膨胀，压力降低，流速增加时；即(T、p 、c)（dc 0 喷管)当 1时，dA 1时，dA 0, 气流截面扩张； 1 1dA 1 1dA 0渐扩 1dA 0dA = 0缩放 1 1dA 0渐缩 0渐扩 1 = 1 1dA 0dA = 0缩放x

4、pcacxpcac 1 1dA 0渐缩 1dA 0dA = 0pcr Tcr ccr = cfcr(临界截面)喷管：用于加速气流的管道称为喷管。、渐缩喷管、缩放喷管（拉伐尔喷管） 1 1 1dA 0dA = 022201122111222hhchchc202()chh2022()chh由可得221212()chhc对于出口截面当 c1 c2时2122()chh202020212002()2()2()1 21 (5 13 )1gpgRchhc TTTTRpTcp2,max021gcR T1/21/43/40p2/p0cf110 0cr2cr00021 = 21 11gRp vppcTppa,cr

5、crcrcrcp vc100crcrcr0211p vpp vp1crcr021ppcrcr0pp则从上式可推得cr称为临界压比crcrcr1.4 1.3 1.135 双原子气体 =0.528过热水蒸气 =0.546饱和水蒸气 =0.577crcr222crmA cA cqvv210222200002= () (5 15)1mppppqAfvppp2cr01pp1/2p2/p001qmabc对于渐缩喷管2001pp对于缩放喷管bcrcr2bcr00, ppppppp当 = 时即 选择缩放喷管 在给定流量qm，初始参数 p1、t1 、 c1、及背压 pb (喷管出口处环境压力)，设计一喷管。设计

6、的原则是充分利用给定的压差p = p1 pb , 获得尽可能高的流速。(1)、求滞止参数、求滞止参数21012pcTTc10011TppT(2)、选择喷管类型、选择喷管类型, 确定出截面上的压力确定出截面上的压力.bcrcr2bcr00, ppppppp当 = 时即 选择渐缩喷管1122212010ppTTTTpp 或 12112211221ggR TR Tpvvvvppp 或 而 202022()2()pchhcTTm222q vAc1) 若选择的是渐缩喷管若选择的是渐缩喷管,则出口截面就是最小截面则出口截面就是最小截面M 1 1012Ts1111crcr221cr10cr0110pppTT

7、TTTTppp 及 12112211221ggR TR Tpvvvvppp 或 而 crcrcrgR Tvp20202cr0cr0crcr2()2()2()2()ppgchhc TTchhc TTR Tm222q vAcmcrcrmincrq vAAc 1dA 0dA = 0 以上喷管的设计原则是让喷管的出口压力等于背压，这样就能在喷管中充利用压差来加速气流速度。但当背压发生变化时，流动会发生怎样的变化呢？(1)、渐缩喷管、渐缩喷管pb p1 p2p2当 pb ，但 pb pcr =crp0 时，p2 = pb , 喷管正常工作；当 pb ，且 pb pcr 时， p2 = pcr , 有压差

8、p = pcr pb没有被充分利用来加速气流，故喷管在非正常下工作。 （原因在于渐缩喷管出口的流速最大只能达到当地声速，即马赫数最大达到1，所以出口截面的压力最低只能下降到 p2 = pcr 。）pb pcrpb = pcr设计工况设计工况 p1a = 1p2pb p2xppb = p2pb p2d 时，p2 随着pb的增加而增加，并有p pb , 喷管内部出现压力突变(产生激波)，喷管处于非正常工况； 当 pb ，即 pb p2d 时， p2 = p2d , 有压差p = p2d- pb没有被充分利用来加速气流，故喷管在非正常下工作。 校核计算主要是渐缩渐缩喷管的校核计算。 一般情况是给定喷

9、管进口参数，出口截面面积及背压，计算出口截面参数及流量，即已知 p1、T1、A2、pb，求 p2、T2、v2、c2、qm。bcrcr2crb00, ppppppp当 = 时即 (1)、求滞止参数、求滞止参数2f1012pcTTc10011TppT(2)、确定出截面上的压力、确定出截面上的压力 p2bcrcr2bcr00, ppppppp当 = 时即 1122212010ppTTTTpp 或 12112211221ggR TR Tpvvvvppp 或 而 202022()2()pchhc TT222mA cqv22011221122hhchc2022()chh22cc12Ts2不可逆因素的大小用

10、速度系来衡量，定义为也可以用能量损失系数表示，定义为22222222222222212cccccc 损失的动能理想的动能1122dpTvTvdTcdhpp 绝热节流前后的参数变化为2s1hs2 对于理想气体，绝热节流后T2=T1，对于实际气节流后温度如何变化？由一般关系式dh = 0 时212121 pphhss pJphvTvTTpc由于dp 0冷效应区 J 0热效应区Ti,maxTi,minTp图8转回曲线转回曲线思考题思考题 p244 空气流经一出口截面面积为空气流经一出口截面面积为A2= 10 cm2的渐缩喷管，喷管的渐缩喷管，喷管进口空气的参数进口空气的参数 p1= 2.0 MPa、

11、t1=80、cf1=150m/s，背压，背压pb=0.8 MPa,试求喷管出口处空气的流速和流经喷管的空气流量。试求喷管出口处空气的流速和流经喷管的空气流量。若喷管的速度系数为若喷管的速度系数为0.96，喷管的出口流速的流量又为多少？，喷管的出口流速的流量又为多少？T0=364.2K p0=2.231MPa p2=1.178 MPaT2=303.5K v2=0.07394 m3/kg c2=349.1 m/sqm=4.721 kg/s c2=33.5.14 m/s T2 =308.3 K v2=0.0751 m3/kgqm=4.462 kg/s 产生压缩气体的设备称为压气机。压气机消耗机械能使

12、产生压缩气体的设备称为压气机。压气机消耗机械能使气体压力升高气体压力升高压气机的分类压气机的分类1、按压力范围分、按压力范围分 通风机（通风机（0.01MPa表压以下）表压以下） 鼓风机（鼓风机（0.10.3MPa表压）表压） 压缩机（压缩机（0.3MPa表压以下）表压以下）2、按工作原理分、按工作原理分 活塞式压气机活塞式压气机 叶轮式压气机叶轮式压气机共同点：消耗功，使气体压力升高。共同点：消耗功，使气体压力升高。1、工作原理、工作原理pV12fgV2V10p2p1f 1 气体被吸入气缸气体被吸入气缸 (状态参数不变）状态参数不变）12 气体在气缸内被压缩气体在气缸内被压缩（状态参数发生变

13、化）（状态参数发生变化）2g 气体被推出气缸气体被推出气缸 (状态参数不变）状态参数不变）WcWsh2、压气机的耗功、压气机的耗功 在完成一个吸气、压缩、排气过程中，热力系与外界在完成一个吸气、压缩、排气过程中，热力系与外界交换的功为：交换的功为：f 1 2 g 过程中：过程中：流出系统流出系统的能量的能量:2222sh2mHcmgzW进入系统进入系统的能量的能量:2111 2mHcmgzQ系统能量的增加系统能量的增加:E=0系统的能量方程为系统的能量方程为:2sh2mQHcmg zW 22cc11 =WVdpwvdp在忽略动能和势能变化时有：在忽略动能和势能变化时有：WcWshWc=sh t

14、在可逆情况下在可逆情况下122c,s1111 1gpwvdpRTp、可逆绝热压缩、可逆绝热压缩122c,n1111 1nngnpwvdpRTnp、可逆多变压缩、可逆多变压缩、可逆定温压缩、可逆定温压缩22c,T11lnlnggvpwR TR Tvp Tcncscwww,1p1p2gfpv2s2n2TTsp1p212s2n2TjmnTnsTTT222pV12fgVcV0Vh223344p2p2 p2 pV12fgV10VcV434c称为称为余隙容积。余隙容积。14称为有效吸气容积。称为有效吸气容积。h1 为气缸排量。为气缸排量。c,nW 面积12gf1-面积43gf412c,n1111nngnp

15、wR Tnp1122c,n114111()1111nnnnnpnpWp VVpVnpnp1132c,n1 144141111nnnnpnpnWpVp Vnpnp12,1111nnc ngnpWmR Tnp活塞式压气机余隙容积的存在并不影响压气活塞式压气机余隙容积的存在并不影响压气机的耗功，但使产气量减小。机的耗功，但使产气量减小。1、工作原理、工作原理加速扩压加速扩压再加速再扩压再加速再扩压,212 2c sTswhhjmj 面积,22cc swwhhs面积2 2 mn2212 2cTwhhjnj 面积对于理想气体对于理想气体过程可逆时过程可逆时过程不可逆时过程不可逆时不可逆过程多耗的功不可逆

16、过程多耗的功21,21sc sc schhwwhh21,sc scc sc shhww2121,sc shhhh21,21sc sc sc sTTwwTT21,sc sc sc sc sTTww2121,sc sTTTT对于理想气体，定比热容对于理想气体，定比热容1132CC,LC,H1212+1111nnnnggpnpnwwwR TR Tnpnp1132C11221nnnngpnpwR TnppC2 0 dwdp令3221312 pppp ppp得得最隹中间压力最隹中间压力为为31241231mmmmpppppppppp 11mimpp 最佳压比最佳压比1C1C2C3Cm1=(1)1nngn

17、wwwwR Tn每级耗功每级耗功1Cci11(1)1nmnginwwmR Tn总耗功总耗功( l l）每级压气机所需的功相等，这样有利于压气机曲轴的平衡；）每级压气机所需的功相等，这样有利于压气机曲轴的平衡；(2）每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同，这样每个）每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同，这样每个 气缸的温度条件相同；气缸的温度条件相同；(3) 每级向外排出的热量相等，而且每一级的中间冷却器向外排每级向外排出的热量相等，而且每一级的中间冷却器向外排 出的热量也相等。出的热量也相等。此外，还有各级的气缸容积按增压比递减，等等。此外，还有各级的气缸容积按增压比递减，等等。思考题思

18、考题 p243内燃机内燃机: 汽油机汽油机 柴油机柴油机燃气轮机燃气轮机一一 汽油机汽油机1、汽油机的实际工作循环、汽油机的实际工作循环01吸气吸气1 2压缩压缩23燃烧放热燃烧放热 1 排气阀打开，排气排气阀打开，排气34膨胀作功膨胀作功 (1)、忽略进排气压差、忽略进排气压差 (2)、循环中工质具有空气的热性质。、循环中工质具有空气的热性质。(3)、燃烧放热过程简化为外热源供、燃烧放热过程简化为外热源供 热，放热简化为容放热。热，放热简化为容放热。(4)、压缩和膨胀简化为可逆绝热、压缩和膨胀简化为可逆绝热经简化后，变为由二个定容过程和两个定熵过程组经简化后，变为由二个定容过程和两个定熵过程

19、组成的闭式循环。此循环称为成的闭式循环。此循环称为定容加热理想循环定容加热理想循环。循环计算循环计算12231421231412111111 11TTTTTTTTTTTTqqqwnett)( 231TTcqv循环吸热量)( 142TTcqv循环放热量213421net wwqqw循环净功循环热效率循环热效率1t1121 vv压缩比pvssTsvv1051、柴油机的实际工作循环、柴油机的实际工作循环01吸气吸气1 2压缩，压缩，2开始喷油开始喷油23 4 燃烧放热燃烧放热 5 1 排气阀打开，排气排气阀打开，排气 45膨胀作功膨胀作功 (1) 、忽略进排气压差、忽略进排气压差 (2) 、循环中工

20、质具有空气的热性质。、循环中工质具有空气的热性质。(3) 、燃烧放热过程简化为外热源供热，、燃烧放热过程简化为外热源供热，放热简化为容放热。放热简化为容放热。(4) 、压缩和膨胀简化为可逆绝热、压缩和膨胀简化为可逆绝热 经简化后，变为由二个定容过程、一个定压过程经简化后，变为由二个定容过程、一个定压过程和两个定熵过程组成的闭式循环。此循环称为和两个定熵过程组成的闭式循环。此循环称为混合加混合加热理想循环热理想循环。循环计算循环计算)()()(11342315121TTcTTcTTcqqqwpvvnett)()( 34231TTcTTcqpv循环吸热量)( 152TTcqv循环放热量213452

21、1net wwqqw循环净功循环热效率循环热效率 21vv压缩比pvss5 23pp增压比 34vv定压预胀比定义三个参数定义三个参数Ts45vvp3)1() 1(111t01吸气吸气1 2压缩压缩23燃烧放热燃烧放热 1 排气阀打开，排气排气阀打开，排气34膨胀作功膨胀作功)( 231TTcqp循环吸热量循环计算循环计算)()(112314121TTcTTcqqqwpvnett循环热效率循环热效率pvssTs4vp3) 1(111t)( 142TTcqv循环放热量2123421net wwqqw循环净功tptVptV2p2Vp2Vqqq1、压比、压比相同、吸热量相同、吸热量 q1 相同的比较

22、相同的比较面积面积23562=面积面积223562=面积面积23”5”62=q1面积面积14561面积面积14561 面积面积23652面积面积236521p1Vp1VqqqtptVptV12t12t1 1TTqq或1、实际工作循环、实际工作循环q2压气机压气机燃气轮机燃气轮机wTwc燃烧室燃烧室p1,T1p2,T2p3,T3p4,T4燃料燃料冷却器冷却器q132p32()qhhc TT吸热量 241p41()qhhc TT放热量 pv1234fess1234TsmnppT34p34()whhc TT气轮机作功 C21p21()whhc TT压气机耗功 net12TCwqqww循环净功 4p4

23、1121t1p322321()111()1Tc TTTqTqc TTTTT 热效率 11t2111TT 2342”3”4”134Tsmn2netTC3221p34p213334242netp 1p 11111311()()()()(1)(1)wwwhhhhc TTc TTTTTTTTTwc Tc TTTTTT TT循环净功 31TT循环的增温比为 11netp1(1)wc Tnet( )wfnet,max2(1)net0 wdwd令 可得最佳压比2net,maxp 1 (1)wc T相应的最大净功（注意此时热效率并不是最大值。）（注意此时热效率并不是最大值。）TTTT ww实际膨胀作出的功理想

24、膨胀作出的功T34T34()whhhh13Tsmn4422fg定义燃气轮机相对内效率为定义燃气轮机相对内效率为C2122C,s1()whhhhnet12TCwqqwwneti1= ( , ) (1021)wfq 21132p3221C,s()() TTqhhc TTTT241p4143T34() ()qhhc TTTTTT(表达式看表达式看p289式式10-21)1、回热、回热燃烧室燃烧室压气机压气机燃气轮机燃气轮机wTwcp1,T1p2,T2p3,T3p4,T4 p5,T5p6,T6wTwcp1,T1p2,T2p3,T3p4,T4 p5,T5p6,T61234Ts56 efgh7246hhh

25、h回热度 7一朗肯循环一朗肯循环1234q1q2wTwp1234Ts1、工作原理、工作原理114qhh吸热量 T12whh汽轮机作功 net122t1111wqqqqqq 循环热效率 1234Ts223qhh放热量 P43443 ()whhvpp水泵耗功 PTT113t1 wwwqhhq由于 所以泵功可以忽略不计, （参数的确定）22222()hhhhx21 ss22222ssxss2t11TT (1)、初温、初温 t1 对热效率对热效率t 的影响的影响123 (4)Ts1a2a121t2, , , ,tTTx增加不变同时于度 .1234Ts(2)1a2a2t11TT 121t2, , , ,

26、pTTx增加不变同时于度 .14Ts323a2a2t11TT 2122t2, , , , ,ptTTx变化很小同时于度 .T,act12,actTT12swhhwhhT0.85 0.922act对于汽轮机定义相对内效率为对于汽轮机定义相对内效率为2,act1T12s()hhhh2,act22,act22hhxhh2,act2222,act()ssssx112,actg2,actssss1432sTs(2)T,act2113t11 1wqqhhqq 114qhh吸热量 T,act12,actT,actTTT12s ()whhwwhh汽轮机作功 22,act3qhh放热量 P0w 水泵耗功 2ac

27、t1432sTs(2)0g012,act022,act ()()iTsT ssT ss汽轮机不可逆引起的作功能力损失netnet1mdWw耗汽率耗汽率 d: 产生单位功所消耗的蒸汽量产生单位功所消耗的蒸汽量: kg/J, kg/kJ kg/(kW.h)单位或1、基本原理、基本原理2t11TT 2、主要方法、主要方法尽可能提高平均吸热温度；尽可能提高平均吸热温度；尽可能降低平均放热温度。尽可能降低平均放热温度。(1)、再热、再热(2)、抽汽回热、抽汽回热SR1234ab1432Ts(2)ab2t11TT net1ba2t113ab ()() ()()whhhhqhhhh热效率113ab()()q

28、hhhh吸热量 net1ba2()()whhhh循环净功 1432Ts(2)ab(b点参数的确定点参数的确定)4132Ts(2)0101 kg(1) kg0101kg kg(1) kg2t11TT 11040(1)hhh111111432000040302hhhhhhhhhhhh Rh01(1)h4h011110qhh吸 热 量 223( 1) ( )q hh放 热 量 11netT1002()(1)()wwhhhh循环净功 抽汽抽汽1111002net2t1110()(1)() 1hhhhwqqhhq 热效率方案一方案一231faQtQ 蒸汽动力循环热效率蒸汽动力循环热效率联合循环热效率联合循环热效率51231faQQtQ 一压缩蒸汽制冷循环一压缩蒸汽制冷循环冰箱冰箱Ts1234压缩机压缩机蒸发器蒸发器冷凝器冷凝器节流阀节流阀2341q1wcq2冷库冷库环境环境21413qhhhh制冷量 C21whh压缩机耗功 214C21qhhwhh制冷系数 Ts1234不可逆循环分析不可逆循环分析221Cwh