工程热力学英文双语版

Chapter8

CompressorandTurbine

压气机与透平ThermalEnergyEngineeringDepartment工程热力学

EngineeringThermodynamicsSAMThermalEnergyEngineeringDepartment8-2SAM

本章主要讨论压气机及透平的整体热力特性，即讨论气体在压缩及膨胀过程中能量转换的规律及状态变化的特点，并建立各种基本关系式。本章中，除了对整体热力特性有明显影响的结构因素外，都不予讨论。8-1概述Outline8-2回转式轮机的工作过程

Workprocessofrotaryturbine8-3活塞式压气机的工作过程

WorkprocessofreciprocatingcompressorSummary

ThermalEnergyEngineeringDepartment8-23SAM一、回转式轮机的理想过程

对回转式轮机，散热量相对较小，一般都不必采用冷却措施。可以看作是绝热压缩过程；理想可逆时则为定熵过程。在回转式轮机进、出口界面上的动、位能变化，可忽略不计。

1.能量方程

0SSSF0绝热有

压气机，忽略动、位能的变化消耗的的轴功使质量流的焓值增大。气轮机，输出的轴功是由质量流焓值的减小转换而来的。8-2回转式轮机的工作过程

WorkprocessofrotaryturbineThermalEnergyEngineeringDepartment8-24SAM2.熵方程

在可逆绝热条件下回转式轮机进、出口截面上的熵值必然相等。0SSSF00绝热0可逆有ThermalEnergyEngineeringDepartment8-25SAM

3.方程0SSSF0绝热0可逆可逆绝热条件下回转式轮机的轴功等于进出口质量流的焓之差。

压气机，气轮机，输出的轴功是由质量流焓的减小转换而来的。消耗的的轴功使质量流的焓增大。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-26SAM

三、回转式轮机的实际过程回转式轮机的实际过程并不是可逆绝热过程，存在熵产与损。

0SSSF00绝热ThermalEnergyEngineeringDepartment8-27SAM

回转式轮机的绝热效率adiabaticefficiencyofrotaryturbine

：实际绝热过程12，可逆绝热过程12s，回转式压气机的绝热效率adiabaticefficiencyofrotarycompressor

：在相同的初态及终压的条件下，可逆绝热压缩过程的轴功与不可逆绝热压缩的轴功之比值。理想气体，定比热

在相同初态及相同终压下，回转式轮机实际过程的轴功与理想过程的轴功之间偏离程度的物理量。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-28SAM在相同的初态及终压的条件下，实际绝热膨胀过程的轴功与可逆绝热膨胀过程的轴功之比值。回转式气轮机的绝热效率adiabaticefficiencyofrotaryturbine

：

理想气体，定比热ThermalEnergyEngineeringDepartment8-29SAM实际过程的功损与损（p181）功损及损都是表示实际过程相对于理想过程，其作功能力下降程度的物理量，它们的大小都可以作为实际过程与理想过程偏离程度的度量。是对同一个实际过程的作功能力的两种不同的度量方法。实际过程的功损：在相同的初态及终压的条件下，定熵过程的轴功与实际绝热过程的轴功之差值，称为该实际过程的功损。功损在数值上就等于定压下提高工质出口温度所需的热量。显然，如果加以利用的话，这部分热量在理论上仍有一定的作功能力。功损并非全是无法作功的无用能。实际过程的损:

在初、终两态相同的条件下，最大有用功与实际绝热过程的轴功之差值.

损就是功损中不可能再作功的那一部分无用能.ThermalEnergyEngineeringDepartment8-29SAM例8-1

（p181）有一台回转式压气机每分钟生产的压缩空气量为20kg。压气机从压力为0.1MPa，温度为17℃的周围环境中吸入空气，压气机的出口压力为0.6MPa，压缩过程可看作是绝热的。如果压气机的绝热效率为0.85,试计算驱动该压气机所需的功率以及实际压气过程的功损率及损率。分析：或①②ThermalEnergyEngineeringDepartment8-30SAM8-3活塞式压气机的工作过程

Workprocessofreciprocatingcompressor从热力学观点来看，各种形式的压气机并无本质区别，都包括：进气→压缩→排气三个阶段。一、压气机的压气过程compressingprocessofcompressor

压气过程可作为稳定流动过程，若忽略进气和排气的流动动能和重力位能，由有0SSSF

压气过程的两种极限情况：可逆定熵压缩过程reversibleisentropiccompress可逆定温压缩过程reversibleisothermalcompress

工程上压气机的实际压缩过程介于两种极限情况之间，若过程可逆，则为多变过程，n∈(1,k)

。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-31SAM可见因而，在压缩过程中应力求使工质得到充分冷却，使之趋于定温压缩。压气机的排气温度一般不超过160～180

C。

由于排气温度超过限定值，会引起润滑油变质，从而影响润滑效果，严重时还可能引起自燃甚至发生爆炸，所以不能用单级压缩产生很高的压力。实际上采用单级压缩还是多级压缩，要看压缩终态温度是否超过规定值。(1)1-2compressingprocess(2)2-3exhaustprocesswhen,theexhaustvalveopens.Statedoesnotchange,,themassofthegasintheclearancevolumeis,andThermalEnergyEngineeringDepartment8-32SAM(3)3-4expansionprocessPistonmovesright,thegasintheclearancevolumeexpands,thepressuredecreases,when,theintakevalveopens.stateofthegasinthecylinderdoesnotchange,themassrises,when,intakevalveisclose.(4)4-1intakeprocess二、单级活塞式压气机的压气过程及效率1.压气过程ThermalEnergyEngineeringDepartment8-33SAM余隙比clearanceratio气缸的最大容积余隙容积clearancevolume

工作容积(排量)

workingvolumeofthecylinder有效吸气容积effectiveaspiratoryvolumeThermalEnergyEngineeringDepartment8-34SAMAssumptions:thenatureofprocessisthesameinthecompressprocess1-2andexpansionprocess3-4.或ThermalEnergyEngineeringDepartment8-34SAM讨论:

余隙容积对活塞式压气机的影响?

余隙容积的存在理论上不影响压缩单位质量气体所消耗的轴功，但实际上由于存在膨胀和压缩过程的不可逆损失，压气机耗功会增加。余隙容积的存在使气缸有效吸气容积减少，使总输气量减少。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-35SAM其中，增压比2.容积效率volumetricefficiency则单级活塞式压气机的增压比不宜过高，一般不超过12。设膨胀与压缩过程的多变指数相同.increasedpressureratioThermalEnergyEngineeringDepartment8-36SAM如何用图定性地表示容积效率随增压比及多变指数的变化情况？讨论:ThermalEnergyEngineeringDepartment8-37SAM3.压缩机等温效率

isothermal

efficiencyof

compressor实际过程的功损：在相同的初态及终压的条件下，可逆定温压缩过程的轴功与实际压缩过程的轴功之差值，称为该压缩过程的功损。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-38SAM例8-2（p185）有一台活塞式压气机，其余隙比为0.05。若进气压力为0.1MPa，温度为17℃，压缩后的压力为0.6MPa。假定压缩过程的多变指数为1.25，试求压气机的容积效率。如果压缩终了的压力为1.6MPa，则容积效率又为多少？耗功是多少？解当终压p2＝1.6MPa时，有

可见，增压比提高，容积效率明显下降。或ThermalEnergyEngineeringDepartment8-46SAM

例8-3（P187）有一台活塞式空气压缩机，其气缸有水套冷却。若把空气由0.1MPa及17℃的初态压缩到0.6MPa的终压，并已知压缩过程的多变指数为n＝1.3，试确定该压缩机生产每公斤压缩空气所消耗的功量及放出的热量。如果在相同初态及终压的条件下，可逆的绝热压缩及可逆的定温压缩，则结果又将如何？ThermalEnergyEngineeringDepartment8-46SAM例8-4

（P188）在初态及终压保持不变的情况下，对上例中的活塞式压气机的冷却条件加以改进。在稳定工况下测得出口温度T2＝410K，生产每公斤压缩空气所需的功量为w12＝-170kJ/kg。试计算实际压缩过程的放热量，并确定实际过程的定温效率、功损及损。分析：①由热一律，有②④③⑤利用上方程求出熵产与损。三、多级压缩

MultilevelcompressCharacteristicofmultilevelcompress：(1)gettinghigherpressure;(2)clearanceratioismorereasonable;(3)Intercoolerisused,temperatureofcompressisnothigh,exhaustingworkissmall.ThermalEnergyEngineeringDepartment8-39SAMtwo-stagecompress为什么要采用多级压缩？question：Solution：Assumptions:(1)gasisidealgas;(2),andtheprocessisreversible;(3);ThermalEnergyEngineeringDepartment8-41SAMWhentheworkinputisminimum?

question：，thenThermalEnergyEngineeringDepartment8-42SAMIf当压气机的各级多变指数相同、各级增压比相同、且采用中间冷却措施，并能充分冷却到初始温度时，压气机耗功最少，且各级耗功量相等。

answer：then如图b，两级压缩，余隙容积相同、质量流量相同，但容积效率不同（高压级小）。ab3.MultilevelcompressWhenexhaustingworkisminimum,,otherwiseprocessisnotreliableandthedeviceswillbecomplex.ThermalEnergyEngineeringDepartment8-43SAMThermalEnergyEngineeringDepartment8-44SAM例在例8-2中，为了把0.1MPa、17℃的空