第四章工程熱力學(xué)

4-1分析熱力過程的目的及一般方法4-2絕熱過程4-3多變過程的綜合分析4-4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功4-5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響4-6多級(jí)壓縮及中間冷卻第四章理想氣體的熱力過程及氣體壓縮1一.分析熱力過程的目的、思路和依據(jù)：1)研究目的：能量轉(zhuǎn)換情況、影響因素2)研究思路：

3)研究依據(jù)：熱力學(xué)第一定律、理想氣體狀態(tài)方程4-1分析熱力過程的目的及一般方法定熵、定壓定容、定溫二.理想氣體熱力過程中相關(guān)物理量的計(jì)算：1)熱力學(xué)能的變化：2)焓的變化：2熵的單位？狀態(tài)方程的微分形式可逆微元過程：3)熵的變化：4-1分析熱力過程的目的及一般方法3熱力過程的熵變：注意：1）由上述3式可知，熵是狀態(tài)參數(shù)，但熵不是溫度的單值函數(shù)；2）上述3式由理想氣體的可逆過程導(dǎo)出，也適用于理想氣體的不可逆過程。4-1分析熱力過程的目的及一般方法4例4-1：某理想氣體在剛性絕熱容器內(nèi)作自由膨脹，求Δs1-2。解：由熱力學(xué)第一定律：5三.熱力過程的分析步驟：1)根據(jù)熱力過程特征建立過程方程式；2)根據(jù)過程方程式及狀態(tài)方程確定初終態(tài)參數(shù)的關(guān)系；3)將過程表示在p-v圖和T-s圖上，并進(jìn)行定性分析；4)計(jì)算熱力過程的功量和熱量。4-1分析熱力過程的目的及一般方法注意：熱力過程中工質(zhì)狀態(tài)變化和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律與是否流動(dòng)無關(guān)，只取決于過程特性！因此，本章的內(nèi)容適用于閉口系統(tǒng)的可逆過程和開口系統(tǒng)的可逆穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程。64-2絕熱過程

絕熱過程：q=0的熱力過程。注意：q=0與q=0的區(qū)別！1.過程方程式：近似式可逆絕熱過程：為定熵過程！絕熱指數(shù)72.初、終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系：3.p-v圖和T-s圖：p-v圖上為一高次雙曲線，斜率為：4.功量和熱量：4-2絕熱過程絕熱理想氣體、定熱容理想氣體、定熱容、定熵過程8絕熱理想氣體、定熱容理想氣體、定熱容、定熵過程因此，定熵過程的技術(shù)功是膨脹功的

倍。小結(jié)：1)過程方程式、功的表達(dá)式均為近似式；2)膨脹功和技術(shù)功的表達(dá)式可以由功的定義式得到；3)膨脹功與技術(shù)功的關(guān)系可以由過程方程式得到：4-2絕熱過程94-3多變過程的綜合分析一.可逆多變過程發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸壓力與體積的關(guān)系1.定義：許多熱力過程可以近似用式表示，該過程稱為多變過程，n稱為多變指數(shù)。n=0：p為常數(shù)，定壓過程；

n=1

：pv為常數(shù)，定溫過程；n=：pv為常數(shù)，定熵過程；

n=：v為常數(shù)，定容過程；102.初、終態(tài)參數(shù)：多變指數(shù)：3.p-v圖和T-s圖：圖的形狀取決于p和v（T和s）的關(guān)系式p-v圖上各點(diǎn)的斜率：T-s圖上各點(diǎn)的斜率：4-3多變過程的綜合分析114.功量和熱量：注意多變過程比熱容的正負(fù)！n1，cn

0；1n，cn

0；n

，cn

0；4-3多變過程的綜合分析121.過程方程式：v=常數(shù)2.初、終態(tài)參數(shù)：3.p-v圖和T-s圖：4.功量和熱量：定容過程如：氣缸內(nèi)工質(zhì)的迅速燃燒、剛性容器內(nèi)的熱力過程

13定壓過程1.過程方程式：p=常數(shù)2.初、終態(tài)參數(shù)：3.p-v圖和T-s圖：4.功量和熱量：如：燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的定壓加熱和放熱、熱交換器內(nèi)的熱力過程

注意T-s圖上定容線與定壓線的相對(duì)位置！思考：T-s圖上任兩條定壓線的關(guān)系？141.過程方程式：T=常數(shù)或pv=常數(shù)2.初、終態(tài)參數(shù)：3.p-v圖和T-s圖：4.功量和熱量：p-v圖上為一等邊雙曲線，斜率為：思考：能否用來計(jì)算定溫過程的熱量？定溫過程如：吸熱汽化過程、冷卻及時(shí)的壓縮過程

注意p-v圖上定熵線與定溫線的相對(duì)位置！155.多變過程在坐標(biāo)圖上的定性分析：小結(jié)：1)多變指數(shù)n按順時(shí)針方向逐漸增大；2)n0的情形實(shí)際意義不大，一般不予討論；3)某一多變過程在兩圖上的對(duì)應(yīng)表示；4-3多變過程的綜合分析166.多變過程特性判定：判斷功量、熱量和u(或h)的正負(fù)膨脹功：p-v圖上，定容線右方為正，左方為負(fù)；T-s圖上，定容線右下方為正，左上方為負(fù)。技術(shù)功：p-v圖上，定壓線下方為正，上方為負(fù)；T-s圖上，定壓線右下方為正，左上方為負(fù)。4-3多變過程的綜合分析17熱量：T-s圖上，定熵線右方為正，左方為負(fù)；p-v圖上，定熵線右上方為正，左下方為負(fù)。熱力學(xué)能或焓的變化：T-s圖上，定溫線上方為正，下方為負(fù)；p-v圖上，定溫線右上方為正，左下方為負(fù)。4-3多變過程的綜合分析18作圖分析：第一類：多變過程分析：在p-v圖和T-s圖上表示給定的多變過程，分析功量、熱量、熱力學(xué)能（焓）變化的正負(fù)。例4-2：圖示=1.4的某氣體，n=1.2的多變放熱過程；圖示工質(zhì)壓縮且吸熱的多變過程。第二類：在p-v圖和T-s圖上表示功量、熱量、熱力學(xué)能或焓的變化。例4-3：1)在T-s圖上表示定熵過程的w和wt？2)在p-v圖和T-s圖上表示任意兩點(diǎn)間的u和h？3)在p-v圖上表示定壓過程的熱量？4-3多變過程的綜合分析19例4-4：氣缸中裝有0.3m3氧氣，初態(tài)為t1=45℃、p1=1.032bar，先在定壓條件下對(duì)氧氣加熱，然后再定容冷卻到初溫45℃。已知氧氣的最終壓力為0.588bar，氣體常數(shù)為259.8J/(kgK)，比定壓熱容為0.91kJ/(kgK)，試分別求兩個(gè)過程中加入的熱量、熱力學(xué)能和焓的變化及所作的功。解：先求氧氣的質(zhì)量：設(shè)初態(tài)為1，定壓加熱后狀態(tài)為2，定容冷卻后狀態(tài)為3。狀態(tài)3為：狀態(tài)2為：20定壓過程：定容過程：21例題4-5：體積0.15m3的儲(chǔ)氣罐內(nèi)裝p1=0.55MPa、t1=38C的氧氣。現(xiàn)對(duì)其加熱，溫度壓力將升高。罐上裝有壓力控制閥，當(dāng)壓力超過0.7MPa時(shí)閥門自動(dòng)打開放走部分氧氣，使罐中維持壓力0.7MPa。問當(dāng)罐內(nèi)溫度為285C時(shí)，罐內(nèi)氧氣共吸收多少熱量？氧氣熱容cv=0.677kJ/(kgK)，cp=0.917kJ/(kgK)。解：過程分為兩個(gè)部分：定容和定壓。定容過程：罐內(nèi)氧氣的質(zhì)量為：則定容過程吸收熱量為：22定壓過程：罐中氧氣質(zhì)量和溫度不斷變化，取一微元過程：234-4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功壓氣機(jī)：消耗機(jī)械能來生產(chǎn)壓縮氣體的設(shè)備，不是動(dòng)力機(jī)械；壓氣機(jī)中進(jìn)行的是熱力過程，不是循環(huán)。壓氣機(jī)類型活塞式：壓頭高，流量小，間隙生產(chǎn)葉輪式：壓頭低，流量大，連續(xù)生產(chǎn)按原理及構(gòu)造按壓力范圍通風(fēng)機(jī)：表壓0.1MPa以下鼓風(fēng)機(jī)：表壓0.1~0.3MPa壓氣機(jī)：表壓0.3MPa以上24活塞式壓氣機(jī)葉輪式（軸流式）葉輪式（離心式）4-4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功25一.工作原理1.工作過程：吸氣過程：f-1，傳輸流動(dòng)功

壓縮過程：1-2，消耗體積變化功排氣過程：2-g，傳輸流動(dòng)功壓氣機(jī)的耗功量：唯一的熱力過程4-4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功262.壓縮過程的類型

定熵壓縮：過程快，忽略換熱

定溫壓縮：過程慢，散熱條件好多變壓縮：介于上述兩者之間二.

壓氣機(jī)的理論耗功量定熵壓縮：可逆定溫壓縮：4-4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功升壓比27可逆多變壓縮：結(jié)論：2)應(yīng)盡量減少壓縮過程的多變指數(shù)，使過程接近定溫壓縮。思考：用手動(dòng)打氣筒向自行車輪胎充氣時(shí)用濕毛巾包在打氣筒外壁，會(huì)有什么后果？1)相同條件下：4-4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功284-5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響一.余隙容積

余隙：活塞運(yùn)動(dòng)到左死點(diǎn)時(shí)與氣缸蓋的間隙。

活塞排量：活塞運(yùn)動(dòng)過程中掃過的容積，V1V3存在原因布置進(jìn)、排氣閥制造公差運(yùn)行平穩(wěn)、部件熱膨脹余隙容積：活塞左死點(diǎn)與氣缸蓋間隙的容積，V3余隙百分比：29二.余隙容積的影響1.對(duì)壓縮氣體生產(chǎn)量的影響

有效吸氣量：V1V4

容積效率：有效吸氣量與活塞排量的比值，它反映了活塞排量的有效利用程度及壓氣機(jī)生產(chǎn)氣體的能力。4-5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響30假設(shè)氣體壓縮過程和余隙內(nèi)氣體的膨脹過程均為多變過程，且多變指數(shù)相同，則：結(jié)論：1)升壓比和多變指數(shù)一定時(shí)，余隙百分比越大，容積效率越??；2)余隙百分比和多變指數(shù)一定時(shí)，升壓比越大，容積效率越小。4-5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響312.對(duì)理論耗功量的影響：結(jié)論：生產(chǎn)質(zhì)量相同、初狀態(tài)相同、升壓比相同的壓縮氣體，余隙對(duì)耗功量沒有影響。因此，在分析理論耗功量時(shí)，可以不考慮余隙的影響。4-5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響323.小結(jié)：1)余隙本身不但不能被利用，還使得另一部分活塞排量不能被利用，且這部分排量隨著升壓比的增加而增加。當(dāng)要獲得較高壓力的氣體時(shí)，必須采用多級(jí)壓縮。

2)余隙的存在雖然使壓縮過程處理的氣體量增加了，從而使得壓縮過程的耗功量增加，但是由于余隙內(nèi)高壓氣體的膨脹對(duì)外作功，最終使得壓氣機(jī)的耗功量沒有增加。

3)氣體生產(chǎn)量＝轉(zhuǎn)速（r/min）有效吸氣量

4-5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響334-6多級(jí)壓縮及中間冷卻一.工作原理

一級(jí)壓縮：e-1吸氣、1-2壓縮、2-f排氣；定壓冷卻：f-2進(jìn)氣、2-2’冷卻、2’-f排氣；二級(jí)壓縮：f-2’吸氣、2’-3壓縮、3-g排氣；優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省耗功量；降低排氣溫度。34二.中間壓力以兩級(jí)壓縮為例，假設(shè)中間冷卻使氣體溫度降至進(jìn)氣溫度，兩級(jí)壓縮多變指數(shù)相同，則：4-6多級(jí)壓縮及中間冷卻35小結(jié)：對(duì)理想的多級(jí)壓縮，有以下規(guī)律：1)各級(jí)壓縮的升壓比相等：2)各級(jí)壓氣機(jī)的排氣溫度相等：3)各級(jí)壓氣機(jī)的耗功量相等：4)各級(jí)壓縮過程的放熱量相等：4-6多級(jí)壓縮及中間冷卻368)若分級(jí)數(shù)m，則趨于定溫壓縮，但由于體積龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性下降，一般為2～4級(jí)。7)各級(jí)壓氣機(jī)的容積效率均大于同條件下單級(jí)壓縮的容積效率，使得總?cè)莘e效率提高。4-6多級(jí)壓縮及中間冷卻6)各級(jí)壓氣機(jī)的氣缸容積等比例遞減：5)各級(jí)冷卻器的放熱量相等：q=cpT371.定溫效率活塞式壓氣機(jī)定溫壓縮所消耗功與