工程热力学第4章-气体与蒸汽的热力过程课件

第四章

气体与蒸汽的热力过程第四章

气体与蒸汽的热力过程引言实施热力过程的目的：2、达到预期的状态变化，如：

定压吸热过程（锅炉：水的焓↑，液→汽，获作功能力）定压放热过程（凝气器：乏汽焓↓，汽→液，便于泵送）1、实现预期的能量转换，如：

绝热膨胀过程（热机：Q→W；喷管：Q→c）绝热压缩过程（压缩机：W→p；泵：W→p）研究热力过程的目的：

揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转化情况，进而找出影响转化的主要因素。引言实施热力过程的目的：2、达到预期的状态变化，如：1、研究热力过程的一般方法根据实际过程的特点，将实际过程近似地概括为几种典型过程：定容、定压、定温和绝热过程。不考虑实际过程中不可逆的耗损，视为可逆过程。工质视为理想气体

比热容取定值

实际过程是一个复杂过程，很难确定其变化规律。为简化分析，假设：研究热力过程的一般方法根据实际过程的特点，将实际过程近似地分析热力过程的一般步骤

确定过程方程p=f(v)确定初态、终态参数的关系及热力学能、焓、熵的变化量确定过程中系统与外界交换的能量在p-v图和T-s图画出过程曲线，直观地表达过程中工质状态参数的变化规律及能量转换分析热力过程的一般步骤确定过程方程p=f(v)§4-1理想气体的热力过程过程分析：1.过程方程2.初、终态参数关系，u、h、s3.系统与外界交换的能量Q、W、Wt4.过程的p-v图和T-s图典型热力过程：定容、定压、定温、绝热过程。假设：理想气体、可逆过程、定值比热容基本公式：§4-1理想气体的热力过程过程分析：1.过程方程2.一、定容过程1、过程方程一、定容过程1、过程方程2.初、终态参数的关系2.初、终态参数的关系3.能量转换3.能量转换4.

p-v图和T-s图4.p-v图和T-s图二、定压过程1.过程方程二、定压过程1.过程方程2.初、终态参数的关系2.初、终态参数的关系3.能量转换3.能量转换

4.p-v图和T-s图定v线比定p线陡Why?定v：4.p-v图和T-s图定v线比定p线陡Why?定v：三、定温过程1.过程方程三、定温过程1.过程方程2.初、终态参数的关系2.初、终态参数的关系3.能量转换3.能量转换4.p-v图和T-s图4.p-v图和T-s图四、绝热过程可逆的绝热过程是定熵过程可逆过程：ds

=0绝热过程：q=0四、绝热过程可逆的绝热过程是定熵过程可逆过程：ds=0绝1.过程方程即：定熵过程方程为指数方程1.过程方程即：定熵过程方程为指数方程2.初、终态参数的关系2.初、终态参数的关系3.能量转换3.能量转换绝热线比定T线陡Why?

4.p-v图和T-s图定T：绝热线比定T线陡Why?4.p-v图和T-s图定T：四种典型热力过程p-v图和T-s图四种典型热力过程p-v图和T-s图例1[分析]

安全阀起跳前：定v；起跳后：定pV=0.15m3p1=0.55MPat=38℃,m1V=0.15m3p2=0.7MPat2=123℃,m1V=0.15m3p3=0.7MPat3=285℃,m3定v定p定v：

T2/T1=p2/p1T2=396K=123℃氧气储罐上安全阀起跳压力为0.7MPa,问：加热到285℃时，加入的Q=？判断安全阀是否起跳：V=0.15m3p1=0.55MPat1=38℃方法1：假设没有起跳，p：0.55→0.7，看t能否达到285℃定v：T2/T1=p2/p1

p2=0.987MPa方法2：假设没有起跳，T：38→285℃，看p是否大于0.7MPa例1[分析]安全阀起跳前：定v；起跳后：定pV=0.15mV=0.15m3p1=0.55MPat=38℃,m1V=0.15m3p2=0.7MPat2=123℃,m1V=0.15m3p3=0.7MPat3=285℃,m3定v定p（1）定v：T2/T1=P2/P1T2=396K=123℃Qv=m1Cv(T2-T1)=56.3kJ（2）定p：变质量，写出Qp的微分式：=126.2kJ需加热量：Q=Qv+Qp=56.3+126.2=182.5kJV=0.15m3V=0.15m3V=0.15m3定v定p（1例2：1kg空气：t1=100℃、p1=2bar；t3=0℃、p3=1bar，其中1-2为不可逆绝热膨胀过程，其熵变为0.1kJ/kg·K，2-3为可逆定压放热过程，求：1）s123；2）q12312pv3[分析]：理想气体、定比热容1）求s123，s12已知，要求s23要求T2T2可由求出2）q123=+q12+q230可逆定压0例2：1kg空气：t1=100℃、p1=2bar；t3=[证]可逆：例3：某气体的状态方程为p(v-b)=RT，热力学能u=cvT+u0，其中cv、u0为常数。试证明在可逆绝热过程中该气体满足下列方程式：可逆绝热：ds=0kbvp=-定值)(kbvp=-定值)([证]可逆：例3：某气体的状态方程为p(v-b)=RT，热力例4：将理想气体在可逆绝热过程中所作技术功的大小，表示在T-s图上。[分析]：绝热过程技术功：＝面积1ba2’1122'baTS例4：将理想气体在可逆绝热过程中所作技术功的大小，表示在T-五、多变过程

工程实际中有些热力过程，p、v、T有明显变化，且系统与外界交换的Q不可忽略。则不能用上述4种基本热力过程来描述。

实验发现，这种过程p、v的关系依然保持近似的指数函数,因此提出了一种具有广泛代表性的过程-----多变过程，其过程方程为：n---多变指数，－∞＜n<＋∞五、多变过程工程实际中有些热力过程，p、v、T有明显变化2.初、终态参数的关系:1.过程方程：多变过程分析2.初、终态参数的关系:1.过程方程：多变过程分析3.能量转换)(112TTcnknV---=)(1)(2112TTRnTTcV--+-=wuq+D=nwwt=)(1)(11212211TTRnvpvpn--=--=211121vdvvppdvwnn==∫∫3.能量转换)(112TTcnknV---=)(1)(2若q/w不是恒定，则n是变化的。为便于分析计算，常用一个与实际过程相近似的n不变的多变过程来代替，该多变指数称为平均多变指数。或：若q/w不是恒定，则n是变化的。为便于分析计算，常用一个与实平均多变指数的确定方法（1）等端点多变指数已知过程线上两端点（p1,v1）、（p2,v2）：适用：初、终参数计算（2）等功法多变指数多变过程假想一多变过程，使之Wt与实际过程Wt相等。v适用：功量计算p实际过程Wt12平均多变指数的确定方法（1）等端点多变指数已知过程线上两端点（3）利用实际过程的lgp–lgv坐标图计算将实际的多个（p,v）数据点画在lgp–lgv坐标图上，然后拟合成一条直线，因：∴n就是该直线的斜率。（4）利用p–v图面积比计算vp实际过程wt12w（3）利用实际过程的lgp–lgv坐标图计算将实际[例5]活塞对汽缸内的2kg空气压缩后，比容降为原来的1/5，汽缸对外散热100kJ。已知等功法多变指数n=1.31,等端点多变指数n=1.21。比热容取定值,求技术功.[解]n用哪个?n=1.21cv、k、R查表T1=384Kn用哪个?n=1.31wtWt=m

wt[例5]活塞对汽缸内的2kg空气压缩后，比容降为原来的1/多变过程与四种典型热力过程的关系多变过程与四种典型热力过程的关系多变过程在p-v图和T-s图上表示

从定容线出发，n由-0+，沿顺时针方向递增多变过程在p-v图和T-s图上表示从定容线出发，n由-过程中各能量项正负方向分析内能与焓

定温线是确定du、dh正负的分界线热量定熵线是确定q正负的分界线过程中各能量项正负方向分析内能与焓定温线是确定du、dh正体积变化功

定容线是确定w正负的分界线技术功

定压线是确定wt正负的分界线体积变化功定容线是确定w正负的分界线技术功定压线是确定各能量项正负方向图各能量项正负方向图例61、试将理想气体的下列多变过程在p-v图和T-s图上表示出来：（1）工质既膨胀、又放热（2）工质既受压缩、又升温、吸热（3）工质既受压缩、又降温、降压例61、试将理想气体的下列多变过程在p-v图和T-s图上表示（3）工质既受压缩、又降温、降压（1）工质既膨胀、又放热（2）工质既受压缩、又升温、吸热[解]（3）工质既受压缩、又降温、降压（1）工质既膨胀、又放热（2例7A、B体积相同。对A腔缓慢加热，直到A、B内压力为0.4MPa时停止。设气体比热容为定值,cp=1.01kJ/kg·K，cv=0.72kJ/kg·K。求：（1）A、B两部分终态容积和终态温度；（2）对A腔的加热量；（3）A、B腔内气体的熵变和总熵变；（4）将A、B腔内过程在p-v和T-s图上表示出来。

AB加热器1kg0.2MPa20℃1kg0.2MPa20℃刚性绝热可移动的无摩擦、绝热例7A、B体积相同。对A腔缓慢加热，直到A、B内压力为0.4[解]分析：B：缓慢、无摩擦、绝热→可逆绝热：定s过程A：p、v、T变，有Q交换：吸热膨胀多变过程（1）先计算工质物性：B腔：定s过程：[解]分析：B：缓慢、无摩擦、绝热→可逆绝热：定s过程A、B腔终态温度可用状态方程求出：（2）求A腔吸热Q：方法1：取整个容器工质为系统，W=0：方法2：取A为系统，A对B做功：A、B腔终态温度可用状态方程求出：（2）求A腔吸热Q：方法1（3）求ΔS：B定s过程：ΔSB=0总ΔS=ΔSB+ΔSB=831.7J/K（4）过程图示：p2sTvpp1B2A2p2p1B2A2p1（3）求ΔS：B定s过程：ΔSB=0总ΔS=ΔSB+Δ作业P113：思考题1~4P113：习题1、4作业P113：思考题1~4§4.2蒸气的热力过程基本过程：定容、定压、定温、定熵求解任务：确定：①初、终态参数；②过程中的w、q、Δu、Δh等。与理想气体不同：水蒸气cp、cv、u、h、s不是T的单值函数，不能用公式计算，而是查图表获得基于热力学第一、二定律的一般关系式仍可利用：与理想气体相同可逆：§4.2蒸气的热力过程基本过程：定容、定压、定温、定熵与蒸汽热力过程分析的一般步骤已知：初态2个参数如（p,t）或（p,x）或（t,x）;一个终态参数；过程特征。求：其他未知参数、交换的能量步骤：（1）由初态2个已知参数查出其余所需参数；（2）由过程特征和一个终态参数确定终态点，查出其余终态参数；（3）由初、终参数计算Δu

、Δh

（4）计算q、w：方法如下：蒸汽热力过程分析的一般步骤已知：初态2个参数如（p,t）或计算q、w（wt）的方法1、可逆过程：初、终参数→积分上下限过程特征→p~v、T~s关系（过程方程）求出q、w（wt）中的一个,再由：或求出另一个2、不可逆过程：根据过程特征，利用h-s图计算计算q、w（wt）的方法1、可逆过程：初、终参数→积分蒸汽定容、定压过程一、定容过程二、定压过程v1=v2,则：v

p1=p2,则：蒸汽定容、定压过程一、定容过程二、定压过程v1=v2,则：v蒸汽定温、定熵过程三、定温过程四、定熵过程s1=s2于是可得：T1=T2,于是可得：蒸汽定温、定熵过程三、定温过程四、定熵过程s1=s2于是可例8：初态（p1,t1），终态（p2,x2）间热力过程在p-v图上为一条直线，求：

q、w1(p1,t1)2(p2,x2)pv（1）查图表→其余所需初态、终态参数：v1,v2,

h1,h2

[思路]（2）h=u+pv→u（3）写出（p1,v1）、（p2,v2）间的直线方程，代入：，求出w（4）再由求出q问：题中没说过程可逆，能用该式？若题中改为：热力过程在T-s图上为一条直线呢？答：写出T-s直线方程,代入先求出q例8：初态（p1,t1），终态（p2,x2）间热力过程在蒸汽热力过程分析例题例9：锅炉中，管外高温烟气对管内的水定压加热使之汽化。管内：给水（9MPa，30℃），出口蒸汽（9MPa，450℃）；管外烟气定压放热：由1500℃降为250℃。烟气近似为空气，cp=1.079kJ/kgK。求：（1）生产1kg该蒸汽需要多少kg烟气？（2）生产1kg该蒸汽，烟气、蒸汽的熵变。烟气1500℃250℃9MPa30℃给水蒸汽9MPa450℃[解]分析：1、系统无W交换，纯换热问题。热平衡：Qy=Qw2、烟气无相变，而水有相变，要计算Qw，需知道水侧进出口状态蒸汽热力过程分析例题例9：锅炉中，管外高温烟气对管内的水定压查饱和表：9MPa→ts=303.4℃→给水：未饱和；蒸汽：过热查过冷水、过热蒸汽表：

给水（9MPa，30℃）：hw1=133.86kJ/kg,sw1=0.4338kJ/kg.K蒸汽(9MPa，450℃)：hw2=3256.0kJ/kg,sw1=6.4835kJ/kg.K(1)设需要mkg烟气，根据热平衡：m

cp（ty2-ty1）=hw2-hw1m=2.31kg(2)烟气的熵变：水的熵变：(3)孤立系总熵变：烟气1500℃250℃9MPa30℃给水蒸汽9MPa450℃（1）生产1kg该蒸汽需要多少kg烟气？（2）生产1kg该蒸汽，烟气、水的熵变查饱和表：9MPa→ts=303.4℃查过冷水、过热蒸汽例10：汽轮机效率为0.85，求：（1）每kg蒸汽所做的功。（2）膨胀过程的熵产p1=9MPat1=500℃p2=5kPa绝热ws（1）求功：wt=h1-h2。先确定定熵时的终态（p2

,s2s=s1）→h2s,实际h1-h2=0.85(h1-h2s)，→确定实际终态（p2

,h2）（2）熵产：系统绝热→熵流=0→熵产=s2-s1

[解](p1

,t1)查过热表h1=3385kJ/kg，s1=6.656kJ/kg.Kp2查饱和表比较s2s=s1终态为湿蒸汽干度可由s算出[分析]例10：汽轮机效率为0.85，求：p1=9MPap2=定熵时的终态：实际终态：（1）每kg蒸汽实际做功:（2）熵产：有效能损失：定熵时的终态：实际终态：（1）每kg蒸汽实际做功:（2）熵产方法2：查图法1、p1,t1线交点：初态点12、从1点做垂线交p2线：2s点，查出h2s

3、实际终态焓：4、实际终态2：h2水平线与p2交点。再查出s2p1p2t112s2hsh2s2方法2：查图法1、p1,t1线交点：初态点12、从1§4.3湿空气的热力过程h-d图§4.3湿空气的热力过程h-d图判断下列说法是否正确?（1）含湿量越大的空气越潮湿。（2）冬季干燥，说明温度低的空气比温度高的空气更干燥。（3）北方冬季室外－30℃，空气中不可能存在水分判断下列说法是否正确?（1）含湿量越大的空气越潮湿。（2）冬1、湿空气过程及其应用加热：1-2:冷却：1－2′（t>td）td露点d继续冷却到=100%：露点∴含湿量值相同、状态不同的湿空气，具有相同的露点。一、加热(或冷却)过程1、湿空气过程及其应用加热：1-2:冷却：1－2′（t>t二、绝热加湿过程喷水加湿1-2：①tw查取方法：定h线与=100%线交点处的温度值结果：（1）d↑、↑、t↓(2)h1≈h2绝热加湿近似为定h过程②h值相同、状态不同的湿空气，具有相同的湿球温度tw二、绝热加湿过程喷水加湿1-2：①tw查取方法：定h线与(2)凝水量：22d2d1h2湿空气：(t1、1)

t2冷却三、冷却去湿过程(1)过程曲线(2)凝水量：22d2d1h2湿空气：(t1、1)空调工程常用方法四、绝热混合过程空调工程常用方法四、绝热混合过程五、工程应用（1）烘干过程五、工程应用（1）烘干过程（2）冷却塔（2）冷却塔作业P113：思考题5~8P113：习题5作业P113：思考题5~8§4.4绝热节流节流：流体流经截面突缩的孔口时压力下降的现象。原因(机理)：热力学、流体力学§4.4绝热节流节流：流体流经截面突缩的孔口时压力下降的一、绝热节流分析节流过程不可逆节流前后流体的焓不变节流后压力下降、比体积增大绝热节流过程为定焓过程？0000理想气体孔口附近，动能不可忽略：一、绝热节流分析节流过程不可逆节流前后流体的焓不变节流二、焦耳-汤姆逊效应焦耳-汤姆逊效应（1852年）：绝热节流后流体的温度发生变化。也称为“节流温度效应”

对于理想气体：多数气体的T↓；少数气体如H2、He的T↑节流后，p↓节流前、后：二、焦耳-汤姆逊效应焦耳-汤姆逊效应（1852年）：绝热节流系数(焦-汤系数):T↓：节流冷效应因为节流过程压力下降，即dp<0T↑：节流热效应T不变：节流零效应①节流微分效应：微元压降导致的温度变化②节流积分效应：有限压降导致的温度变化节流系数(焦-汤系数):T↓：节流冷效应因为节流过程压力下回转温度（inversiontemperature）：节流微分效应J=0时的气体温度，Ti例：范德瓦尔气体状态方程：Ti①回转曲线：将T-p图分为两区②

,不存在冷效应③冷效应区:微元dp、有限p,T均↓热效应区:微元dp:T↑、一定的p

:

T↑但压降大到一定程度后，T↓+状态方程回转温度（inversiontemperature）：节流节流的应用压力、流量（功率）调节--各类阀门制冷：普冷、低温工程--热力膨胀阀、节流阀计量：孔板流量计、饱和水蒸汽干度测量导出实际气体状态方程节流的应用压力、流量（功率）调节--各类阀门制冷：普冷、低温§4.5压气机中的热力过程引言压气机：消耗外功使气体压缩升压的机器（1）按产气压力分压气机分类：通风机（＜115kPa）鼓风机（115

~300kPa）压气机（＞300kPa）（2）按结构分活塞式叶轮式离心式轴流式§4.5压气机中的热力过程引言压气机：消耗外功使气体一、活塞式压气机

的工作过程（1）理想情况：排气结束：活塞运动到左止点，将汽缸中的气体排尽。1234Vp进气阀排气阀吸气压缩排气左止点右止点忽略动能差、位能差：压缩机的功耗近似为技术功近似为稳流开口系：一、活塞式压气机

的工作过程（1）理想情况：排气（2）实际工作过程最大容积：V1汽缸行程容积：Vh＝V1–

V3'有效进气容积：Ve＝V1–

V4'余隙容积：Vc工作过程：4'-1：吸气1-2：压缩2-3'：排汽3'-4'：膨胀余隙容积:

防止活塞与汽缸盖撞击、便于安排进、排气阀等。Vc左止点右止点Ve（2）实际工作过程最大容积：V1工作过程：余隙容积:防止活二、压气功的计算设压缩、膨胀为多变过程。

1、理想压气功1234Vp2、有余隙的压气功等于1-2压缩功与3-4膨胀功之差。有余隙时功耗下降？Ve二、压气功的计算设压缩、膨胀为多变过程。13、压气机功率：设吸入状态下体积流量为qve，则压气机功率为：压缩1kg气体的功耗：压缩1kg气体的功耗：1、理想压气功:2、有余隙的压气功:相同wt相同,为何有余隙时Wt↓？原因：吸气量↓3、压气机功率：设吸入状态下体积流量为qve，则压气机功率三、容积效率由于余隙容积的存在，有效吸气容积V1－V4

总是小于行程容积Vh，Vh不能充分利用。其比值定义为容积效率ηV

p2/p1

↑→ηV↓，可使ηV=0。单级压缩p2/p1

一般为≤8，需要更高压力时，应采用多级压缩。Vc相对余隙容积：=Vc/Vh，=0.03~0.08VhVc三、容积效率由于余隙容积的存在，有效吸气容积V1－V4总四、压气机汽缸冷却的作用sT12sp1p22n2T压缩过程三种情况：绝热、定温和多变压缩。压缩过程会使气体温度升高：定温压缩功耗最少!四、压气机汽缸冷却的作用sT12sp1p22n2T压缩过程三汽缸为什么要冷却？2、减少功耗。1、避免压缩机润滑油因高温而氧化变质（压缩机油氧化温度~130℃）3、有利于延长材料寿命汽缸为什么要冷却？2、减少功耗。1、避免压缩机润滑油因高温而五、多级压缩与级间冷却1、为什么要采用多级压缩？2、为什么要采用级间冷却？sT12ab为了获得较高容积效率。单级压缩p2/p1应≤8。需要更高压力时，采用多级压缩，使每级气缸的增压比不会过高，以得到较高的容积效率。降低压缩过程中气体的温度。使：(1)安全。材料、润滑油不能超温；（2）压气机功耗↓（p-V图中阴影面积)。ab定温线2'22''五、多级压缩与级间冷却1、为什么要采用多级压缩？2、为什么中间压力对耗功的影响设两级压气机中间压力为pa，两级气缸中压缩过程的多变指数相同，功耗为：设气体在中冷器得到充分冷却，即Tb＝T1，则上式为

对上式其求极值：得功耗的为极小值时的压力比-----最佳压力比：中间压力对耗功的影响设两级压气机中间压力为p每级耗功为：z级总耗功为：对于z级压缩：如：3级压缩，将空气从0.1MPa压缩到2.7MPa。求最佳压比及中间压力。最佳压比：一级出口压力：二级出口压力：每级耗功为：z级总耗功为：对于z级压缩：如：3级压缩，将多级压缩机对外散热量散热量：1、汽缸夹套冷却带走的热量Qn2、级间冷却器带走的热量Qp124Vp356781、夹套散热量Qn若采用最佳中间压比、间冷器完全回冷（T3=T1），则两级夹套散热量相等：2、间冷器带走的热量Qp压缩机总散热量：多级压缩机对外散热量散热量：1、汽缸夹套冷却带走的热量Qn2[例]两级活塞式压缩机，p1=0.1MPa,t1=27℃,压缩到p4=6.4MPa。可逆且两级n=1.2，对外供压缩气4m3/h，求:(1)最佳中间压力；(2)总功耗；(3)总散热量[解]124Vp35678(1)最佳中间压力[例]两级活塞式压缩机，p1=0.1MPa,t1=27℃,(2)总功耗124Vp35678(2)总功耗124Vp35678(3)总散热量空气质量流量：多变压缩过程的热量（夹套散热量）Qn：间冷器带走的热量Qp：总散热量：124Vp35678(3)总散热量空气质量流量：多变压缩过程的热量（夹套散热量）作业P113：习题11作业P113：习题114-6锅炉生产蒸汽的热力过程1、什么是锅炉？锅炉:

是一种将电能或燃料的化学能转化为热能，再将热能传递给水，以生产热水或蒸汽的热工设备。锅炉分类（按用途）：工业锅炉：供热（生产中的各类工艺加热、生活中的采暖、空调、食品蒸煮、洗浴等。通常低参数、小容量。动力锅炉：发电、舰船动力。高压、高温、大容量4-6锅炉生产蒸汽的热力过程1、什么是锅炉？锅炉:是一工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件开封135t流化床开封135t流化床工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件2、锅炉的构造

与工作过程送风机空气：送风机→空预器→炉排煤：炉前煤斗→炉排→灰坑煤仓灰渣供汽水汽：水→汽水混合物→汽烟气：炉膛→引风机给水泵2、锅炉的构造

与工作过程送风机空气：送风机→空预器→炉锅炉房设备组成锅炉房设备组成3、水蒸汽生产的热力过程水的定压汽化过程：预热过程（a→b）：未饱和水→饱和水汽化过程（b→d）：饱和水→干饱和蒸汽过热过程（d→e）：干饱和蒸汽→过热蒸汽3、水蒸汽生产的热力过程水的定压汽化过程：（2）锅炉的热效率

正平衡：反平衡：（1）热平衡组成4、锅炉的热平衡qr—每公斤燃料带入锅炉的热量q1—锅炉有效利用热量q2—排烟热损失q3—气体不完全燃烧热损失q4—固体不完全燃烧热损失q5—锅炉散热损失q6—灰渣物理热损失及其它热损失（2）锅炉的热效率正平衡：反平衡：（1）热平衡组成4、锅炉4.7热能与动能转换的热力过程实际应用广泛热能动能4.7热能与动能转换的热力过程实际应用广泛热能动能长征三号丙长征三号丙工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件1、热能与动能转换的基本方程假设：一元、稳流、可逆绝热流动连续方程:能量方程：过程方程:声速方程:马赫数：气体的流速与当地声速的比值:Ma＜1亚声速流动Ma＝1声速流动（气流速度等于当地声速）Ma＞1超声速流动0.8＜Ma＜1.2跨声速流动0001、热能与动能转换的基本方程假设：一元、稳流、可逆绝热流动连2、热能与动能转换的条件（1）力学条件0能量方程热一律结论：c↑→需有压差c↑→p↓（2）几何条件结论：来流Ma<1:c↑→A↓来流Ma>1:c↑→A↑2、热能与动能转换的条件（1）力学条件0能量方程热一律结论：3、转换设备及热力过程应用：压缩机械(叶轮式压气机、离心泵等)（2）扩压管：动能(高速气流)→热能(压力能)（1）喷管：热能→动能（高速气流）应用：叶轮机械(汽轮机、膨胀机、燃气轮机)

各类射流（高压水枪、喷雾等）飞行器尾喷管hsp22sp121喷管12扩压管3、转换设备及热力过程应用：压缩机械(叶轮式压气机、离心泵等4.8汽轮机中蒸汽膨胀的热力过程1、什么叫汽轮机？一、汽轮机概述4.8汽轮机中蒸汽膨胀的热力过程1、什么叫汽轮机？一、汽轮火力发电原理图汽轮机（SteamTurbine）：是一种以水蒸汽为工质，将热能转变为机械能的旋转式原动机。锅炉汽轮机

发电机凝汽器过热器

冷却水给水泵

(电能→机械能→压力能)(化学能→热能)(热能→机械能)

(机械能→电能)(热能→热能)火力发电原理图汽轮机（SteamTurbine）：是一种以2、汽轮机的基本结构2、汽轮机的基本结构工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件汽轮机内部结构----转子汽轮机内部结构----转子汽轮机内部结构----静子汽轮机内部结构----静子静止部分：汽缸、静叶栅(喷嘴,导叶)、隔板、密封、轴承转动部分（总称为转子）：轴、轮盘（或转鼓）、动叶栅基本结构:级：一列静叶栅+一列动叶栅

汽流静止部分：汽缸、静叶栅(喷嘴,导叶)、隔板、密封、轴承基本结3、汽轮机的分类（1）按工作原理分：冲动式汽轮机反动式汽轮机（2）按热力特性分：凝汽式汽轮机调节抽汽式汽轮机背压式汽轮机抽汽背压式汽轮机中间再热式汽轮机3、汽轮机的分类（1）按工作原理分：冲动式汽轮机（2）按热力（3）按主蒸汽压力分汽轮机类别主蒸汽压力（MPa)低压汽轮机＜

1.5中压汽轮机2~4高压汽轮机6~10超高压汽轮机12~14亚临界压力汽轮机16~18超临界压力汽轮机>22.1超超临界压力汽轮机>32（3）按主蒸汽压力分汽轮机类别主蒸汽压力（MPa)低压汽轮机（4）按用途分①电站汽轮机（凝汽式）：定速：3000rpm，大型化、采用再热、回热等复杂循环---经济性；②工业汽轮机（背压式/抽汽背压式/抽凝式）：变速：几千~几万rpm，用于工业驱动、工业发电，应用广泛（石油、化工、冶金、建材、轻纺等工业部门和企业自备电站、区域热电联供、余热发电、垃圾电站、燃气-蒸汽联合循环等）。③舰船用汽轮机（凝汽式）：特点：强调机动性，有倒车级（特有）。经济性其次，简单循环。（4）按用途分①电站汽轮机（凝汽式）：定速：3000rpm4、汽轮机的应用1、发电（火电、核电）：汽轮机发电机组所发的电占全世界发电总量的80%，是现代化国家中的重要动力机械。2、供热：汽轮机的排汽或中间抽汽可用来满足生产和生活上供热的需要，这种用于热-电联产的热电式汽轮机，具有更高的经济性（热效率70%）3、动力驱动：冶金、化工、舰船行业各种从动机械如泵、风机、压缩机、螺旋桨的直接驱动。4、汽轮机的应用1、发电（火电、核电）：汽轮机发电机组所发的二、汽轮机级的热力过程1、汽轮机的“级”级一列静叶栅:热能→动能一列动叶栅:动能→机械能静叶动叶转轴轮盘动叶静叶隔板汽缸二、汽轮机级的热力过程1、汽轮机的“级”级一列静叶栅:热能→2、动能→机械能的原理：冲动、反动（1）冲动作用原理冲动力：改变其速度的大小和方向则产生一冲动力或汽流改变流动方向对汽道产生一离心力。此力的大小取决于单位时间内通过动叶通道的蒸汽质量及其速度的变化。c1w1uFt2、动能→机械能的原理：冲动、反动（1）冲动作用原理此力的大（2）反动作用原理w1w2FtFrFΩ定义：蒸汽在动叶栅中膨胀时的理想焓降Δhb和整个级的理想滞止焓降Δht*之比。衡量在动叶中膨胀的程度。（3）级的反动度Ω反动力：因汽流膨胀产生一相反力（如火箭）。此力的大小取决于气体压力的变化。（2）反动作用原理w1w2FtFrFΩ定义：蒸汽在动叶栅中膨(4)冲动级和反动级特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行，只有一小部分在动叶栅中进行，作功能力比反动级大，效率比纯冲动级高。

特点：蒸汽只在喷嘴叶栅中膨胀，在动叶栅中不膨胀而只改变其流动方向。

结构：动叶叶型对称弯曲。

性能：做功能力大、效率低。不采用。静叶动叶①纯冲动级（Ω=0）1）冲动级②带反动度的冲动级（Ω=0.05~0.2）(4)冲动级和反动级特点：蒸汽的膨胀大部分在喷嘴叶栅中进行2)反动级（Ω=0.5）特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程度相同。结构：喷嘴和动叶采用的叶型相同。2)反动级（Ω=0.5）特点：蒸汽在喷嘴和动叶中的膨胀程静叶动叶P2P0C0P1P0C0P1P23、级的热力过程线hsP0*P0P1ΔhnΔht*100*P22ΔhbΔhn*静叶动叶P2P0C0P1P0P1P23、级的热力过程线h（a）带反动度的冲动级(b)纯冲动级（a）带反动度的冲动级(b)纯冲4.9膨胀制冷设备的热力过程膨胀制冷设备：节流阀：气体不对外做功的绝热膨胀。低温高压时效率较高，应用：气体低温分离膨胀机（往复式、透平式）：气体对外做功的绝热膨胀。效率高，应用：低温工程压力波制冷机：气体对外交换热量的膨胀。效率低于透平式膨胀机。应用：气体低温分离4.9膨胀制冷设备的热力过程膨胀制冷设备：节流阀：气体不1、定熵膨胀与节流膨胀的比较膨胀机:气体对外做功的绝热膨胀，若可逆，则为定熵膨胀定熵膨胀微分效应：熵的微分式：定熵膨胀ds=0节流膨胀微分效应：结论：s>0,定熵膨胀产生冷效应结论：s>J1、定熵膨胀与节流膨胀的比较膨胀机:气体对外做功的绝热膨胀s>J由p1=10MPa，t1=550℃膨胀到p2=1MPa，节流膨胀：TJ=550-505=45℃定熵膨胀：Ts=550-225=225℃s>J由p1=10MPa，t1=550℃节流膨胀：2、透平膨胀机的构造和工作原理制冷原理：压缩气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体降温，实现制冷。2、透平膨胀机的构造和工作原理制冷原理：压缩气体在透平膨胀机工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件工程热力学第4章--气体与蒸汽的热力过程课件2、透平膨胀机的热力过程hsP0*P0P1ΔhnΔht*100*P22ΔhbΔhn*1s2s2、透平膨胀机的热力过程hsP0*P0P1ΔhnΔht*10第四章

气体与蒸汽的热力过程第四章

气体与蒸汽的热力过程引言实施热力过程的目的：2、达到预期的状态变化，如：

定压吸热过程（锅炉：水的焓↑，液→汽，获作功能力）定压放热过程（凝气器：乏汽焓↓，汽→液，便于泵送）1、实现预期的能量转换，如：

绝热膨胀过程（热机：Q→W；喷管：Q→c）绝热压缩过程（压缩机：W→p；泵：W→p）研究热力过程的目的：

揭示过程中工质状态参数的变化规律以及能量转化情况，进而找出影响转化的主要因素。引言实施热力过程的目的：2、达到预期的状态变化，如：1、研究热力过程的一般方法根据实际过程的特点，将实际过程近似地概括为几种典型过程：定容、定压、定温和绝热过程。不考虑实际过程中不可逆的耗损，视为可逆过程。工质视为理想气体

比热容取定值

实际过程是一个复杂过程，很难确定其变化规律。为简化分析，假设：研究热力过程的一般方法根据实际过程的特点，将实际过程近似地分析热力过程的一般步骤

确定过程方程p=f(v)确定初态、终态参数的关系及热力学能、焓、熵的变化量确定过程中系统与外界交换的能量在p-v图和T-s图画出过程曲线，直观地表达过程中工质状态参数的变化规律及能量转换分析热力过程的一般步骤确定过程方程p=f(v)§4-1理想气体的热力过程过程分析：1.过程方程2.初、终态参数关系，u、h、s3.系统与外界交换的能量Q、W、Wt4.过程的p-v图和T-s图典型热力过程：定容、定压、定温、绝热过程。假设：理想气体、可逆过程、定值比热容基本公式：§4-1理想气体的热力过程过程分析：1.过程方程2.一、定容过程1、过程方程一、定容过程1、过程方程2.初、终态参数的关系2.初、终态参数的关系3.能量转换3.能量转换4.

p-v图和T-s图4.p-v图和T-s图二、定压过程1.过程方程二、定压过程1.过程方程2.初、终态参数的关系2.初、终态参数的关系3.能量转换3.能量转换

4.p-v图和T-s图定v线比定p线陡Why?定v：4.p-v图和T-s图定v线比定p线陡Why?定v：三、定温过程1.过程方程三、定温过程1.过程方程2.初、终态参数的关系2.初、终态参数的关系3.能量转换3.能量转换4.p-v图和T-s图4.p-v图和T-s图四、绝热过程可逆的绝热过程是定熵过程可逆过程：ds

=0绝热过程：q=0四、绝热过程可逆的绝热过程是定熵过程可逆过程：ds=0绝1.过程方程即：定熵过程方程为指数方程1.过程方程即：定熵过程方程为指数方程2.初、终态参数的关系2.初、终态参数的关系3.能量转换3.能量转换绝热线比定T线陡Why?

4.p-v图和T-s图定T：绝热线比定T线陡Why?4.p-v图和T-s图定T：四种典型热力过程p-v图和T-s图四种典型热力过程p-v图和T-s图例1[分析]

安全阀起跳前：定v；起跳后：定pV=0.15m3p1=0.55MPat=38℃,m1V=0.15m3p2=0.7MPat2=123℃,m1V=0.15m3p3=0.7MPat3=285℃,m3定v定p定v：

T2/T1=p2/p1T2=396K=123℃氧气储罐上安全阀起跳压力为0.7MPa,问：加热到285℃时，加入的Q=？判断安全阀是否起跳：V=0.15m3p1=0.55MPat1=38℃方法1：假设没有起跳，p：0.55→0.7，看t能否达到285℃定v：T2/T1=p2/p1

p2=0.987MPa方法2：假设没有起跳，T：38→285℃，看p是否大于0.7MPa例1[分析]安全阀起跳前：定v；起跳后：定pV=0.15mV=0.15m3p1=0.55MPat=38℃,m1V=0.15m3p2=0.7MPat2=123℃,m1V=0.15m3p3=0.7MPat3=285℃,m3定v定p（1）定v：T2/T1=P2/P1T2=396K=123℃Qv=m1Cv(T2-T1)=56.3kJ（2）定p：变质量，写出Qp的微分式：=126.2kJ需加热量：Q=Qv+Qp=56.3+126.2=182.5kJV=0.15m3V=0.15m3V=0.15m3定v定p（1例2：1kg空气：t1=100℃、p1=2bar；t3=0℃、p3=1bar，其中1-2为不可逆绝热膨胀过程，其熵变为0.1kJ/kg·K，2-3为可逆定压放热过程，求：1）s123；2）q12312pv3[分析]：理想气体、定比热容1）求s123，s12已知，要求s23要求T2T2可由求出2）q123=+q12+q230可逆定压0例2：1kg空气：t1=100℃、p1=2bar；t3=[证]可逆：例3：某气体的状态方程为p(v-b)=RT，热力学能u=cvT+u0，其中cv、u0为常数。试证明在可逆绝热过程中该气体满足下列方程式：可逆绝热：ds=0kbvp=-定值)(kbvp=-定值)([证]可逆：例3：某气体的状态方程为p(v-b)=RT，热力例4：将理想气体在可逆绝热过程中所作技术功的大小，表示在T-s图上。[分析]：绝热过程技术功：＝面积1ba2’1122'baTS例4：将理想气体在可逆绝热过程中所作技术功的大小，表示在T-五、多变过程

工程实际中有些热力过程，p、v、T有明显变化，且系统与外界交换的Q不可忽略。则不能用上述4种基本热力过程来描述。

实验发现，这种过程p、v的关系依然保持近似的指数函数,因此提出了一种具有广泛代表性的过程-----多变过程，其过程方程为：n---多变指数，－∞＜n<＋∞五、多变过程工程实际中有些热力过程，p、v、T有明显变化2.初、终态参数的关系:1.过程方程：多变过程分析2.初、终态参数的关系:1.过程方程：多变过程分析3.能量转换)(112TTcnknV---=)(1)(2112TTRnTTcV--+-=wuq+D=nwwt=)(1)(11212211TTRnvpvpn--=--=211121vdvvppdvwnn==∫∫3.能量转换)(112TTcnknV---=)(1)(2若q/w不是恒定，则n是变化的。为便于分析计算，常用一个与实际过程相近似的n不变的多变过程来代替，该多变指数称为平均多变指数。或：若q/w不是恒定，则n是变化的。为便于分析计算，常用一个与实平均多变指数的确定方法（1）等端点多变指数已知过程线上两端点（p1,v1）、（p2,v2）：适用：初、终参数计算（2）等功法多变指数多变过程假想一多变过程，使之Wt与实际过程Wt相等。v适用：功量计算p实际过程Wt12平均多变指数的确定方法（1）等端点多变指数已知过程线上两端点（3）利用实际过程的lgp–lgv坐标图计算将实际的多个（p,v）数据点画在lgp–lgv坐标图上，然后拟合成一条直线，因：∴n就是该直线的斜率。（4）利用p–v图面积比计算vp实际过程wt12w（3）利用实际过程的lgp–lgv坐标图计算将实际[例5]活塞对汽缸内的2kg空气压缩后，比容降为原来的1/5，汽缸对外散热100kJ。已知等功法多变指数n=1.31,等端点多变指数n=1.21。比热容取定值,求技术功.[解]n用哪个?n=1.21cv、k、R查表T1=384Kn用哪个?n=1.31wtWt=m

wt[例5]活塞对汽缸内的2kg空气压缩后，比容降为原来的1/多变过程与四种典型热力过程的关系多变过程与四种典型热力过程的关系多变过程在p-v图和T-s图上表示

从定容线出发，n由-0+，沿顺时针方向递增多变过程在p-v图和T-s图上表示从定容线出发，n由-过程中各能量项正负方向分析内能与焓

定温线是确定du、dh正负的分界线热量定熵线是确定q正负的分界线过程中各能量项正负方向分析内能与焓定温线是确定du、dh正体积变化功

定容线是确定w正负的分界线技术功

定压线是确定wt正负的分界线体积变化功定容线是确定w正负的分界线技术功定压线是确定各能量项正负方向图各能量项正负方向图例61、试将理想气体的下列多变过程在p-v图和T-s图上表示出来：（1）工质既膨胀、又放热（2）工质既受压缩、又升温、吸热（3）工质既受压缩、又降温、降压例61、试将理想气体的下列多变过程在p-v图和T-s图上表示（3）工质既受压缩、又降温、降压（1）工质既膨胀、又放热（2）工质既受压缩、又升温、吸热[解]（3）工质既受压缩、又降温、降压（1）工质既膨胀、又放热（2例7A、B体积相同。对A腔缓慢加热，直到A、B内压力为0.4MPa时停止。设气体比热容为定值,cp=1.01kJ/kg·K，cv=0.72kJ/kg·K。求：（1）A、B两部分终态容积和终态温度；（2）对A腔的加热量；（3）A、B腔内气体的熵变和总熵变；（4）将A、B腔内过程在p-v和T-s图上表示出来。

AB加热器1kg0.2MPa20℃1kg0.2MPa20℃刚性绝热可移动的无摩擦、绝热例7A、B体积相同。对A腔缓慢加热，直到A、B内压力为0.4[解]分析：B：缓慢、无摩擦、绝热→可逆绝热：定s过程A：p、v、T变，有Q交换：吸热膨胀多变过程（1）先计算工质物性：B腔：定s过程：[解]分析：B：缓慢、无摩擦、绝热→可逆绝热：定s过程A、B腔终态温度可用状态方程求出：（2）求A腔吸热Q：方法1：取整个容器工质为系统，W=0：方法2：取A为系统，A对B做功：A、B腔终态温度可用状态方程求出：（2）求A腔吸热Q：方法1（3）求ΔS：B定s过程：ΔSB=0总ΔS=ΔSB+ΔSB=831.7J/K（4）过程图示：p2sTvpp1B2A2p2p1B2A2p1（3）求ΔS：B定s过程：ΔSB=0总ΔS=ΔSB+Δ作业P113：思考题1~4P113：习题1、4作业P113：思考题1~4§4.2蒸气的热力过程基本过程：定容、定压、定温、定熵求解任务：确定：①初、终态参数；②过程中的w、q、Δu、Δh等。与理想气体不同：水蒸气cp、cv、u、h、s不是T的单值函数，不能用公式计算，而是查图表获得基于热力学第一、二定律的一般关系式仍可利用：与理想气体相同可逆：§4.2蒸气的热力过程基本过程：定容、定压、定温、定熵与蒸汽热力过程分析的一般步骤已知：初态2个参数如（p,t）或（p,x）或（t,x）;一个终态参数；过程特征。求：其他未知参数、交换的能量步骤：（1）由初态2个已知参数查出其余所需参数；（2）由过程特征和一个终态参数确定终态点，查出其余终态参数；（3）由初、终参数计算Δu

、Δh

（4）计算q、w：方法如下：蒸汽热力过程分析的一般步骤已知：初态2个参数如（p,t）或计算q、w（wt）的方法1、可逆过程：初、终参数→积分上下限过程特征→p~v、T~s关系（过程方程）求出q、w（wt）中的一个,再由：或求出另一个2、不可逆过程：根据过程特征，利用h-s图计算计算q、w（wt）的方法1、可逆过程：初、终参数→积分蒸汽定容、定压过程一、定容过程二、定压过程v1=v2,则：v

p1=p2,则：蒸汽定容、定压过程一、定容过程二、定压过程v1=v2,则：v蒸汽定温、定熵过程三、定温过程四、定熵过程s1=s2于是可得：T1=T2,于是可得：蒸汽定温、定熵过程三、定温过程四、定熵过程s1=s2于是可例8：初态（p1,t1），终态（p2,x2）间热力过程在p-v图上为一条直线，求：

q、w1(p1,t1)2(p2,x2)pv（1）查图表→其余所需初态、终态参数：v1,v2,

h1,h2

[思路]（2）h=u+pv→u（3）写出（p1,v1）、（p2,v2）间的直线方程，代入：，求出w（4）再由求出q问：题中没说过程可逆，能用该式？若题中改为：热力过程在T-s图上为一条直线呢？答：写出T-s直线方程,代入先求出q例8：初态（p1,t1），终态（p2,x2）间热力过程在蒸汽热力过程分析例题例9：锅炉中，管外高温烟气对管内的水定压加热使之汽化。管内：给水（9MPa，30℃），出口蒸汽（9MPa，450℃）；管外烟气定压放热：由1500℃降为250℃。烟气近似为空气，cp=1.079kJ/kgK。求：（1）生产1kg该蒸汽需要多少kg烟气？（2）生产1kg该蒸汽，烟气、蒸汽的熵变。烟气1500℃250℃9MPa30℃给水蒸汽9MPa450℃[解]分析：1、系统无W交换，纯换热问题。热平衡：Qy=Qw2、烟气无相变，而水有相变，要计算Qw，需知道水侧进出口状态蒸汽热力过程分析例题例9：锅炉中，管外高温烟气对管内的水定压查饱和表：9MPa→ts=303.4℃→给水：未饱和；蒸汽：过热查过冷水、过热蒸汽表：

给水（9MPa，30℃）：hw1=133.86kJ/kg,sw1=0.4338kJ/kg.K蒸汽(9MPa，450℃)：hw2=3256.0kJ/kg,sw1=6.4835kJ/kg.K(1)设需要mkg烟气，根据热平衡：m

cp（ty2-ty1）=hw2-hw1m=2.31kg(2)烟气的熵变：水的熵变：(3)孤立系总熵变：烟气1500℃250℃9MPa30℃给水蒸汽9MPa450℃（1）生产1kg该蒸汽需要多少kg烟气？（2）生产1kg该蒸汽，烟气、水的熵变查饱和表：9MPa→ts=303.4℃查过冷水、过热蒸汽例10：汽轮机效率为0.85，求：（1）每kg蒸汽所做的功。（2）膨胀过程的熵产p1=9MPat1=500℃p2=5kPa绝热ws（1）求功：wt=h1-h2。先确定定熵时的终态（p2

,s2s=s1）→h2s,实际h1-h2=0.85(h1-h2s)，→确定实际终态（p2

,h2）（2）熵产：系统绝热→熵流=0→熵产=s2-s1

[解](p1

,t1)查过热表h1=3385kJ/kg，s1=6.656kJ/kg.Kp2查饱和表比较s2s=s1终态为湿蒸汽干度可由s算出[分析]例10：汽轮机效率为0.85，求：p1=9MPap2=定熵时的终态：实际终态：（1）每kg蒸汽实际做功:（2）熵产：有效能损失：定熵时的终态：实际终态：（1）每kg蒸汽实际做功:（2）熵产方法2：查图法1、p1,t1线交点：初态点12、从1点做垂线交p2线：2s点，查出h2s

3、实际终态焓：4、实际终态2：h2水平线与p2交点。再查出s2p1p2t112s2hsh2s2方法2：查图法1、p1,t1线交点：初态点12、从1§4.3湿空气的热力过程h-d图§4.3湿空气的热力过程h-d图判断下列说法是否正确?（1）含湿量越大的空气越潮湿。（2）冬季干燥，说明温度低的空气比温度高的空气更干燥。（3）北方冬季室外－30℃，空气中不可能存在水分判断下列说法是否正确?（1）含湿量越大的空气越潮湿。（2）冬1、湿空气过程及其应用加热：1-2:冷却：1－2′（t>td）td露点d继续冷却到=100%：露点∴含湿量值相同、状态不同的湿空气，具有相同的露点。一、加热(或冷却)过程1、湿空气过程及其应用加热：1-2:冷却：1－2′（t>t二、绝热加湿过程喷水加湿1-2：①tw查取方法：定h线与=100%线交点处的温度值结果：（1）d↑、↑、t↓(2)h1≈h2绝热加湿近似为定h过程②h值相同、状态不同的湿空气，具有相同的湿球温度tw二、绝热加湿过程喷水加湿1-2：①tw查取方法：定h线与(2)凝水量：22d2d1h2湿空气：(t1、1)

t2冷却三、冷却去湿过程(1)过程曲线(2)凝水量：22d2d1h2湿空气：(t1、1)空调工程常用方法四、绝热混合过程空调工程常用方法四、绝热混合过程五、工程应用（1）烘干过程五、工程应用（1）烘干过程（2）冷却塔（2）冷却塔作业P113：思考题5~8P113：习题5作业P113：思考题5~8§4.4绝热节流节流：流体流经截面突缩的孔口时压力下降的现象。原因(机理)：热力学、流体力学§4.4绝热节流节流：流体流经截面突缩的孔口时压力下降的一、绝热节流分析节流过程不可逆节流前后流体的焓不变节流后压力下降、比体积增大绝热节流过程为定焓过程？0000理想气体孔口附近，动能不可忽略：一、绝热节流分析节流过程不可逆节流前后流体的焓不变节流二、焦耳-汤姆逊效应焦耳-汤姆逊效应（1852年）：绝热节流后流体的温度发生变化。也称为“节流温度效应”

对于理想气体：多数气体的T↓；少数气体如H2、He的T↑节流后，p↓节流前、后：二、焦耳-汤姆逊效应焦耳-汤姆逊效应（1852年）：绝热节流系数(焦-汤系数):T↓：节流冷效应因为节流过程压力下降，即dp<0T↑：节流热效应T不变：节流零效应①节流微分效应：微元压降导致的温度变化②节流积分效应：有限压降导致的温度变化节流系数(焦-汤系数):T↓：节流冷效应因为节流过程压力下回转温度（inversiontemperature）：节流微分效应J=0时的气体温度，Ti例：范德瓦尔气体状态方程：Ti①回转曲线：将T-p图分为两区②

,不存在冷效应③冷效应区:微元dp、有限p,T均↓热效应区:微元dp:T↑、一定的p

:

T↑但压降大到一定程度后，T↓+状态方程回转温度（inversiontemperature）：节流节流的应用压力、流量（功率）调节--各类阀门制冷：普冷、低温工程--热力膨胀阀、节流阀计量：孔板流量计、饱和水蒸汽干度测量导出实际气体状态方程节流的应用压力、流量（功率）调节--各类阀门制冷：普冷、低温§4.5压气机中的热力过程引言压气机：消耗外功使气体压缩升压的机器（1）按产气压力分压气机分类：通风机（＜115kPa）鼓风机（115

~300kPa）压气机（＞300kPa）（2）按结构分活塞式叶轮式离心式轴流式§4.5压气机中的热力过程引言压气机：消耗外功使气体一、活塞式压气机

的工作过程（1）理想情况：排气结束：活塞运动到左止点，将汽缸中的气体排尽。1234Vp进气阀排气阀吸气压缩排气左止点右止点忽略动能差、位能差：压缩机的功耗近似为技术功近似为稳流开口系：一、活塞式压气机

的工作过程（1）理想情况：排气（2）实际工作过程最大容积：V1汽缸行程容积：Vh＝V1–

V3'有效进气容积：Ve＝V1–

V4'余隙容积：Vc工作过程：4'-1：吸气1-2：压缩2-3'：排汽3'-4'：膨胀余隙容积:

防止活塞与汽缸盖撞击、便于安排进、排气阀等。Vc左止点右止点Ve（2）实际工作过程最大容积：V1工作过程：余隙容积:防止活二、压气功的计算设压缩、膨胀为多变过程。

1、理想压气功1234Vp2、有余隙的压气功等于1-2压缩功与3-4膨胀功之差。有余隙时功耗下降？Ve二、压气功的计算设压缩、膨胀为多变过程。13、压气机功率：设吸入状态下体积流量为qve，则压气机功率为：压缩1kg气体的功耗：压缩1kg气体的功耗：1、理想压气功:2、有余隙的压气功:相同wt相同,为何有余隙时Wt↓？原因：吸气量↓3、压气机功率：设吸入状态下体积流量为qve，则压气机功率三、容积效率由于余隙容积的存在，有效吸气容积V1－V4

总是小于行程容积Vh，Vh不能充分利用。其比值定义为容积效率ηV

p2/p1

↑→ηV↓，可使ηV=0。单级压缩p2/p1

一般为≤8，需要更高压力时，应采用多级压缩。Vc相对余隙容积：=Vc/Vh，=0.03~0.08VhVc三、容积效率由于余隙容积的存在，有效吸气容积V1－V4总四、压气机汽缸冷却的作用sT12sp1p22n2T压缩过程三种情况：绝热、定温和多变压缩。压缩过程会使气体温度升高：定温压缩功耗最少!四、压气机汽缸冷却的作用sT12sp1p22n2T压缩过程三汽缸为什么要冷却？2、减少功耗。1、避免压缩机润滑油因高温而氧化变质（压缩机油氧化温度~130℃）3、有利于延长材料寿命汽缸为什么要冷却？2、减少功耗。1、避免压缩机润滑油因高温而五、多级压缩与级间冷却1、为什么要采用多级压缩？2、为什么要采用级间冷却？sT12ab为了获得较高容积效率。单级压缩p2/p1应≤8。需要更高压力时，采用多级压缩，使每级气缸的增压比不会过高，以得到较高的容积效率。降低压缩过程中气体的温度。使：(1)安全。材料、润滑油不能超温；（2）压气机功耗↓（p-V图中阴影面积)。ab定温线2'22''五、多级压缩与级间冷却1、为什么要采用多级压缩？2、为什么中间压力对耗功的影响设两级压气机中间压力为pa，两级气缸中压缩过程的多变指数相同，功耗为：设气体在中冷器得到充分冷却，即Tb＝T1，则上式为

对上式其求极值：得功耗的为极小值时的压力比-----最佳压力比：中间压力对耗功的影响设两级压气机中间压力为p每级耗功为：z级总耗功为：对于z级压缩：如：3级压缩，将空气从0.1MPa压缩到2.7MPa。求最佳压比及中间压力。最佳压比：一级出口压力：二级出口压力：