工程热力学 第八章 图文
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工程热力学(王修彦)
.
Ma2 1 dcf dA cf A
b )M a 1 c f c d c f 与 d A 同 号 ,c f A
当Ma > 1时， dcf>0 →dA>0 ，采用渐扩喷管；
.
c )M a 1 c f c c f d A 0
截面上Ma=1，cf=c，称临界截面(minimum cross-sectional area)[也称喉部(throat)截面]，临界截面上速度达当地音速 (velocity of sound)
4) cf cr 21p0v01(cr)1
21p0v012111
21p0v0
21RgT0
ccr RgTcr
. 与上式是否矛盾？
3.背压pb对流速的影响
a）收缩喷管：
p b p c r p 2 p bc f 2 c 2M a 2 1
p b p c r p 2 p c rc f 2 c 2M a 2 1
工程热力学课件
华北电力大学
工程热物理教研室制作 2015年1月
.
第八章 气体和蒸汽的流动 (Gas and Steam Flow)
.
工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别 是喷管(nozzle; jet)、扩压管(diffuser)及节流阀(throttle valve)内流动过程的能量转换情况。
c c r R g T c r 1 .4 2 8 4.2 7 1 4 9 2 .0 0 m s 1 7
o r 2 h 0 h cr 2 c p T 0 T cr
2 1 0 4.8 0 9 4 2 4 4 .2 1 4 9 2 .0 0 m /s 8 7
A cf
.
2
p2 T2 qm2 cf2 2
工程热力学课件完整版
的热消失时，必产生相应量的功；消耗一定量的功时 ，必出现与之对应的一定量的热。
第三章 理想气体的性质
基本要求： 1、熟练掌握并正确应用理想气体状态方程式； 2、正确理解理想气体比热容的概念，熟练应用比热容计算理想 气体热力学能、焓、熵及过程热量； 3、掌握有关理想气体的术语及其意义； 4、掌握理想气体发生过程； 5、了解理想气体热力性质图表的结构，并能熟练应用它们获得 理想气体的相关状态参数。
T
不可逆过程的熵增（过程角度）
q
T
0
克劳休斯积分不等式（循环角度）
dsiso 0
孤立系统角度
ds sf sg 非孤立系统角度
熵、热力学第二定律的数学表达式
1. 熵的定义
ds qre
T
2. 循环过程的熵
3. 可逆过程的熵变
qre Tds
ds 0,则 q 0 可逆过程中ds 0,则 q 0
dv
q cndT Tds
T s
n
T cn
T ,定容过程 cV
T ，定压过程 cp
4个基本过程中的热量和功的计算
2
2
1、定容过程
w pdv 0 1
wt 1 vdp v( p2 p1)
2、定压过程
qv u cv (T2 T1)
2
w 1 pdv p(v2 v1)
热力学上统一规定：外界向系统传热为正，系统向外界传热为负。
可逆过程的热量
T
1
B
qre = Tds
T
A
2
q
ds qrev
T
S1
S dS S2
q “+”
q “-”
热力循环
功：工质从某一初态出发，经历一系列热力状态后，又回到原来 初态的热力过程称为热力循环，即封闭的热力过程，简称循环。
第三章 理想气体的性质
基本要求： 1、熟练掌握并正确应用理想气体状态方程式； 2、正确理解理想气体比热容的概念，熟练应用比热容计算理想 气体热力学能、焓、熵及过程热量； 3、掌握有关理想气体的术语及其意义； 4、掌握理想气体发生过程； 5、了解理想气体热力性质图表的结构，并能熟练应用它们获得 理想气体的相关状态参数。
T
不可逆过程的熵增（过程角度）
q
T
0
克劳休斯积分不等式（循环角度）
dsiso 0
孤立系统角度
ds sf sg 非孤立系统角度
熵、热力学第二定律的数学表达式
1. 熵的定义
ds qre
T
2. 循环过程的熵
3. 可逆过程的熵变
qre Tds
ds 0,则 q 0 可逆过程中ds 0,则 q 0
dv
q cndT Tds
T s
n
T cn
T ,定容过程 cV
T ，定压过程 cp
4个基本过程中的热量和功的计算
2
2
1、定容过程
w pdv 0 1
wt 1 vdp v( p2 p1)
2、定压过程
qv u cv (T2 T1)
2
w 1 pdv p(v2 v1)
热力学上统一规定：外界向系统传热为正，系统向外界传热为负。
可逆过程的热量
T
1
B
qre = Tds
T
A
2
q
ds qrev
T
S1
S dS S2
q “+”
q “-”
热力循环
功：工质从某一初态出发，经历一系列热力状态后，又回到原来 初态的热力过程称为热力循环，即封闭的热力过程，简称循环。
工程热力学课件教学PPT作者刘宝兴工程热力学1-8(全套课件齐)
45
温度的数值表示法称为温标。温标使我们 能够用共同的基准来测温。 温标基准点有两种，一种是水的三相点 （冰、水和水蒸气共存点），另一种是在 一个大气压下水的沸点。 常用的温标有SI制的摄氏温标、英制华氏温 标和热力学温标。
46
在摄氏温标中，指定水的冰点和沸点分别为0℃和100℃。 在华氏温标中，指定水的冰点和沸点分别为32℉和212℉。 热力学温标（绝对温标）是一种与任何物质性质无关的温 标。 在SI制中是开尔文温标，其温度单位表示为K，最低温度 为0 K。 在英制中热力学温标是朗肯温标，其温度单位表示为R。
33
上述讨论的各种形式的能可储存在系统中， 可看作能的静态形式。 不储存在系统中的能是动态形式，或称为 能的相互作用。动态形式能可在它跨越边 界时被确认，也就代表系统在过程中得到 或失去的能量。
34
与闭口系统有关的能的相互作用仅有传递 热和功两种。如果驱动力是温差，那么能 的相互作用就是传热，否则就是功。 对控制容积，还可通过质量传递来交换能 量。 在热力学中，通常指热力学能中的显能和 潜能为热能，以与传递热相区分。
热力学处理的是平衡状态 — 系统中没有不平衡的 势（或驱动力）。当平衡系统孤立于外界时，就 不经历变化。
除非满足所有有关类型的平衡条件，否则系统就 不处于热力学平衡状态。
19
热平衡 — 整个系统的温度相同，即系统没有引起 热流的驱动力，即温差。 力平衡 — 力平衡与压力有关，系统任何点处没有 压力随时间的变化。 相平衡 — 每相的质量达到平衡含量并维持状态。 化学平衡 — 系统化学组分不随时间变化，即没有 化学反应发生。 稳定状态 — 没有一个系统参数随时间而变。
温度的数值表示法称为温标。温标使我们 能够用共同的基准来测温。 温标基准点有两种，一种是水的三相点 （冰、水和水蒸气共存点），另一种是在 一个大气压下水的沸点。 常用的温标有SI制的摄氏温标、英制华氏温 标和热力学温标。
46
在摄氏温标中，指定水的冰点和沸点分别为0℃和100℃。 在华氏温标中，指定水的冰点和沸点分别为32℉和212℉。 热力学温标（绝对温标）是一种与任何物质性质无关的温 标。 在SI制中是开尔文温标，其温度单位表示为K，最低温度 为0 K。 在英制中热力学温标是朗肯温标，其温度单位表示为R。
33
上述讨论的各种形式的能可储存在系统中， 可看作能的静态形式。 不储存在系统中的能是动态形式，或称为 能的相互作用。动态形式能可在它跨越边 界时被确认，也就代表系统在过程中得到 或失去的能量。
34
与闭口系统有关的能的相互作用仅有传递 热和功两种。如果驱动力是温差，那么能 的相互作用就是传热，否则就是功。 对控制容积，还可通过质量传递来交换能 量。 在热力学中，通常指热力学能中的显能和 潜能为热能，以与传递热相区分。
热力学处理的是平衡状态 — 系统中没有不平衡的 势（或驱动力）。当平衡系统孤立于外界时，就 不经历变化。
除非满足所有有关类型的平衡条件，否则系统就 不处于热力学平衡状态。
19
热平衡 — 整个系统的温度相同，即系统没有引起 热流的驱动力，即温差。 力平衡 — 力平衡与压力有关，系统任何点处没有 压力随时间的变化。 相平衡 — 每相的质量达到平衡含量并维持状态。 化学平衡 — 系统化学组分不随时间变化，即没有 化学反应发生。 稳定状态 — 没有一个系统参数随时间而变。
工程热力学第8-9章
n-1 2 n
∂w c =0 ∂p2
p2 = p1 p3 p2 p3 = p1 p2
pm+1 pm
π1 = π2 =⋅⋅⋅ = πi =⋅⋅⋅ = πm = m
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
优 点：
（1）减小耗功; 减小耗功; 每级功耗相等，利于曲轴平衡； （2）每级功耗相等，利于曲轴平衡； 每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； （3）每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； 每级排热相同； （4）每级排热相同； 提高容积效率。 （5）提高容积效率。
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
wC,s h2s − h1 QηC,s = = ′ wC h2 − h1 1 h2 = h1 + h2s − h1
′ ∴wC =
1
QηT =
′ wt,T
ηC,s
(
)
ηC,s
(h
2s
− h1
)
wt,T
′ ∴ wt,T = ηT h3 − h4s
(
h3 − h4 = h3 − h4s
h4 = h3 − ηT h3 − h4s
(
)
)
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
′ wnet ηi = ′ q1
′ ′ ′ wnet = wt,T − wC = ηT h3 − h4s −
(
)
1
ηCs
(h
2s
− h1
)
′ q1 = h3 − h2 = h3 − h1 −
整理
ηi = ηT ( h3 − h4 ) −
燃烧室 废 气
燃 燃 气 空 气 气 轮 机
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
∂w c =0 ∂p2
p2 = p1 p3 p2 p3 = p1 p2
pm+1 pm
π1 = π2 =⋅⋅⋅ = πi =⋅⋅⋅ = πm = m
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
优 点：
（1）减小耗功; 减小耗功; 每级功耗相等，利于曲轴平衡； （2）每级功耗相等，利于曲轴平衡； 每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； （3）每级气体进出温度相同，可以采用相同的材料； 每级排热相同； （4）每级排热相同； 提高容积效率。 （5）提高容积效率。
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
wC,s h2s − h1 QηC,s = = ′ wC h2 − h1 1 h2 = h1 + h2s − h1
′ ∴wC =
1
QηT =
′ wt,T
ηC,s
(
)
ηC,s
(h
2s
− h1
)
wt,T
′ ∴ wt,T = ηT h3 − h4s
(
h3 − h4 = h3 − h4s
h4 = h3 − ηT h3 − h4s
(
)
)
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
′ wnet ηi = ′ q1
′ ′ ′ wnet = wt,T − wC = ηT h3 − h4s −
(
)
1
ηCs
(h
2s
− h1
)
′ q1 = h3 − h2 = h3 − h1 −
整理
ηi = ηT ( h3 − h4 ) −
燃烧室 废 气
燃 燃 气 空 气 气 轮 机
第八、 第八、九章 气体压缩及动力循环
工程热力学-第八章 压气机的热力过程
可见压气机耗功以技术功计。
➢ 三种压缩过程耗功量
（1）可逆绝热压缩
wC,s wt,s
k 1
k
k
1
RgT1
1
p2 p1
k
（2）可逆多变压缩
wC,n wt,n
n1
n
n
1
RgT1
1
p2 p1
n
（3）可逆定温压缩
wC,T wt,T
RgT1
ln
v2 v1
RgT1 ln
wC h2s h1 Aj2T 2s m
定压线
✓实际压缩过程
不可逆绝热压缩1－2’
wC h2 h1 Aj2T2n wC wC,S h2 h2 Am2S2nm
✓压气机的绝热效率
可逆绝热压缩时压气机所需的功与不可逆绝热 压缩时所需的功之比称为压气机的绝热效率，也 称为压气机的绝热内效率：
p1 p2
压缩过程中气体终压和初压之比，称为增压比，
即：
p=
p2 p1
wC,s wC,n wC,T
T2,s T2,n T2,T
采用绝热压缩后，比体积较大，需要较大储气罐； 温度较高，不利于机器安全运行。
因此要尽量接近定温过程，所以采用水套冷却。
8-2 余隙容积的影响
一、余隙容积
当活塞运动到上死点位置时，活塞顶面与气
工程上采用压气机的定温效率来作为活塞式 压气机性能优劣的指标：
即：可逆定温压缩过程消耗的功与实际压缩
过程消耗的功之比
C ,T
wC ,T wC
9－4 叶轮式压气机的工作原理
✓ 活塞式压气机缺点：单位时间 内产气量小（转速不高，间隙 性的吸气和排气，以及余隙容 积的影响）。
➢ 三种压缩过程耗功量
（1）可逆绝热压缩
wC,s wt,s
k 1
k
k
1
RgT1
1
p2 p1
k
（2）可逆多变压缩
wC,n wt,n
n1
n
n
1
RgT1
1
p2 p1
n
（3）可逆定温压缩
wC,T wt,T
RgT1
ln
v2 v1
RgT1 ln
wC h2s h1 Aj2T 2s m
定压线
✓实际压缩过程
不可逆绝热压缩1－2’
wC h2 h1 Aj2T2n wC wC,S h2 h2 Am2S2nm
✓压气机的绝热效率
可逆绝热压缩时压气机所需的功与不可逆绝热 压缩时所需的功之比称为压气机的绝热效率，也 称为压气机的绝热内效率：
p1 p2
压缩过程中气体终压和初压之比，称为增压比，
即：
p=
p2 p1
wC,s wC,n wC,T
T2,s T2,n T2,T
采用绝热压缩后，比体积较大，需要较大储气罐； 温度较高，不利于机器安全运行。
因此要尽量接近定温过程，所以采用水套冷却。
8-2 余隙容积的影响
一、余隙容积
当活塞运动到上死点位置时，活塞顶面与气
工程上采用压气机的定温效率来作为活塞式 压气机性能优劣的指标：
即：可逆定温压缩过程消耗的功与实际压缩
过程消耗的功之比
C ,T
wC ,T wC
9－4 叶轮式压气机的工作原理
✓ 活塞式压气机缺点：单位时间 内产气量小（转速不高，间隙 性的吸气和排气，以及余隙容 积的影响）。
传热学-第八章
2. 传热学与工程热力学的关系
(1) 热力学 + 传热学 = 热科学(Thermal Science)
关心的是热量传 递的过程，即热 量传递的速率。
铁块, M1 300oC
系统从一个平衡态到 另一个平衡态的过程 中传递热量的多少。
热力学： tm
Φ
传热学： t ( x, y, z , )
Φ f ( )
空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器 （Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电 火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机
b c d
微电子： 电子芯片冷却 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器 官的冷冻保存 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存
e
f
制
冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵；高温
G.
B.
J.
Fourier , 1822 年）
F. B. Jaeger/ M.
Riemann/ H. S. Jakob
Carslaw/ J.
对流换热 （Convection heat transfer） 不可压缩流动方程 （M.Navier,1823年) 流体流动Navier-Stokes基本方程 (G.G.Stokes,1845年） 雷诺数(O.Reynolds,1880年） 自然对流的理论解（L.Lorentz, 1881年） 管内换热的理论解（L.Graetz, 1885年；W.Nusselt,1916 年） 凝结换热理论解 （W.Nusselt, 1916年） 强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909年/1915年） 流体边界层概念 （L.Prandtl, 1904年） 热边界层概念 （E.Pohlhausen, 1921年） 湍流计算模型 （L.Prandtl,1925年；Th.Von Karman, 1939年；R.C. Martinelli, 1947年）
《工程热力学》热力学第八章
2s p2 p1
1
v
s
三种压气过程的参数关系
wtT wtn wts
qT qn qs 0
v2T v2n v2s
T1 T2T T2n T2s
p p2
2T
2n
2s
p1
T
2T 2n 1
2s p2 p1
1
v
s
三种压气过程功的计算
wtn
n
n
1
RT1[1
(
p2
)
n 1 n
]
p1
wtT
RT1 ln
Wt理论
k
k
1
g
m
RT1[1
(
p2
)
k -1 k
]
p1
Q H Wt
g
g
Wt理论 H m(h1 h2 ) m cp (T1 T2 )
实际过程有摩擦
T
机械效率 Wt理论
经验值70％
Wt实际
T2' T2
p2 p1
Wt实际
Wt理论
g
m cp (T1 T2' )
1
s
压气机的校核计算
p1 p2
wts
k
k
1
RT1[1
(
p2
)
k 1 k
]
p1
p p2
2T
2n
2s
T
2T
p1
1
最小 重要启示
2s p2 p1
2n
1
v
s
§8-2 活塞式压气机的余隙影响
避免活塞与进排气
p
阀碰撞，留有空隙
Clearance余v隙ol容um积eVC
第八章 回热和再热-小课时
《工程热力学》
第七章
完
End of Chapter Seven
2011-10 Henan Polytechnic University
…...
2011-10 Henan Polytechnic University
《工程热力学》
§8-2 蒸汽再热循环(reheat)
提高p1可以增加热效率， 但导致乏汽干度减小。
1
T 5 6
1a
b
4
再 热 b a 2
4
3
2
s
3
2011-10 Henan Polytechnic University
《工程热力学》
蒸汽再热循环的实践
再热压力 pb=pa0.2~0.3p1 p1<10MPa，一般不采用再热
我国常见机组，10、12.5、20、30万机 组，p1>13.5MPa，一次再热
超临界机组， t1>600℃，p1>25MPa， 二次再热
2011-10 Henan Polytechnic University
《工程热力学》
蒸汽再热循环的热效率
T
5 4 3 2 6
1a
b
再热循环本身不一 定提高循环热效率 与再热压力有关 x2降低,给提高初 压创造了条件，选 取再热压力合适， 一般采用一次再热 可使热效率提高2 s ％～3.5％。
2011-10 Henan Polytechnic University
2011-10 Henan Polytechnic University
《工程热力学》
2011-10 Henan Polytechnic University
《工程热力学》
《工程热力学》课件
理想气体混合物
理想气体混合物的性质
理想气体混合物具有加和性、均匀性、 扩散性和完全互溶性等性质。
VS
理想气体混合物的计算
通过混合物的总压力、总温度和各组分的 摩尔数来计算混合物的各种物理量。
真实气体近似与修正
真实气体的近似
真实气体在一定条件下可以近似为理想气体。
真实气体的修正
由于真实气体分子间存在相互作用力，因此需要引入修正系数对理想气体状态方程进行 修正。
特点
工程热力学是一门理论性较强的学科 ，需要掌握热力学的基本概念、定律 和公式，同时还需要了解其在工程实 践中的应用。
工程热力学的应用领域
能源利用
工程热力学在能源利用领域中有 着广泛的应用，如火力发电、核 能发电、地热能利用等。
工业过程
工程热力学在工业过程中也发挥 着重要的作用，如化工、制冷、 空调、热泵等。
稳态导热问题
稳态导热是指物体内部温度分布不随时间变 化的导热过程，其特点是热量传递达到平衡 状态。
对流换热和辐射换热的基本规律
对流换热的基本规律
对流换热主要受牛顿冷却公式支配，即物体 表面通过对流方式传递的热量与物体表面温 度和周围流体温度之间的温差、物体表面积 以及流体性质有关。
辐射换热的基本规律
辐射换热主要遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律， 即物体发射的辐射能与物体温度的四次方成
正比，同时也与周围环境温度有关。
传热过程分析与计算方法简介
要点一
传热过程分析
要点二
计算方法简介
传热过程分析主要涉及热量传递的三种方式（导热、对流 和辐射）及其相互影响，需要综合考虑物性参数、几何形 状、操作条件等因素。
常用的传热计算方法包括分析法、实验法和数值模拟法。 分析法适用于简单几何形状和边界条件的传热问题；实验 法需要建立经验或半经验公式；数值模拟法则通过计算机 模拟传热过程，具有较高的灵活性和通用性。
工程热力学第八章(气体与蒸汽的流动)09(理工)(沈维道第四版)
扩压管（ ） ◆四、扩压管（2）
当M入>1， ， M出<1时 时
dA dc 2 = M −1 dp 与 dc 异号 A c
应先收缩 应先收缩, 收缩
(
)
超音速流入 亚音速流出 流入， 即超音速流入，亚音速流出 显然，为使得dp>0 显然，为使得 后再扩张 当M =1后再扩张，从而使 出口 <1，即采用 后再扩张，从而使M ， 缩放型扩压管 缩放型扩压管
c 定义式: 定义式: M = a
◆3、气体流动速度分类 气体流动速度 速度分类
M <1时， c <a 时 M =1时， c =a 时 M >1时， c >a 时 音速
8314.5 J/(kg.K) = 343m/s a = kRgT = M a = 1.4 × 287 × 293
只能在有介质 亚音速流动 声音只能在 亚音速流动 声音只能在有介质 的场中传播 传播， 的场中传播，不能 音 速流动 真空中传播 在真空中传播 超音速流动 超音速流动 如：在20℃的空气中 ℃
dA dc dv dA dc dρ + − =0 + + =0 或 A c v ρ A c
（7-2） ）
3、动量方程 、 由 δq = dh + δwt = dh − vdp 得 − dh = − vdp 由
2 c2 (c2 − c12 ) 得 − dh = d ( ) h1 − h2 = 2 2
a= ∂p ( ) ∂ρ s
过程式: 过程式: dp + k dv = 0 p v 定熵过程 压力波的传播过程 可作定熵过程 定熵过程处理 可作定熵过程处理
a = kpv
理想气体
a = kRgT
《工程热力学》课件
空调技术
空调系统的运行与热力学密切相关。制冷和 制热循环的原理、空调系统的能效分析以及 室内空气品质的保障等方面均需要热力学的
支持。
热力发电与动力工程
热力发电
热力学在热力发电领域的应用主要体现在锅炉、汽轮机和燃气轮机等设备的能效分析和 优化上。通过热力学原理，提高发电效率并降低污染物排放。
动力工程
热力学与材料科学的关系
材料科学主要研究材料的组成、结构、性质以及应用，而热力学为材料科学提供了材料制备、性能优 化和失效分析的理论基础。
在材料制备过程中，热力学可以帮助人们了解和控制材料的相变、结晶和熔融等过程，优化材料的性能 。
在材料性能优化方面，热力学为材料科学家提供了理论指导，帮助人们理解材料的热稳定性、抗氧化性 等性能，从而改进材料的制备工艺和应用范围。
热力学与其他学科的联系
热力学与物理学的关系
热力学与物理学在研究能量转换和传递方面有 密切联系。物理学中的热学部分为热力学提供 了基本概念和原理，如温度、热量、熵等。
热力学的基本定律，如热力学第一定律和第二 定律，是物理学中能量守恒和转换定律的具体 应用。
物理学中的气体动理论和分子运动论为热力学 提供了微观层面的解释，帮助人们理解热现象 的本质。
高效热能转换与利用技术
高效热能转换技术
随着能源需求的不断增加，高效热能转换与利用技术 成为研究的重点。例如，高效燃气轮机、超临界蒸汽 轮机等高效热能转换设备的研发和应用，能够提高能 源利用效率和减少污染物排放。
热能利用技术
除了高效热能转换技术外，热能利用技术的进步也是工 程热力学领域的重要发展方向。例如，热电转换技术、 热光转换技术等新型热能利用技术，为能源的可持续利 用提供了新的解决方案。
工程热力学 混合气体及湿空气
水蒸汽处于过热状态，即
T
ps (tv)
pv < ps(tv)
pvtv tv —>饱和压力ps(tv)
ts(pv)
pv —>饱和温度ts(pv)
s
tv > ts (pv)
水蒸汽处于过热状态，
140C,0.1MPa
T
ps (tv)
ps (tv)= ps (140C)=0.3612MPa
pvtv
ts(pv)
工程热力学
Engineering Thermodynamics
北京航空航天大学
第八章 混合气体及湿空气
§8.1 混合气体的性质 §8.2 湿空气性质 §8.3 湿空气焓湿图 §8.4 湿空气的基本热力过程
§8.1 混合气体的性质
道尔顿分压定律 阿密盖特分容积定律 混合气体的成分表示方法及换算 折合分子量与气体常数 混合气体比热容 混合气体热力学能、焓、熵
总参数是各组元在分压力状态下的 分参数之和（除总容积）
混合物总参数的计算
m m i (T , p i ) m i n ni (T , p i ) ni
p pi (T ,V )
U U i (T , p i ) U i (T ) H H i (T , p i ) H i (T ) S S i (T , pi )
为了简化混合气体的计算，引入了折合分子量和气体常数
折合分子量
n
M
m n
ni M i
i 1
n
n
xi M i
i 1
n
ri M i
i 1
平均分子量
M m
n
m n mi
n
1 mi
1 n gi
工程热力学第8章.ppt
讨论：
a) Vc，Vh 确定 V m生产量
b) 一定
Vc Vcs V m 生产量
12
三、余隙容积对理论耗功的影响
WC Wt12 Wt34
1 1 nn nn n n 1 p1V1 1 p V 4 4 n 1 n 1
4
8–2 单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量
一、工作原理
0-1：吸气，传输推动功p1v1 1-2：压缩，耗外功
w12 pdv
1
2
2-3：排气，传输推动功p2v2
压气机耗功：
WC p1V1 pdV p2V2
1
2
Vdp Wt
1
2
注意：压气机生产量通常用单位时间里生产气体的标准 立方米表示，不同于进气或排气状态。
即余隙对理论耗功无影响（实际上还是使耗功增大）。
归纳： 余隙存在使
1）生产量下降 2）实际耗功增大
所以余隙容积是有害容积
14
思考题：既然余隙容积有不利影响，是否可能消 除它？
答：1、活塞周期运动时，由于摩擦和压缩气体时产生热量， 使活塞受热膨胀，产生径向和轴向的伸长，为了避免活塞 与汽缸端面发生碰撞事故及活塞与缸壁卡死，故用余隙容 积来消除。 2、对压缩含有水滴的气体，压缩时水滴可能集结。对 于这种情况，余隙容积可防止由于水不可压缩性而产生的 水击现象。 3、制造精度及零部件组装，与要求总是有偏差的。运动 部件在运动过程中可能出现松动，使结合面间隙增大，部 件总尺寸增长。
（4）过程热量
9
8–3 余隙容积的影响
一、余隙容积（clearance volume）
产生原因
工程热力学第八章
稳定流动：
流体在流经空间任何一点时，其全部参数都不 随时间而变化的流动过程。
简化假设：
1、沿流动方向上的一维问题：取同一截面上某参 数的平均值作为该截面上各点该参数的值。 2、可逆绝热过程：流体流过管道的时间很短，与 外界换热很小，可视为绝热，另外，不计管道 摩擦。
8－1 稳定流动的基本方程式
一、连续性方程 稳定流动中，任一截面的所有参数均不随时 间而变，故流经一定截面的质量流量应为定值， 不随时间而变 。 如图取截面1－1 和2－2，两截面的质 量流量分别为qm1、 qm2，流速cf 1、cf 2， 比体积为v1和v2，截面 积A1、A2
pcr 2 k 1 cr ( ) p0 k 1
k
p0 vcr v0 ( ) pcr
过热蒸汽： k=1.3 γcr=0.546 干饱和蒸汽： k=1.135 γcr=0.577
结论：
临界压力比是分析管内流动的一个重要
数值，截面上工质的压力与滞止压力之 比等于临界压力比是气流速度从亚声速 到超声速的转折点； 以上分析在理论上只适用于定比容理想 气体的可逆绝热流动，对于水蒸气的可 逆绝热流动，k 为一经验值，不是比热 比。
c f 2 2(h0 h2 ) 2c p (T0 T2 ) T2 2 (1 ) k 1 T0 p2 2 [1 ( ) k 1 p0 kp0 v0 p2 2 [1 ( ) k 1 p0 kRg T0
k 1 k
kRg T0
]
k 1 k
]
在初态确定的条件下：
二、流量计算 根据连续方程，喷管各截面的质量流量 相等。但各种形式喷管的流量大小都受最小 截面控制，因而通常按最小截面（收缩喷管 的出口截面、缩放喷管的喉部截面）来计算 流量，即： A2 c f 2 收缩喷管： qm v2 缩放喷管：
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T1 T2T T2n T2s
p p2
2T
2n
2s
p1
T
2T 2n 1
2s p2 p1 1
v
s
三种压气过程功的计算
wc,s
wt , s
k k 1 RgT1
p2 p1
k 1
k
1
wc,n
wt , n
n n 1
RgT1
p2 p1
n1
n
1
如何导出？
wc,T
wt,T
RgT1 ln
p2 p1
可能的压气过程
(1)、特别快，来不及换热。 s n k
(2)、特别慢，热全散走。 T n 1 (3)、实际压气过程是 n 1 n k
p p2
2T
2n
2s
p1
T
2T 2n 1
2s p2 p1 1
v
s
三种压气过程的参数关系
wtT wtn wts
qT qn qs 0
v2T v2n v2s
余隙容积的影响
余隙容积的存在，使容积效率降低 余隙容积的存在，对压缩定量气体的理 论耗功没有影响 余隙容积的存在，对压缩机的实际耗功 是有害的
8-3 多级压缩级间冷却分析
储气罐
冷却水 进气口
高压缸
p
p2
4 5 省功
低压缸
2 3
p1
1
v
有一个最佳增压比
p2 p1
最佳增压比的推导
w分级
wI t(n)
wII t(n)
p n1
n n 1
RgT1
p2 p1
n
1
p4
n1
n
n
1
RgT3
p4 p3
n
1
p2 p1
4 5 省功
2 3
1
n1
n1
v
w分 级
n
n
1
RgT1
p2 p1
n
p4 p2
n
2
最佳增压比的推导
欲求w分级最小值
w分级 0 p2
p
p4
4 5 省功
p2
2
3
p2 p1 p4
p1
从热力学观点出发，尽管活塞式和叶轮式的 结构和工作原理都不同，但压缩过程中气体的状 态变化本质上是一致的。
目的：研究耗功，越少越好
p2
指什么功
技术功wt
压缩气体的生产过程包括气体
的流入、压缩和输出，所以压气机
1
耗功应等于压缩过程耗功与进、排
气过程推动功的代数和。
v
wC w12 ( p2v2 p1v1) wt
64
5
p2
2
3
T4 T5
p4
T
5
p2
4 6
2 p1
3
1
p1
1
v
s
润滑油要求t<160~180℃,高压压气机必须分级
分级压缩的级数
省功
分级
降低出口温度
p
p4
6
5
多级压缩达
到无穷多级
T
(1)不可能实现
p1
1
(2)结构复杂(成本高)
v
所以，一般采用 2 ~ 4 级压缩
8-4 叶轮式压气机的工作原理
活塞式压气机的特点：
第八章 压气机的热力过程
能源与动力学院 李井华
本章要求：
以活塞式压气机为重点，分析压缩气体生产过 程的热力学特性。 掌握多级压缩、级间冷却的基本原理 了解余隙容积对压缩气体过程的影响规律
什么是压气机？
压气机是 生产压缩气体 的设备，它不 是动力机，而 是用消耗机械 能来得到压缩 气体的一种工 作机。
p 32
g
n1
n1
n n 1
p1V1
p2 p1
n
1
n n 1
p4V4
p3 p4
n
1 f41 Nhomakorabea由于p1=p4、p3=p2，所以
V
V
Wc
n n 1
p1 (V1
V4 )
p2 p1
n1
n
1
余隙容积对 理论耗功没
n n 1
p1V
p2 p1
n1
n
1
n
n
1
mRgT1
n1 n
1
有影响
压气机的分类： 按工作原理和构造：
活塞式压气机 叶轮式压气机 特殊引射式压缩器
压气机的分类：
结构形式
活塞式(往复式) 出口流量不连续
离心式 轴流式
叶轮式连续流动
压气机的分类：
压力范围
通风机 p 0.01MPa 鼓风机 0.01MPa p 0.3MPa
压缩机 p 0.3MPa
8－1 活塞式压气机的压气过程
wC h2 h1 Aj2T 2n
wC wC ,S h2 h2 Am2S 2nm
叶轮式压气机性能分析
压气机的绝热效率
C,S
wC ,S wC
h2S h1 h2 h1
8-2 8-11
作业
过程
32
V4
(
p3
)
1 n
(
p2
1
)n
V3 p4
p1
1
n
4
1
为增压比
v
1 Vc Vh
(
1 n
1)
Vc
V
Vh
V
容积效率与余 隙容积和增压 比均有关系
当压缩机一定时，π越大，则ηv越低， 且当π增大到某一值时，ηv等于零
当压缩机π一定时，余隙容积越大， 则容积效率越低。
(2)对理论耗功的影响
Wc 面积12gf1 面积43gf 4
最小
8－2 活塞式压气机的余隙影响
避免活塞与进排气 阀碰撞，留有空隙
p 32
余隙容积 VC
1 2 压缩过程 2 3 排气，状态未变
4
1
3 4 残留气体膨胀
V
4 1 进新气，状态未变
(1)对生产量的影响
p
V----气缸有效进气容积(V=V1-V4) Vh----气缸排量(Vh=V1-V3) Vc----余隙容积(Vc=V3)
单位时间内产气量小 间隙性的吸气和排气 余隙容积的影响
叶轮式压气机的特点：
转速比活塞式压气机高 能连续不断地吸气和排气 每级的增压比小 容易造成较大的摩擦损耗
轴流式
离心式
叶轮式压气机热力分析
理想压缩过程 定熵压缩过程1－2s
wC h2s h1 Aj2T 2s m
实际压缩过程 不可逆绝热压缩1－2’
1
n1
n1
v
w分 级
n
n
1
RgT1
p2 p1
n
p4 p2
n
2
最佳增压比的推导
w分级最小值
p2
p1 p4
p2 p4 p1 p2
p
p4
最佳增压比
p2
p2 p1 p4
p2 p1
p1
p1
p1
p4 p终
p1
p初
可证明 若m级
4 5 省功
2 3
1
v
m p终
p初
分级压缩的其它好处
p
p4
ηv----容积效率(ηv=V/Vh)
32
4
1
v
V Vh
V1 V4 V1 V3
(V1
V3 ) (V4 V1 V3
V3 )
Vc
V
Vh
V
1 (V4 V3 ) 1 V3 (V4 1) 1 Vc (V4 1)
V1 V3
V1 V3 V3
Vh V3
余隙容积的影响
假设：1-2及3-4过程是指数均为n的多变 p