工質的熱力過程第四章.ppt

1、第四章 工質的熱力過程研究熱力學過程的目的、對象與方法,目的,提高熱力學過程的熱功轉換效率,熱力學過程受外部條件影響,主要研究外部條件對熱功轉換的影響,利用外部條件, 合理安排過程，形成最佳循環(huán),對已確定的過程，進行熱力計算,研究熱力學過程的對象與方法,對象,方法,抽象分類,2) 可逆過程 (不可逆再修正,基本過程,研究熱力學過程的依據(jù),2) 理想氣體,3)可逆過程,1) 熱一律,穩(wěn)流,研究熱力學過程的步驟,1) 確定過程方程-該過程中參數(shù)變化關系,5) 計算w , wt , q,4) 求,3) 用T - s 與 p - v 圖表示,2) 根據(jù)已知參數(shù)及過程方程求未知參數(shù),4.1理想氣體的熱力

2、過程理想氣體的等熵過程,2) 不僅 , s 處處相等,絕熱,可逆,s,說明: (1) 不能說絕熱過程就是等熵過程, 必須是可逆絕熱過程才是等熵過程,adiabatic,isentropic,Reversible adiabatic,理想氣體 s 的過程方程,當,理想氣體,理想氣體 s 的過程方程,內能變化,焓變化,熵變化,理想氣體 s u, h, s,的計算,狀態(tài)參數(shù)的變化與過程無關,膨脹功 w,理想氣體 s w,wt ,q的計算,技術功 wt,熱量 q,理想氣體熱力過程的綜合分析,理想氣體的多變過程 (Polytropic process,過程方程,n是常量， 每一過程有一 n 值,n,n

3、= k,s,理想氣體 n w,wt ,q的計算,多變過程比熱容,1) 當 n = 0,2) 當 n = 1,多變過程與基本過程的關系,3) 當 n = k,4) 當 n =,p,T,s,v,n,p,T,s,v,isothermal,isentropic,isobaric,isochoric,斜率,理想氣體 過程的p-v,T-s圖,上凸?下凹,s,T,v,p,p,p,p,斜率,理想氣體 過程的p-v,T-s圖,上凸?下凹,s,T,v,p,p,p,v,v,v,斜率,理想氣體 過程的p-v,T-s圖,上凸?下凹,s,T,v,p,p,p,T,v,v,T,T,理想氣體 過程的p-v,T-s圖,s,T,v

4、,p,p,p,s,v,v,T,T,s,s,理想氣體基本過程的p-v,T-s圖,s,T,v,p,p,p,v,v,T,T,s,s,u在p-v,T-s圖上的變化趨勢,s,T,v,p,u,T,u0,u0,h在p-v,T-s圖上的變化趨勢,s,T,v,p,h,T,u0,u0,h0,h0,w在p-v,T-s圖上的變化趨勢,s,T,v,p,u0,u0,h0,h0,w0,w0,wt在p-v,T-s圖上的變化趨勢,s,T,v,p,u0,u0,h0,h0,w0,w0,wt0,wt0,q在p-v,T-s圖上的變化趨勢,s,T,v,p,u0,u0,h0,h0,w0,w0,wt0,wt0,q0,T,q0,u,h,w,w

5、t,q在p-v,T-s圖上的變化趨勢,s,T,v,p,u0,u0,h0,h0,w0,w0,wt0,wt0,q0,u,h(T) w(v) wt(p) q(s,q0,p-v,T-s圖練習（1,s,T,v,p,壓縮、升溫、放熱的過程，終態(tài)在哪個區(qū)域,p-v,T-s圖練習（2,s,T,v,p,膨脹、降溫、放熱的過程，終態(tài)在哪個區(qū)域,p-v,T-s圖練習（3,s,T,v,p,膨脹、升溫、吸熱的過程，終態(tài)在哪個區(qū)域,4.2氣體和蒸氣的壓縮活塞式壓氣機的壓縮過程分析,壓氣機的作用,生活中：自行車打氣,工業(yè)上：鍋爐鼓風、出口引風、煉鋼、燃氣輪機、制冷空調等等,型式結構,活塞式(往復式,離心式 ，渦旋,軸流式，

6、螺桿,連續(xù)流動,壓力范圍,通風機,鼓風機,壓縮機,出口當連續(xù)流動,Fan,Compressor,Fanner,P115kPa,P 115350kPa,P350kPa,理論壓氣功(可逆過程,指什么功,目的：研究耗功，越少越好,活塞式壓氣機的壓氣過程,技術功wt,Minimizing work input,1)、特別快，來不及換熱,2)、特別慢，熱全散走,3)、實際壓氣過程是,可能的壓氣過程,三種壓氣過程的參數(shù)關系,三種壓氣過程功的計算,最小,重要啟示,兩級壓縮中間冷卻分析,有一個最佳增壓比,省功,Work saved,最佳增壓比的推導,省功,最佳增壓比的推導,省功,欲求w分級最小值,可證明 若m

7、級,最佳增壓比,分級壓縮的其它好處,潤滑油要求t160180,高壓壓氣機必須分級,分級壓縮的級數(shù),省功,分級,降低出口溫,多級壓縮達到 無窮多級,1)不可能實現(xiàn),2)結構復雜(成本高,一般采用 2 4 級壓縮,壓氣機的設計計算,需要壓氣機，想設計一臺,已知,要求：配馬達功率， 出口溫度,根據(jù)經驗，有無冷卻水套,假定 ，理論功,壓氣機的設計計算,實際過程有摩擦,機械效率,經驗值70,壓氣機的校核計算,已有壓氣機，實測,要求：壓氣機效率,太低，則壓氣機報廢或修理,活塞式壓氣機的余隙影響,避免活塞與進排氣閥碰撞，留有空隙,余隙容積,Clearance volume,活塞式壓氣機的余隙影響,活塞排量,

8、研究VC對耗功和產氣量的影響,新氣量 產氣量,有效吸氣容積,余隙容積VC對理論壓氣功的影響,設12和43兩過程n相同,余隙容積VC對理論壓氣功的影響,余隙對單位產氣量耗功不影響,余隙容積VC對產氣量的影響,定義容積效率,令,余隙比,工程上一般0.030.08,Volumetric efficiency,余隙容積VC對產氣量的影響,討論,極限,余隙影響例題,已知,求（1）有余隙時的排氣量和耗功 （2）無余隙時的排氣量和耗功,解,1）有效容積,例題(1)有余隙影響,余隙影響例題,解：（2）無余隙時的排氣量和耗功,4.3氣體和蒸汽的流動,學習內容,1 研究氣體流動過程中,2 研究影響氣體在管內流的,

9、氣流速度變化,能量轉換,狀態(tài)參數(shù)變化,的規(guī)律,系統(tǒng)的外部條件,管道截面積的變化,1 絕熱流動的基本方程,一 概念,穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流(穩(wěn)定流動,狀態(tài)不隨時間變化,恒定的流量,二 幾個基本方程,連續(xù)性方程,絕熱穩(wěn)定流動能量方程,定熵過程方程,1) 連續(xù)性方程,const,由穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流特點,適用于任何工質,可逆和不可逆過程,截面面積,氣流速度,氣體比容,2) 絕熱穩(wěn)定流動能量方程,適用于任何工質,可逆和不可逆過程,注：增速以降低本身儲能為代價,3) 定熵過程方程式,const,可逆絕熱過程方程式,適用條件: (1)理想氣體 (2)定比熱 (3)可逆,微分,三 音速與馬赫數(shù),微小擾動在流體中的傳播速度,壓力波的

10、傳播過程 可作定熵過程處理,1) 音速,定義式,定熵過程,理想氣體,只隨絕對溫度而變,2) 馬赫數(shù),M1 超音速,M=1 臨界音速,M1 亞音速,2 定熵流動的基本特性,得,dc0,dp0,由此可見,dc 0,dp 0,二、管道截面變化的規(guī)律,連續(xù)性方程,可逆絕熱過程方程,注:擴壓管dc0,故不同音速下的形狀與噴管相反,噴管和擴壓管流速變化與截面變化的關系,流動狀態(tài),管道種類,管道形狀,M1,M1,dc0,dc0,噴管,dp0,1,2,M1,漸縮漸擴噴管M1 漸縮漸擴擴壓管M1轉M1,1,2,M1,M=1,M1,M1,擴壓管,dp0,1,2,1,2,1,2,1,2,M=1,3 噴管中流速及流量

11、計算,一 定熵滯止參數(shù),將具有一定速度的氣流在定熵條件 下擴壓，使其流速降低為零時的參數(shù),二、噴管的出口流速,由絕熱穩(wěn)定流動能量方程,對理想氣體,對實際氣體,三、臨界壓力比及臨界流速,1)臨界壓力比,代入出口流速方程,特別的對 雙原子氣體,四、流量與臨界流量,一般通過計算最小截面的質量流量,由連續(xù)性方程知，各個截面的質量流量相等,1）漸縮噴管的質量流量計算,注意 的取值,2）漸縮漸擴噴管的流量計算,正常工作時,M,五、噴管的計算,1 噴管的設計計算,已知,1) 當 即 采用漸縮噴管,2）當 即 采用縮擴噴管,2）漸縮噴管的校和計算,已知,1) 當 即,2）當 即,噴管的最大流量,kg/s,4

12、擴壓管,注:動能損失得越多壓力增加得越多,擴壓管的擴壓比概念,定義式,由能量 方程得,則定熵過程,5 具有摩擦的流動,定義式,消耗一部分功,6 絕熱節(jié)流,定義：氣體在管道中流過突然縮小的截面， 而又未及與外界進行熱量交換的過程,特點：絕熱節(jié)流過程前后的焓相等，但整個過程絕不是等焓過程,流體在通過縮孔時動能增加，壓力下降并產生強烈擾動和摩擦。擾動和摩擦的不可逆性，導致整個過程的不可逆性,不可逆性,絕熱節(jié)流前后參數(shù)的變化,1) 對理想氣體,2) 對實際氣體,節(jié)流前后焓不變,溫度不一定不變,絕熱節(jié)流溫度效應,溫度效應只與氣體的性質有關,與其狀態(tài)無關,絕熱節(jié)流系數(shù)（焦爾湯姆遜系數(shù),定義式,物性參數(shù) 反

13、映與理想氣體的偏差,小結 Summary,1、什么樣的氣體是理想氣體,2、理想氣體狀態(tài)方程的正確使用,3、理想氣體比熱、內能、焓的的特點和計算,4、理想氣體各種可逆過程的特性， 參數(shù)變化，功，熱的計算,5、p-v圖，T-s圖上的表示,6、壓氣機熱力過程的分析方法,討論習題課,教材思考題10,s,在u-v圖上畫出 加熱， 加熱， 加熱 膨脹，定比熱，理想氣體,v,p,T,q=u+w,教材思考題10,p,加熱,斜率為正的直線,v,加熱,教材思考題10,v,加熱,上凸?下凹,作圖練習題（1,s,比較,作圖練習題（2,比較,作圖練習題（3,比較,計算練習題（1,同種氣體，TA=TB=T0=288K,突

14、然拔掉銷釘，經很長時間，TA=TB=T0,I. 活塞無摩擦，完全導熱,求,1）活塞移動距離L,2）A氣體對B氣體傳熱QA,A氣體對B氣體作功WA,3）氣缸與外界換熱QA+B,4） SA ,SB , SA+B,II. 活塞有摩擦，完全導熱， 且經歷準靜態(tài)等溫過程1)4,I. 活塞無摩擦，完全導熱1,解,1）活塞移動距離L,A和B質量和溫度不變,I. 活塞無摩擦，完全導熱2)3,解,2） QA，WA,突然，不是準靜態(tài),無法確定,3） QA+B,I. 活塞無摩擦，完全導熱4,解,4） SA ,SB, SA+B,討論,QA+B=0 SA +B 0,QA，WA 無法求,SA可求,S狀態(tài)參數(shù),II. 活塞

15、有摩擦，導熱，準靜態(tài)等溫,解,1）活塞移動距離L,A和B質量和溫度不變,I. II. 距離L相等,II. 活塞有摩擦，導熱, T,解,2） QA，WA,摩擦耗功,3） QA+B,II. 活塞有摩擦，導熱, T,解,4） SA ,SA , SA+B,討論,非巧合 SAB由摩擦不可逆引起,計算練習題（2,教材313題,氧氣瓶，V=0.04m3, p1=147.1bar , t1=t0=20,迅速放氣， p2=73.55bar,求,T2，放出的質量m,p2 ,V已知， 先求T2,取氧氣瓶為開口系， 試用開口系能量方程求T2,m1,m2,m,取氧氣瓶為開口系,開口系能量方程,f(T2,有無過程方程,是

16、不是可逆不敢確定,取氧氣瓶為開口系,氣體減少， dm本身為正,u,h,m指瓶中氣體狀態(tài),對于理想氣體，cv=Const,取氧氣瓶為開口系,絕熱鋼瓶放氣，瓶內氣體遵循,特例,計算練習題（3,一小瓶氦氣，初溫為TA，小瓶絕熱，保溫箱初為真空，由于小瓶漏氣，某時刻，小瓶內溫度為TA，箱內氦氣溫度為TB。氦氣為理想氣體，試分析TA，TA，TB的大小關系,TB,TA,解：將TA，TA，TB聯(lián)系取保溫箱為系統(tǒng)較好,計算練習題（3,TB,TA,解：取保溫箱為系統(tǒng),小瓶內氣體遵循,焓,第五章 熱力循環(huán)與熱工設備簡介,熱力循環(huán)研究目的和分類,動力循環(huán)：工質連續(xù)不斷地將從高溫熱源取得的熱量的一部分轉換成對外的凈功

17、,按工質,氣體動力循環(huán)：內燃機,蒸汽動力循環(huán)：外燃機,空氣為主的燃氣,按理想氣體處理,水蒸氣等,實際氣體,研究目的：合理安排循環(huán)，提高熱效率,ICE,ECE,氣體動力循環(huán)分類,按結構,活塞式,葉輪式,汽車，摩托，小型輪船,航空，大型輪船，移動電站 聯(lián)合循環(huán)的頂循環(huán),piston engine,Gas turbine cycle,氣體動力循環(huán)分類,小型汽車，摩托,中、大型汽車，火車，輪船，移動電站,汽油機 petrol (gasoline) engine,按燃料,柴油機diesel engine,煤油機 kerosene oil engine,航空,氣體動力循環(huán)分類,點燃式 spark igni

18、tion,按點燃方式,按沖程數(shù),四沖程 four-stroke,壓燃式 compression ignition,二沖程 two-stroke,動力循環(huán)研究方法,實際動力循環(huán)非常復雜,不可逆，多變指數(shù)變化，燃燒等,工程熱力學研究方法，先對實際動力循環(huán)進行抽象和理想化，形成各種理想循環(huán)進行分析，最后進行修正,5-1 內燃機的基本構造及循環(huán),一、四沖程高速柴油機（混合加熱循環(huán),high-speed diesel engin,四沖程柴油機工作原理,空氣,廢氣,吸氣,壓縮,膨脹,排氣,Intake,Compression,Expansion,Exhaust,Exhaust gas,Air,Intake

19、 valve,Exhaust valve,Fuel,油,四沖程高速柴油機工作過程,上止點 Top dead center,下止點 Bottom dead center,四沖程高速柴油機工作過程,1,2,3,01 吸空氣,一般n=1.341.37,柴油自燃t=335,p0,2,0,12 多變壓縮,p2=35MPa,t2=600800,2 噴柴油,2 開始燃燒,p59MPa,Autoiginition,四沖程高速柴油機工作過程,1,2,3,4,5,34 邊噴油，邊膨脹,p,V,p0,1,2,0,t4可達17001800,4 停止噴柴油,45 多變膨脹,p5=0.30.5MPa,t5500,51 開

20、閥排氣， 降壓,10 活塞推排氣,完成循環(huán),四沖程高速柴油機的理想化,1,2,3,4,5,1. 工質,p,V,p0,1,2,0,工質數(shù)量不變,定比熱理想氣體,P-V圖p-v圖,2. 0-1和1 -0抵消,開口閉口循環(huán),3. 燃燒外界加熱,4. 排氣向外界放熱,5. 多變絕熱,6. 不可逆可逆,理想混合加熱循環(huán)（薩巴德循環(huán),1,2,3,4,5,1,2,3,4,5,p,v,分析循環(huán)吸熱量，放熱量，熱效率和功量,Dual cycle,Sabathe,理想混合加熱循環(huán)的計算,1,2,3,4,5,吸熱量,放熱量(取絕對值,熱效率,定義幾個指標性參數(shù),1,2,3,4,5,p,v,壓縮比,定容增壓比,預脹比

21、,反映氣缸容積,反映供油規(guī)律,Compression ratio,Cutoff ratio,理想混合加熱循環(huán)的計算,1,2,3,4,5,熱效率,理想混合加熱循環(huán)的計算,1,2,3,4,5,熱效率,各因素對混合加熱循環(huán)的影響,1、當 、 不變,受氣缸材料限制 一般柴油機,潛艇用氦氣，k=1.66,各因素對混合加熱循環(huán)的影響,2、當 不變,圖示的研究方法,不必記憶 的復雜式,柴油機與汽油機動力循環(huán)圖示,1,2,3,4,5,p,v,柴油機，壓燃式,汽油機，點燃式,定容加熱循環(huán)（奧圖OTTO循環(huán),1,2,3,4,1,2,3,4,p,v,定容加熱循環(huán)的計算,1,2,3,4,T,s,吸熱量,放熱量(取絕對

22、值,熱效率,定容加熱循環(huán)的計算,1,2,3,4,T,s,熱效率,定容加熱循環(huán)的計算,汽油易爆燃 一般汽油機,一般柴油機效率高于汽油機的效率 但汽油機小巧,柴油機與低速柴油機循環(huán)圖示,1,2,3,4,5,p,v,1,2,3,4,p,v,柴油機，壓燃式,低速柴油機，壓燃式,定壓加熱循環(huán)（狄塞爾Diesel循環(huán),1,2,3,4,p,v,1,2,3,4,定壓加熱循環(huán)的計算,1,2,3,4,吸熱量,放熱量(取絕對值,熱效率,定壓加熱循環(huán)的計算,熱效率,當 不變,當 不變,5-2 活塞式內燃機循環(huán)比較,比較的條件,壓縮比,吸熱量,反映氣缸結構尺寸、工藝材料,反映作功量（馬力,最高壓力,反映材料耐壓、壁厚、

23、成本,最高壓力,反映材料耐溫,和 相同,平均溫度法,3m,4m,3p,4p,和 相同,相等,2m,2p,和 相同,3p,4m,2p,3m,4p,2m, 和 相同，圖示 大小,5-3 斯特林（Stirling)循環(huán),1816年提出，近幾十年才實施,冷氣室,熱氣室,加熱器,冷卻器,A,B,回熱器,斯特林循環(huán)圖示,1,2,3,4,1,2,3,4,p,v,概括性卡諾循環(huán),核潛艇，制冷,5-4 勃雷登循環(huán)（Brayton Cycle,用途： 航空發(fā)動機 尖峰電站 移動電站 大型輪船 聯(lián)合循環(huán)的頂循環(huán),勃雷登循環(huán)示意圖和理想化,1,2,3,4,壓氣機,燃氣輪機,燃燒室,1）工質：數(shù)量不變，定比熱理想氣體,

24、2）閉口 循環(huán),3）可逆過程,Combustion chamber,Compressor,Turbine,1,2,3,4,1,2,3,4,T-s and P-v diagrams for the ideal Brayton Cycle,勃雷登循環(huán)的計算,1,2,3,4,吸熱量,放熱量,熱效率,勃雷登循環(huán)熱效率的計算,1,2,3,4,熱效率,勃雷登循環(huán)熱效率的計算,1,2,3,4,熱效率,定義,壓比,Pressure ratio,勃雷登循環(huán)凈功的計算,1,2,3,4,定義,循環(huán)增溫比,對凈功的影響,1,2,3,4,3,4,當 不變,不變,但T3 受材料耐熱限制,對凈功的影響,當 不變,太大,太小

25、,存在最佳 ，使 最大,最佳增壓比 （w凈）的求解,令,最大循環(huán)凈功,燃氣輪機的實際循環(huán),1,2,3,4,壓氣機：不可逆絕熱壓縮,燃氣輪機：不可逆絕熱膨脹,2,4,定義,壓氣機絕熱效率,燃氣輪機相對內效率,燃氣輪機的實際循環(huán)的凈功,1,2,3,4,2,4,凈功,吸熱量,燃氣輪機的實際循環(huán)的熱效率,1,2,3,4,2,4,熱效率,影響燃氣機實際循環(huán)熱效率的因素,一定,一定，有最佳,右移,和 的關系,地面上，尺寸次要，省燃料，取,空中，尺寸重要，取,提高,受材料耐熱限制,取最佳,有無其它途徑,5-5 提高勃雷登循環(huán)熱效率的其他途徑,2,若使T4,T4 在500oC以上,1,3,4,T,s,不可能,如果T4T2,預熱空氣，回熱,一、回熱,Regeneration,勃雷登循環(huán)回熱示意圖,1,2,3,4,壓氣機,燃氣輪機,燃燒室,回熱器,4R,2A,Regenerator,回熱在Ts 圖上的表示,2,1,3,4,T,s,4R,2R,2A,理想回熱,實際回熱,定義：回熱度