工程热力学(压气机的热力过程)
工程热力学12---气体的压缩知识分享
工程热力学12---气体的压缩第十二章气体的压缩通过消耗外功来提高气体压力的设备称为压气机。
压气机在工程、科学研究中具有十分广泛的用途，如动力工程中煤粉的输运和锅炉通风、制冷设备中制冷剂的压缩、风洞实验中高压气体的获得、风动工具（如公共汽车车门的开关、大型内燃机的启动），车胎打气等。
压气机分类：通风机（<0.01MPa表压）按压力范围鼓风机（0.01～0.3MPa表压）压缩机（>0.3MPa表压））活塞式按构造叶轮式（离心式和轴流式）引射式活塞式压气机是通过活塞在气缸中的往复运动来挤压气缸中的气体，从而使气体的压力提高。
叶轮式压气机通过叶轮的旋转，使气体加速，并使高速气体在特定流道中（相当于扩压管）降低流速，从而提高压力。
活塞式压气机和叶轮式压气机的一个显著区别是：活塞式压气机吸气与排气是间歇性的；而叶轮式压气机的压缩过程是在连续流动状态下进行的，即气体不断地流入压气机，在压气机内被压缩后，不断地被排出压气机。
活塞式压气机适用于高压、排量小的场合；而轴流式压气机适用于低压、排量大的场合。
尽管压气机的种类和工作原理多种多样，但是从热力学的观点来看，压缩气体的状态变化并没有什么不同，都是接受外功使气体压缩升压的过程。
12.1 活塞式压气机的工作原理活塞式压气机的示意图和p -v 图（又称示功图）示于图12-1中。
工作三部曲： ①在活塞式压气机的理想工作过程中，气体经过进气阀与排气阀时，不考虑在阀门处的阻力与摩擦力。
当活塞自左止点向右移动时，进气阀门A 打开，气体从缸外被吸入气缸，这是吸气过程（0-1），此时，吸入气体的热力学状态不发生任何变化。
②当到达右止点时，进气阀关闭，活塞在外力作用下向左回行，气缸内的气体被压缩，压力升高，这就是气体的压缩过程（2-3），此时需要消耗外功。
③当活塞左行至某一位置时，气体的压力升高到预定压力2p ，此时排气阀门B 开启，活塞继续左行，把气缸内的气体排到储气罐或输气管道中，直至活塞到达左止点，这是排气过程（2-3）。
工程热力学总复习
O
5
6
1
1
a
2
2
a
s
图11-3 初温t1对ηt的影响
优点： 循环吸热温度 ， ，有利于汽机安全。
缺点： 对耐热及强度要求高，目前最高初温一般在550℃左右，很少超过600 ℃; 汽x
2a
v
t
h
2、初压p1对热效率的影响
基本状态参数，需要掌握①温标转换②压力测量（转换）③比体积与密度的转换。
04
03
01
02
系统在不受外界的影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称平衡状态。
系统内部及系统与外界之间的一切不平衡势差（力差、温差、化学势差）消失是系统实现热力平衡状态的充要条件。
k=1.3
νcr=0.577
干饱和蒸汽
k=1.135
关键：状态判断(习题8-2)
流量按最小截面（即收缩喷管的出口截面，缩放喷管的喉部截面）来计算
0
a
q m
c
b
图8-7 喷管流量qm
临界
临界 流量
喷管两种计算
设计计算
校核计算
已知
进口参数(p1、t1)、出口背压(pb)、流量qm
喷管形状、尺寸(A2、Acr)、进口参数(p1、t1)、出口背压(pb)
工 程 热 力 学
添加副标题
总复习
第一章基本概念
热力系统：人为地分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。 外界：系统周围物质的统称。 边界(界面)：热力系与外界的分界面。 界面可以是真实，也可以是虚拟的；可以是固定，也可以是变化（运动）的。 闭口系统:与外界无物质交换，又称控制质量。 开口系统:与外界有物质交换，又称控制体积。 绝热系统:与外界无热量交换。 孤立系统:与外界无能量交换又无物质交换。可以理解成闭口+绝热，但是实际上孤立系统是不存在的。
工程热力学第8讲-第4章-2典型过程装备中的热力过程
h2s h1 h2 ' h1
若为理想气体，且比热容为定值时
C , s
T2s T1 T2' T1
叶轮式压气机的实际效率
t 0.80 ~ 0.90
4.7 膨胀机中的热力过程
膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气 体温度降低的原理以获得冷量的机械。 膨胀机常用于深低温设备中。
1 nn n p1 V1 V4 1 n 1 1 nn n m生产量 v1 p1 1 n 1
1 nn WC n wC v1 p1 1 m生产量 n 1
1 nn n wC,n p1v1 1 n 1
pa p1 p2
时 wC wC,min
pa p2 或 l h p1 pa
最佳增压比
采用最佳增压比进行双级压缩 的优点： T2 1、省功
T1
T
p3
p2
p1
1
3’
3 2’
2
2、各缸负荷均匀 3、终温相同，各缸散热量相等
qH
qL
s
双级压缩中间冷却T-s图
分级压缩的级数
省功
有余隙容积的压气机工作过程
工作过程： 基本概念：
4-1 1-2 2-3 3-4
余隙容积 气体吸入气缸（质量m1） 气体压缩：p1p2 活塞排量 气体排向储气罐 有效吸气容积 气体膨胀：p1p2 余隙容积比 容积效率
Vc=V3 Vh=V1–V3 Ve=V1–V4 α=Vc/Vh ηv =Ve/Vh
多级压缩和级间冷却
多级压缩和级间冷却是指 气体依次在几个气缸中连 续压缩，同时为了避免过 高的温度和减少气体的比 容以降低下一级所消耗的 功，在前一级压缩后，将 气体引入中间冷却器进行 定压冷却至初始温度，然 后进行下一级继续压缩， 直到所需要的压力为止。 作用：降低排气温度，节 省功耗，增大容积效率。
工程热力学-第八章 压气机的热力过程
➢ 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）。
工程热力学第章 压气机热力过程
工程热力学第章压气机热力过程压气机简介压气机是一种能够将气体压缩到一定压力的机械设备，以提高气体的密度，降低气体体积，增加气体的能量密度。
压气机广泛应用于工业、航空、航天、能源等领域，其热力过程是压气机运行过程中最为关键和复杂的部分之一。
压气机的热力过程是指在压气机运行过程中所涉及的热力学性质和过程，包括压缩过程、加热过程、冷却过程等。
这些过程对于压气机的工作效率、能量损失等方面均有重要影响，因此对于研究和了解压气机的热力过程具有十分重要的意义。
压缩过程及其热力学特性压气机的压缩过程是指将气体从低压缩到高压的过程，这个过程中，气体被压缩，气体能量被转换为压缩机的机械能。
在压缩过程中，混合气体中的温度也会相应地上升，因此需要进行冷却和加热来控制温度。
在压缩过程中，气体的压力和温度随着时间的推移而变化，可以用热力学基本公式进行分析。
对于多级压缩机系统，每一级的压缩过程都会产生一定的温度升高和熵增，因此需要进行冷却，以避免温度升高过快和热损失。
加热过程及其热力学特性压气机的加热过程是指在压缩过程中，由于气体被压缩，使得气体的温度升高，这个过程中，需要将气体冷却至温度不致过高。
在加热过程中，气体通过加热流程，将气体热量转换为机械能。
在压缩过程中，加热的温度也是相对较高的，它需要在多级压缩机系统中进行非常复杂和严密的控制。
在实际的生产和应用中，可以通过改变加热温度、空气流量等多个参数来控制加热过程。
冷却过程及其热力学特性冷却是压缩机系统中非常重要的一个环节，它可以有效降低气体的温度，提高压缩机效率。
一般情况下，采用多级压缩机系统，同时进行冷却和加热的过程。
冷却的过程可以通过多种方式来实现，比如自然冷却、水冷却、空气冷却等。
其中空气冷却是一种比较常见的方式，它可以通过强制通风等方式来实现，从而将气体的温度降低到合理水平。
，压气机的热力过程是压缩机系统中非常重要的一部分，它涉及到气体的压缩、加热和冷却等多个方面，同时需要进行严密的控制和协调，以达到最佳的效果和效率。
工程热力学(第三版)习题答案全解可打印第九章
π
pV 400 ∴ q m = 400 × 1 es = × R g T1 60
可逆定温功压缩功率为：
Wc ,T = − p1V1 ln =−
p2 p1
400 8 π × 0.1 × 10 6 × 0.786 × × 0.3 2 × 0.2 × ln = 15.4 × 10 3 J = 15.4kW s 60 4 1
n = 3× p1 v1 (π n −1 t1 = 20°C
n −1 n
p4 12.5 =3 =5 p1 0 .1
（1） wc = 3wc , L
Q p1 = 0.1MPa
− 1) ∴v =
1 1.3−1 1.3
R g T1 p1
=
287 × 293.15 0.1× 10
6
= 0.8413 m
3
kg kg
− 1] =
1.4 × 0.1× 10 6 × 140 × [6 1.4 − 1
1.4 −1 1.4
− 1] = 327.9 × 10 5 J
h
327.9 ×10 5 = 9108.3W = 9.11KW 3600 p n p1V1 [( 2 ) n −1 p1
n −1 n
（3）多变压缩
Wt , n = Nn = − 1] = 1 .2 × 0.1×10 6 × 140 × [6 1 .2 − 1
V h = 0.009m 3
π =7
1 n
σ = 0.06
1 n
n = 1.3
1
（1） η v = 1 −
Vc (π Vh
− 1) = 1 − σ (π
− 1) = 1 − 0.06 × (7 1.3 − 1) = 0.792
工程热力学第4章气体和蒸汽的基本热力过程
(isothermal process; constant temperature process)
n pv const. 定熵（可逆绝热）过程
(isentropic process; reversible adiabatic process)
n v const. 定容过程
1
1
T1 p1 T2 p2
理想气体，定比热，可逆绝热过程。
13
二、过程的 p – v 图及T - s 图
p v
p v
cp cV
p v
(n 0) 0
p n p v n v
p
(n 1)
(n )
n
p v
p
v
.
n=0
n↑
n=1
n=±∞ n=κ
o
v
T T s cs
h cp
T2 T1
T2 T1
2
Tds
1
w
2
pdv
1
2 1
pvdv v
RgT1 ln
v2 v1
wt
2
vdp
1
2 1
vpdv p
RgT1
ln
p2 p1
q u w h wt q w wt 12
4–3 理想气体等比熵（可逆绝热）过程
一、过程方程
Tds δq dh vdp 0 vdp dh cpdT
4–1 研究热力过程的目的及一般方法
一、基本热力过程 (fundamental thermodynamic process)
近似直线
在ln p-lnV 图上有 ln p = -nlnV + c pvn 常数 4
工程热力学思考题参考答案
第八章压气机的热力过程1、利用人力打气筒为车胎打气时用湿布包裹气筒的下部，会发现打气时轻松了一点，工程上压气机缸常以水冷却或气缸上有肋片，为什么答：因为气体在压缩时，以等温压缩最有利，其所消耗的功最小，而在人力打气时用湿布包裹气筒的下部或者在压气机的气缸用水冷却，都可以使压缩过程尽可能的靠近等温过程，从而使压缩的耗功减小。
2、既然余隙容积具有不利影响，是否可能完全消除它答：对于活塞式压气机来说，由于制造公差、金属材料的热膨胀及安装进排气阀等零件的需要，在所难免的会在压缩机中留有空隙，所以对于此类压缩机余隙容积是不可避免的，但是对于叶轮式压气机来说，由于它是连续的吸气排气，没有进行往复的压缩，所以它可以完全排除余隙容积的影响。
3、如果由于应用气缸冷却水套以及其他冷却方法，气体在压气机气缸中已经能够按定温过程进行压缩，这时是否还需要采用分级压缩为什么答：我们采用分级压缩的目的是为了减小压缩过程中余隙容积的影响，即使实现了定温过程余隙容积的影响仍然存在，所以我们仍然需要分级压缩。
4、压气机按定温压缩时，气体对外放出热量，而按绝热压缩时不向外放热，为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济答：绝热压缩时压气机不向外放热，热量完全转化为工质的内能，使工质的温度升高，压力升高，不利于进一步压缩，且容易对压气机造成损伤，耗功大。
等温压缩压气机向外放热，工质的温度不变，相比于绝热压缩气体压力较低，有利于进一步压缩耗功小，所以等温压缩更为经济。
5、压气机所需要的功可从第一定律能量方程式导出，试导出定温、多变、绝热压缩压气机所需要的功，并用T-S图上面积表示其值。
答：由于压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机耗功应以技术功计，一般用w c 表示，则w c =-w t由第一定律：q=△h+w t ，定温过程：由于T 不变，所以△h 等于零，既q=w t ，q=T △s ，21lnp p R s g =∆，则有 多变过程：w c =-w t =△h-q 所以⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-111121n n g c p p T R n n w 绝热过程：即q=0，所以6、活塞式压气机生产高压气体为什么要采用多级压缩及级间冷却的工艺答：由于活塞式压气机余隙容积的存在，当压缩比增大时，压气机的产气量减小，甚至不产气，所以要将压缩比控制在一定范围之内，因此采用多级压缩,以减小单级的压缩比。
工程热力学思考题及答案(A4)
工程热力学思考题及答案第 一 章 基本概念与定义1.闭口系与外界无物质交换，系统内质量保持恒定，那么系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗？答：不一定。
稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定。
2.有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系统不可能是绝热系。
对不对，为什么？答：这种说法是不对的。
工质在越过边界时，其热力学能也越过了边界。
但热力学能不是热量，只要系统和外界没有热量地交换就是绝热系。
3.平衡状态与稳定状态有何区别和联系，平衡状态与均匀状态有何区别和联系？答：只有在没有外界影响的条件下，工质的状态不随时间变化，这种状态称之为平衡状态。
稳定状态只要其工质的状态不随时间变化，就称之为稳定状态，不考虑是否在外界的影响下，这是他们的本质区别。
平衡状态并非稳定状态之必要条件。
物系内部各处的性质均匀一致的状态为均匀状态。
平衡状态不一定为均匀状态，均匀并非系统处于平衡状态之必要条件。
4.倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？绝对压力计算公式e b p p p += )(b p p >，v b p p p -= )(b p p <中，当地大气压是否必定是环境大气压？ 答：压力表的读数可能会改变，根据压力仪表所处的环境压力的改变而改变。
当地大气压不一定是环境大气压。
环境大气压是指压力仪表所处的环境的压力。
5.温度计测温的基本原理是什么？答：温度计随物体的冷热程度不同有显著的变化。
6.经验温标的缺点是什么？为什么？答：任何一种经验温标不能作为度量温度的标准。
由于经验温标依赖于测温物质的性质，当选用不同测温物质的温度计、采用不同的物理量作为温度的标志来测量温度时，除选定为基准点的温度，其他温度的测定值可能有微小的差异。
7.促使系统状态变化的原因是什么？ 答：系统内部各部分之间的传热和位移或系统与外界之间的热量的交换与功的交换都是促使系统状态变。
工程热力学(压气机)
1
RgT1
p2 p1
1
多变过程：
n1
wc,n
n
n
1
RgT1
p2 p1
n
1
等温过程：
wc,T
RgT1 ln
p2 p1
1
T2s
T1
p2 p1
n1
T2n
T1
p2 p1
n
T2T T1
工程热力学 Thermodynamics
叶轮式压气机的耗功计算
wC
h2
理想气体
1.4 1
1)
429.1 kJ/kg
工程热力学 Thermodynamics
因 T1 T2 T3 ，且各级压缩比相等，故各级压气机排气温度相等
p
T2
T3
T4
T1
1
1.41
293 4 1.4
435 K
(2) 单级压气机的排气温度
κ1
T5
T1
p5 p1
κ
O
0.4
293
6.304 106 98.5 103
一、概述
工程热力学 Thermodynamics
工程热力学 Thermodynamics
二、耗功计算
理想气体
wC h2 h1 cp (T2 T1)
1
T2
T1
p2 p1
理想气体
wC h2 h1 cp (T2 T1)
T2 T2 ,C,s
h2 h2 ,C,s
C,s
wC wC
-
Rgln
p2 ) p1
T
2
471.5
2
6 (1.004ln 0.287ln4) 0.336 ( kW K )
工程热力学思考题答案,第八章
第八章压气机的热力过程1、利用人力打气筒为车胎打气时用湿布包裹气筒的下部，会发现打气时轻松了一点，工程上压气机缸常以水冷却或气缸上有肋片，为什么？答：因为气体在压缩时，以等温压缩最有利，其所消耗的功最小，而在人力打气时用湿布包裹气筒的下部或者在压气机的气缸用水冷却，都可以使压缩过程尽可能的234高，压力升高，不利于进一步压缩，且容易对压气机造成损伤，耗功大。
等温压缩压气机向外放热，工质的温度不变，相比于绝热压缩气体压力较低，有利于进一步压缩耗功小，所以等温压缩更为经济。
5、压气机所需要的功可从第一定律能量方程式导出，试导出定温、多变、绝热压缩压气机所需要的功，并用T-S图上面积表示其值。
答：由于压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机耗功应以技术功计，一般用w c 表示，则w c =-w t由第一定律：q=△h+w t ，定温过程：由于T 不变，所以△h 等于零，既q=w t ，q=T △s ，21lnp p R s g =∆，则有 多变过程：w c =-w t =△h-q所以c w 6数n 7m2s 2’nm i=S T ∆0为图中的17nm1.8、如图8-13所示的压缩过程1-2，若是可逆的，则这一过程是什么过程？他与不可逆绝热压缩过程1-2的区别何在？两者之中哪一过程消耗的功大？大多少？图8-13答：若压缩过程1-2是可逆过程，则其为升温升压的吸热过程。
它与不可逆绝热过程的区别是：此过程没有不可逆因素的影响，在所有以1-2过程进行的压缩过程其耗功是最小的。
对于不可逆绝热压缩过程：q=△u+w，q=0，所以w=-△u，w c=△u可逆压缩过程1-2：q=△u+w，⎰=21Tdsq，所以⎰-∆=21Tdsuwc，所以不可逆绝热的耗功大，大了⎰21Tds。
《工程热力学》第四章-工质的热力过程
u2 u1 cv dT
1
s2 s1
2
q
T
1
● 能量转换
膨胀功
w pdv
1
2
2
1
p1v1n p1v1n 1n 1n 1 dv v2 v1 n 1 p1v1 p2v2 n v 1 n
n 1 v n1 n R R p2 R (T1 T2 ) T1 1 T1 1 1 n 1 n 1 p1 n 1 v2
● 能量转换
膨胀功 w 1 pdv 1
2
2
2
v2 p1 dv RT RT ln RT ln v v1 p2
2
p1 v2 dp RT ln RT ln 技术功 wt 1 vdp 1 RT p p2 v1
热
量
q u w w h wt wt
★ 若透平的效率为ηT=0.9，则终态温度和膨胀透平
的功率又为多少？
例3：如图所示，两端封闭而且具有绝热壁的气缸，被可移 动的、无摩擦的、绝热的活塞分为体积相同的A、B两部分， 其中各装有同种理想气体1kg。开始时活塞两边的压力、温 度都相同，分别为0.2MPa，20℃，现通过A腔气体内的一个 加热线圈，对A腔气体缓慢加热，则活塞向右缓慢移动，直 至pA2=pB2=0.4MPa时，试求： ① A，B腔内气体的终态容积各是多少？ A B ② A，B腔内气体的终态温度各是多少？ ③ 过程中供给A腔气体的热量是多少？ ④ A，B腔内气体的熵变各是多少？ ⑤ 在p-v图、T-s图上，表示出A，B腔气体经过的过程 设气体的比热容为定值：c p 1.01kJ /(kgK), cv 0.72kJ /(kgK)
沈维道《工程热力学》(第4版)名校考研真题-压力机的热力过程(圣才出品)
图 8-3 依据绝热过程方程可求得经历可逆绝热过程时出口的温度为：
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由绝热效率
，可得：
进出口熵差：
由压气机的压气过程可认为是绝热的，故：
到超声速。
2．一叶轮压气机质量流量 q=1kg/s，0.1MPa、27℃空气不可逆扩压到 0.5MPa，绝 热效率为 0.92，求进出口的熵差、熵流、熵产和做功能力损失。环境 p0=0.1MPa，t0=27℃， 空气比热按定值比容 =0.718kJ/（kg·K）， =1.005 kJ/（kg·K）。[同济大学 2007 研]
三、简答题 1．如何确定多级压缩、级间冷却压气机的各级增压比？[大连理工大学 2004 研] 解：设为 m 级压气缩，级间冷却， 初压，p 为终压，则最佳增压比为：
2．明采用两级压缩，中间冷却压缩气体时，如要使总耗功最小，中间压力
，
其中 为第二级压气体出口压力，而 为第一级压气机的进口压力。[天津大学 2004 研]
解：根据题意，状态 1 下，
图 8-4
、
。
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在压缩后，压力
；温度
。
因为绝热效率为 0.82，所以压缩后得到的状态 2 的实际温度为：
状态 3 的压力与状态 2 相等，压力
，温度
。
再压缩到状态 4，压力
，温度
。
所以压缩后得到的状态 4 的实际温度为：
所以要生产 1kg 压缩空气，压气机消耗的功为：
4．证明：压气机在两级压缩中间冷却，且压力， 为气体压缩终了压力），压气机的耗功最小。[天津大学 2005 研]
工程热力学课件第4章
κ=
cp cv
pv κ = 常数
∴κ > 1
Qc p > cv
2、初、终状态参数关系 、
p 2 v1 = p1 v 2
κ
pvκ = 常数
pv = RT
T2 v1 = T1 v2 κ −1 T2 p2 κ = T1 p1
1 1
2
2
κ
dp
1
=κ
R (T1 − T2 ) = κw κ −1
pκ
κ ( p1v1 − p 2 v 2 ) = κ −1
2）热量 ）
q=0
∆s = 0
∆u + w = 0 或 ∆u = − w ∆ h + wt = 0 或 ∆ h = − wt
4-3 多变过程的综合 分析
多变过程
1、 过程方程： pv n 、 过程方程：
pc dT pc dp sc − sb = ∫ cp − ∫ R = −R ln T T pb p pb
T
Qsc > sb
∴pc < pb
sb sc
s
定压线向左水平移动， 定压线向左水平移量转换 、 1）过程功 dp= 0 ∴wt = −∫1 vdp = 0 ） 2）热量 ）
2
2
v
4
3
wT = wt ,T
2）热量 ）
T
∆h = c p (t2 − t1) = 0
2’ 1 2
∆u = cv (t2 − t1) = 0
v2 p1 p1 q = w = wt = RT ln = RT ln = p1v1 ln v1 p2 p2
s
4
工程热力学8压气机热力过程
有余隙容积压缩机示功图
压缩1kg 气体所消耗的功为： Wc,n
Wc,n m'
n
n 1
p1v1
1
(
p2 p1
)
n1 n
无余隙容积时，压缩1kg 气体所消耗的功为
：
Wc,n '
n n 1
p1v1 1 (
p2 p1
)
n1 n
有余隙容积和无余隙容积时，压缩1kg 气体所消耗的功是相同的
p
3
2
解 单级多变压缩时排气温度为
T3
T1
(
p3 p1
)
n 1 n
290(
二、容积效率
余隙容积 clearance volume
产生原因： 布置进、排气结构 制造公差 部件热膨胀
1、有余隙容积存在时，对 Wc 的影响
Wc,n Wt,12 Wt,34
p
3
2
4
1
V
Vc
Vh V1-V4
有余隙容积压缩机示功图
n n 1
p1V11
(
p2 p1
)
n1 n
－
n
n
1
p4V4 1
第二节 单级活塞式压气机所消耗的机械功和容积效率
2
技术功
wt
1
vdp
压气机所需的功Wc，在 数值上等于压缩过程的
技术功。
2
WC p1V1 1 pdV p2V2
2
1 Vdp Wt
示功图 p-V 图所包围的面积表示压气机的耗功，可 以看出定温压缩耗功最少，排温最低，而绝热压缩所消耗 的机械功最大，排温最高。因此对压气机应加强冷却，不 仅减少耗功，而且保证润滑条件。
工程热力学思考题参考答案
工程热力学思考题参考答案文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]第八章压气机的热力过程1、利用人力打气筒为车胎打气时用湿布包裹气筒的下部，会发现打气时轻松了一点，工程上压气机缸常以水冷却或气缸上有肋片，为什么答：因为气体在压缩时，以等温压缩最有利，其所消耗的功最小，而在人力打气时用湿布包裹气筒的下部或者在压气机的气缸用水冷却，都可以使压缩过程尽可能的靠近等温过程，从而使压缩的耗功减小。
2、既然余隙容积具有不利影响，是否可能完全消除它答：对于活塞式压气机来说，由于制造公差、金属材料的热膨胀及安装进排气阀等零件的需要，在所难免的会在压缩机中留有空隙，所以对于此类压缩机余隙容积是不可避免的，但是对于叶轮式压气机来说，由于它是连续的吸气排气，没有进行往复的压缩，所以它可以完全排除余隙容积的影响。
3、如果由于应用气缸冷却水套以及其他冷却方法，气体在压气机气缸中已经能够按定温过程进行压缩，这时是否还需要采用分级压缩为什么答：我们采用分级压缩的目的是为了减小压缩过程中余隙容积的影响，即使实现了定温过程余隙容积的影响仍然存在，所以我们仍然需要分级压缩。
4、压气机按定温压缩时，气体对外放出热量，而按绝热压缩时不向外放热，为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济答：绝热压缩时压气机不向外放热，热量完全转化为工质的内能，使工质的温度升高，压力升高，不利于进一步压缩，且容易对压气机造成损伤，耗功大。
等温压缩压气机向外放热，工质的温度不变，相比于绝热压缩气体压力较低，有利于进一步压缩耗功小，所以等温压缩更为经济。
5、压气机所需要的功可从第一定律能量方程式导出，试导出定温、多变、绝热压缩压气机所需要的功，并用T-S 图上面积表示其值。
答：由于压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机耗功应以技术功计，一般用w c 表示，则w c =-w t由第一定律：q=△h+w t ，定温过程：由于T 不变，所以△h 等于零，既q=w t ，q=T △s ，21lnp p R s g =∆，则有 多变过程：w c =-w t =△h-q 所以⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-111121n n g c p p T R n n w 绝热过程：即q=0，所以6、活塞式压气机生产高压气体为什么要采用多级压缩及级间冷却的工艺答：由于活塞式压气机余隙容积的存在，当压缩比增大时，压气机的产气量减小，甚至不产气，所以要将压缩比控制在一定范围之内，因此采用多级压缩,以减小单级的压缩比。
沈维道《工程热力学》(第4版)章节题库-压力机的热力过程(圣才出品)
D．βi＝（pZ
二、判断题
1．如果多级压缩的分级越多，且每两级之间均设置中间冷却措施，则压气机消耗的轴 功将减少的越多。
【答案】对
2．压缩机的余隙容积对压缩机压缩每公斤工质的理论功没有影响。 【答案】对 【解析】有余隙容积后，如生产增压比相同、质量相同的同种压缩气体，理论上所消耗 的功与无余隙容积时相同。
三、问答题 1．压缩机压缩过程的多变指数 n 的取值范围是什么？若想减少压缩机所消耗的轴功， 压缩过程的多变指数 n 应增加还是减少？ 答： n [1, k] ，若想减少压缩机所消耗的轴功，应接近定温过程，压缩过程的多变指数 n 应减少。
2．有时为获得较高压力的压缩气体，往往采用多级压缩，问采用多级压缩有何好处？ 答：采用多级压缩，可以使每一级的增压比不是很大，从而大大提高压缩机的容积效率。
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第 8 章 压力机的热力过程
一、选择题
1．压气机压缩气体所耗理论轴功为（
2
A． pdv 1
2
B． d( pv) 1
【答案】C
）。
2
C． pdu＋p1v1－p2v2 1
2．对一定大小气缸的活塞式压气机，因余隙容积的存在（ ）。 A．生产 1kg 气体的理论耗功增大，压气机生产量下降 B．生产 1kg 气体的理论耗功增大，压气机生产量不变 C．生产 1kg 气体的理论耗功不变，实际耗功增大，压气机生产量下降 D．生产 1kg 气体的理论耗功不变，实际耗功增大，压气机生产量不变 【答案】C 【解析】活塞式压气机余隙容积的存在对压气机生产 1kg 压缩气体的理论耗功没有影 响，但因余隙容积的存在使气缸的容积不能充分利用，因而容积效率降低，生产量下降，使 生产 1kg 气体的实际耗功增大。
工程热力学课后习题答案
n −1 n )
n + R g T2 (π n −1
n −1 n
n − 1) + RgT3 (π n −1
1.3−1 1 .3
n −1 n
− 1) =
− 1)(T1 + T2 + T3 ) = kg = 746 .4 kJ kg
1 .3 × 287 × (5 1 .3 − 1
− 1) × ( 293 .15 + 425 .0 + 616 .25)
∴q =
Q QW = −Q a
q= n −κ c v (T2 − T1 ) n −1
n −1 n
QW − 7.5715 = = −91.73 kJ kg q ma 0.08254
n − κ cv(T 2 − T 1) 0.728 × (150 − 20) = −1.0317 = = − 91.73 n −1 q
1.186 −1 1.186
= 387.82 K
（3）压缩功
Wn =
p2 1 p1V1 [( ) n −1 p1
n −1 n
− 1]
1.186 −1 1.186
1 = × 0.1 × 10 6 × 0.032 × (3.2 1.186 − 1
112
− 1) = 3442.8 J = 3.443kJ
第九章 压气机的热力过程
9-4 三台空气压缩机的余隙容积比均为 6%， 进气状态均为 0.1MPa,27°C ， 出口压力为 0.5MPa ，
但压缩过程的指数分别为：n1=1.4、n2=1.25、n3=1,试求各压气机的容积效率（假设膨胀过程的 指数和压缩过程相同） 。 解： 据题意
Vc = 0.06 Vh 0.5 π= =5 0 .1
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p
p2
4
5
省功
2 1
中 冷 器 冷却水 进气口
低压缸
3
p1
v
分级压缩中间冷却实体照片
二、级间冷却（2）
2、完全回冷与不完全回冷
完全回冷：
压缩气体经中冷器冷却后的温度与前一级 高压缸 的进气温度相同 若每一级均是完全 回冷，则此时：
储气罐
各级进气温度相等
中 冷 器 冷却水 进气口
低压缸
三、多级压缩的优点
解：最佳压力比为 p 4 3 1 .5 最佳 3 2.466 p1 0. 1
p
5 6 7
4 6' 3' 3
7'
2'
① p2=ε最佳×p1 = 0.2466MPa
2 1 V
p3=ε最佳×p2 = 0.6081MPa ② 低压缸有效进气容积
8
1 1 Ve n n V V D L 1 1 v 1 1 e h v 2 Vh 4
1、省功
T 多级压缩达到无穷多级 越省功。 有利于改善运动件的受力 但是，这是不可能实现的 并且级数越多，结构复杂 状态，提高运行寿命 所以，一般采用不超过6 级压缩 p
可见，级数越多， 4、降低活塞所受的
气体力越接近等温过程，
2、降低排气温度
p4
6
5
压缩机的排气温度有限制 （过高，易燃、易爆、积炭、 n 1 润滑油变质等） p2 n T2 T1 空压机：<180℃ p1
p1
1
3、提高容积效率
每一级ε
ηv
v
四、多级压缩的总功耗
1、最佳压力比 指总功耗最小时的压力比
最佳 z
p2 p1
式中：z 为级数
2、多级压缩机的总功耗
n 1 z n p2 zn W t p1Ve 1 n 1 p 1
一、基本概念
止（死）点：活塞左 右移动的极限位置
气阀
储气罐
气缸 活塞 连杆
曲轴
行程L：活塞移动的距离 行程容积Vh：一次行程 活塞扫过的体积 吸气压力p1与 内止点 行程 外止点 余隙 排气压力p2 余隙与余隙容积Vc 避免活塞与进排气阀 碰撞，留有空隙
二、工作原理
1、工作原理
气阀
储气罐
气缸 活塞 连杆
一、多级压缩
1、多级压缩 气体经过多次压缩。 2、多级压缩的标志 中间冷却器（中冷器） 3、多级压缩的原因
高压缸
储气罐
① 单级压缩压比有限 ② 多级压缩有优点 ③ 工艺要求
中 冷 器 冷却水 进气口
低压缸
二、级间冷却（1）
1、多级压缩p－v图 由于中冷器存在，多了等压冷却过程2-3，得 以省功
高压缸
§9-6 叶轮式压气机的工作原理
1、工作原理 与离心泵相似，叶轮式压气机属于速度式， 依靠高速旋转的叶轮提高气体的压力和动能， 再通过转能装置(扩压器)，将气体的动能转 为压力能，从而实现气体的增压和输送 2、特点 排气连续无脉动、排气量大、体积小、工况 区窄，适用于排气量大、中等压力的场合。 相关内容专业课详细讲解，这里不作具体要求。
1.5 T4=291× 0.1
T T d =385.5K
由理想气体状态方程 p1Ve/T1 = p4Vd/T4
T
n 1 n 1 1
有排气容积: Vd = p1VeT4 /(T1p4) Vd =0.1×0.0453×385.5/(291×1.5) =0.00364m3
= -251.4 kJ/kg
⑤ 单级压缩时的比功和排气温度。 n 1 n p排 w't > wt (-251.4) n w t RgT1 1 n 1 p吸 T'4 >T4 (385.5K) 1.31 多级压缩 1 . 3 1.3 1.5 可以省功 0.287 291 1 0.1 1.3 1 多级压缩 = -314.2 kJ/kg 可以降低 排气温度 1.31 n 1 1.3 1 . 5 = 543.6 K T4 T1 总n = 291× 0.1
指什么功
技术功wt
V
p 2、有余隙的压气功 3 压气功为 有余隙的工作循环， 过程曲线123'4'1所包围的面积 即压缩过程12技术与膨胀过程 3'4'技术功的代数和。 取两过程多变指数n相同,可推得
n 1 n p2 n W t p1Ve 1 p1 n 1
= mRgT
五、多级压缩计算举例
一台三级压气机，低压缸径D=450mm，行程 为L=300mm， α=0.05。吸气压力p1 =0.1MPa 、 t1 =18℃ 、可逆压至p4 =1.5MPa，n=1.3 。 ① 求各中间压力； ② 低压缸有效进气容积； ③ 排气温度和排气容积； ④ 所需比功； ⑤ 若采用单级压缩，求比功和排气温度。
1 n
Vc
Vh V1
p2 压力比 Ve p1 式 v 1 1 （余隙比） Vh V 中 C 相对余隙容积 V h 在相同的气缸容积下，排气量下降 吸气量↓
为什么？
v
二、单级压缩最大压力比 p 3' 1 2 n Ve 3
nk n 1 1 n k
p1
p1
1
1
v
s
二、对压气机气缸冷却的作用
压气功为过程曲线所包围的面积 可见，等温压缩12T341功耗最少。 应该对压气机气缸进行冷却， 力使工质充分冷却使其尽量接近等温压缩 如气缸上设置翅片 气缸夹套内通水冷却等
p 2 2 2s T n p2
p1
1
T
2T 2n
2 s p2
3'
5 4'
2
1
Ve V
Vc
Vh
式中吸气容积为Ve
p2 n N t p1Ve 1 p1 n 1
n 1 n
3、压气机功率
为吸气量 式中 V e
§9-4 余隙容积的影响
一、容积效率
p 3'
3 2 1 V 如图，由于有余隙Vc的存在， 多了膨胀过程3'4'，使得实际吸 5 4' Ve 气容积由原来的V1减小为Ve 有效吸气容积Ve小于行程Vh Ve与Vh之比叫容积效率ηv
p1
1
v
s
三、压气功的计算
目的：研究耗功，越少越好
理论压气功(可逆过程) 技术功 1、理想压气功 p 2 3 压缩功 对于无余隙的工作循环压气功为 1 4 过程曲线12341所包围的面积
n Wt p1V1 p2V2 无余隙的工作循环 n 1 n 1 n 1 n n p2 p2 n n p1V1 1 mRgT1 1 p1 n 1 p1 n 1
曲轴
通过活塞的往复运动使 气体的体积发生变化而 增压并输送。 2、无余隙的工作循环 三个过 程组成 吸气过程：4-1 压缩过程：1-2 排气过程：2-3
p 3 4
2
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
无余隙的 工作循环 V
3、有余隙的工作循环 压气机都有余隙，故s 余隙 外止点 是有余隙的工作循环 p 3' 2 吸气过程：4'-1 四个过 压缩过程：1-2 程组成 排气过程：2-3' 5 4' 膨胀过程：3'-4 Ve 应该注意： Vc ◆压缩循环是逆循环 Vh
第九章 压气机的热力过程
提供 压缩介质
§9-1 压气机的结构
生活中：自行车打气。 工业上：锅炉鼓风、出口引风、 炼钢、燃气轮机、制冷空调等等
压气机 的作用
型式 结构 压 力 范 围
活塞式(往复式) 出口不连续流动 离心式 叶轮式连续流动 轴流式 通风机 鼓风机 压缩机
p 0.01MPa 0.01MPa p 0.3MPa p 0.3MPa
1 1 Vh
ε α
ηv ηv
5 4'
Ve
Vc
1 V
α达一定值时,ηv=0,压缩机不能
Vh
吸气,无气排出,只是机内气的循环 n 单级压缩， 1 max 1 最大压力比为 故单级压缩所能达到的压力比是有限的。
§9-5 多级压缩与级间冷却
=π×0.452×0.3×[1-0.05(2.4661/1.3 -1)]/4 = 0.0453m3
③ 排气温度和排气容积 则各级排气温度T2相等
则完全回冷、各级压力比 相等时，各级排气温度为
1.31 31.3
由于完全回冷、每一级的 进气温度T1相等 各级压力比相等，即 p2/p1相等
n 1 zn 1 总
作业8
思考题（P281） 8-3
习 题（P281） 8-2、8-7（1）（2） 8-9
第九章
完
④ 所需比功
n 1 z n p排 zn wt p1ve 1 p n 1 吸
n 1 z n p排 zn RgT1 1 n 1 p吸
1.31 3 1 . 3 3 1.3 1 . 5 0.287 291 1 0.1 1.3 1
1 V
◆压缩过程和膨胀过程是热力过程 吸气量：指吸入状态的气量 Ve = Vh + Vc – V4'
§9-3 活塞式压气机的理论功耗