《第4章气体的热力过程.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第4章气体的热力过程.ppt（53页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、1,第 四 章 气体的热力过程,4.1 理想气体的基本热力过程,4.2 理想气体热力过程的功及热量,4.3 压气机的热力过程,4.4 水蒸气的等压过程及绝热过程,4.5 绝热节流,4.6 气体在喷管内的流动过程,2,4.1 理想气体的基本热力过程, 目的 以热力学第一定律为基础，分析可逆的基本热力过程中能量转换、传递关系，揭示过程中工质状态参数的变化规律及热量和功量的计算。, 方法和手段,求出过程方程及计算各过程初终态参数。,根据热力学第一定律及气体性质计算过程中功和热。,画出过程p-v及T-s图，分析过程中参数及能量关系。,可用的公式。,1.研究热力过程的目的、方法,4.1.1 气体基本热力
2、过程,3,2.基本热力过程,在log p-logV 图上有log p = -nlnV + c,常数,=常数 多变过程,定压过程,定温过程,定熵过程,定容过程,4,4.1.2 理想气体多变过程,1. 过程方程,定容过程（v=常数）,定压过程（p=常数）,5,定温过程,定熵(可逆绝热)过程,取定比热容，积分,三式适用于： 理想气体、 定比热、 可逆绝热过程。,6,2. 理想气体的多变过程的热力学能差、焓差和熵差,定比热容,7,3. 多变指数,4. 在p-v图及T-s图上表示,斜率,8,定容过程：,定压过程：,定温过程：,定比熵过程 （可逆绝热）,p,v,o,.,n=0,n=1,n=,n=,T,s,
3、o,.,n=0,n=1,n=,n=,9,多变过程,更多关于T-s图及p-v图, 在p-v 图上确定 T 增大及 s 增大方向 在T-s 图上确定 p 增大及 v 增大方向,n,n,10,利用特殊过程的特性，如,利用过程的能量关系，如,0,p,v,o,.,n=0,n=1,n=,n=,u0 h0,s0 q0,w0,u0 h0,s0 q0,T,s,o,.,n=0,n=1,n=,n=,w0,11, 在T-s图上用图形面积表示u和h,例：ha - hb用什么面积表示?,考虑过程等压 c,依据： a.T-s图上过程下面积表示q,b.qp=h，qv=u,a,12,4.2 理想气体热力过程的功及热量,4.2.
4、1 理想气体基本过程的膨胀功和技术功,1. 多变过程的膨胀功和技术功,13,2. 可逆绝热过程的膨胀功和技术功,14,同样,15,3. 定容过程的膨胀功和技术功,4. 定压过程的膨胀功和技术功,5. 定温过程的膨胀功和技术功,16,4.2.2 气体热力过程的热量及多变过程的比热容,q =,2. 比热容,1. 热量,17,4.2.3 多变过程的能量关系,膨胀，吸热，压缩, 放热,膨胀，放热，压缩, 吸热,A510144,A410266,A401155,18,压缩气体可用于： 动力机、风动工具、制冷工程、化学工业、潜水作业、 医疗、休闲等。,4.3 压气机的热力过程,压气机分类: 按压头高低,通风
5、机,鼓风机,压气机,4.3.1 概述,19,按工作原理,活塞式压头高，流量小，间隙生产,叶轮式压头低，流量大，连续生产,压气机不是动力机，压气机中进行的过程不是循环,20,4.3.2 单级活塞式压气机工作原理,1. 工作原理,0-1：吸气，传输推动功p1v1,2-3：排气，传输推动功p2v2,压气机耗功：,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。,1-2：压缩，耗外功,21,o,1,2s,.,.,2T,2n,2. 理论耗功,wC取决于初、终态及过程特征,(1) 绝热压缩,(2) 等温压缩,(3) 多变压缩,22,讨论： (1),理想压缩是 等温压缩,
6、(2)通常为多变压缩, 1n,思考 自行车轮胎压力通常应维持在0.25 MPa左右，用手动打气筒向轮胎充气时用湿毛巾包在打气筒外壁，会有什么后果？,23,4.3.3 余隙容积的影响,1. 余隙容积,产生原因,布置进、排气结构,制造公差,部件热膨胀,几个名词：,气缸工作容积(活塞排量) Vh(=V1V3),余隙容积Vc（=V3）,有效吸气容积Vef（=V1V4）,余隙容积比 =Vc/Vh,24,生产过程： 1-2 质量m1气体压缩：p1p2 2-3,气体排向储气罐,3-4,气体膨胀p2 p1,4-1,气体吸入气缸,生产量(每周期)：,25,2. 余隙容积对生产量的影响,容积效率,讨论：,确定,一
7、定,26,3. 余隙容积对理论耗功的影响,27,即余隙对生产1 kg气体理论耗功无影响 （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,有害容积,28,4.3.4 多级压缩和级间冷却,1. 多级压缩和级间冷却,分级压缩，级间冷却,工程上需要高压气体， 但压缩过程中随 p 升高 T 升高；V 下降。为使,29,o,1,2a,T,.,a,3,.,.,n,n,2,2. 理论耗功分析,1,n,低压缸,a,p,中冷器,3,n,高压缸,2,每生产1 kg压缩气体：,令,30,推广：若m级，则,讨论： (1)按,选择各级中间压力，优点：,a. 各级耗功相等,（总耗功,有利于
8、曲轴平衡,b. 各缸终温相同,小于不如此分配时,各缸终温中最高者，有利于润滑油工作及使可靠性增加。,c. 各级散热相同,各中冷器散热相等,）,31,(3)若分级m，则趋于定温 压缩但体积庞大，系统复杂， 可靠性下降，一般2-4级。,(4)定温效率,(5)真空泵的实质也是压气机，是出口压力为恒值环境压力，进气压力不断降低的压气机。,A455155,o,1,2a,T,.,a,3,.,.,n,n,2,.,.,.,.,.,(2)分级增多，如4级,.,2b,32,4.3.5 叶轮式压气机工作原理,叶轮式压气机 转速高；连续吸，排气，运转平稳；排气量大 没有余隙影响；但每级压比不高。,叶轮式压气机热力学分
9、析,由于排量大，运转快，难冷却，可作绝热压缩考虑。,离心式压气机,轴流式压气机,33,理论耗功,实际耗功,实际多耗功,绝热内效率,理想气体,A451177,A453257,34,4.4 水蒸气的等压过程及绝热过程,4.4.1 概述,过程中状态参数确定图表或专用程序计算。 功、热量的计算式：,4.4.2 定压过程的热量,35,4.4.3 定熵过程的功,注意：水蒸气绝热过程可有,其中,为经验数字,过热蒸汽,饱和蒸汽,湿蒸汽,水蒸气,?,A423155,A423277,36,4.5 绝热节流,4.5.1 绝热节流,定义：由于局部阻力，使流体 压力降低的现象。,节流现象特点： 1) p2s1,I=T0
10、sg 3) h1=h2，但并非等焓过程； 4) T2可能大于等于或小于T1 理想气体T2= T1。,37,4.5.2 节流后的温度变化, 焦耳-汤姆逊系数 （也称节流微分效应）,取决于,降温,升温,不变,38, 理想气体节流过程, 水蒸气节流过程,1）节流后温度稍有下降,2）,但少作功,作功能力损失,？,39,4.5.3 节流现象的工程应用,气体液化 发动机功率调节 孔板流量计，干度计 利用J，结合实验，建立实际气体微分方程 热网中蒸汽降压,A4501551,A4521552,40,工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别是喷管内流动过程的能量转换。,4.6 气体在喷管内的流动过程,4.
11、6.1 简化,稳定、一维、可逆、绝热,参数取 平均值,41,1. 连续性方程（质量守恒方程）,p1 T1 qm1 cf1,p2 T2 qm2 cf2,4.6.2 稳定流动基本方程,2. 过程方程,注意，若水蒸气，则,42,3. 稳定流动能量方程,忽略,绝热滞止,理想气体：,定比热容,注意：高速飞行体需注意滞止后果，如飞机在20 的高空以 Ma = 2飞行，其t0= 182.6 。,43,水蒸气：,其他状态参数,4. 声速方程,？,注意：（1）声速是状态参数，因此称当地声速。,如空气，,（2）水蒸气当地声速,（3）,马赫数,亚声速,声速,超声速,44,4.6.3 喷管内流速变化的条件,1.力学条
12、件,气体在喷管内流速增加，是压力差作用的结果，在流动可逆绝热条件下，导得,力学条件,讨论：,喷管,（2）,是压降，是技术功转换成机械能。,的能量来源,（1）,异号,45,2. 几何条件,将过程方程代入力学条件，结合连续性方程可导得,几何条件,讨论：,（1）cf与A的关系还与Ma有关，对于喷管,渐缩喷管,渐扩喷管,渐缩渐扩喷管,46,截面上Ma=1、cf=c，称临界截面 也称喉部截面，临界截面上速度达当地音速,称临界压力、临界温度及临界比体积。,（2） 当促使流速改变的压力条件得到满足的前提下：,a.收缩喷管出口截面上流速cf2,max=c2（出口截面上音速）； b.以低于当地音速流入渐扩喷管不
13、可能使气流可逆加速。 c.使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩渐扩喷管 拉伐尔喷管。,47,(3)背压pb是指喷管出口截面外工作环境的压力。 正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于压pb，但非设计工况下p2未必等于 pb。,归纳： 1）压差是使气流加速的基本条件，几何形状是使流动可逆必不可少的条件；,5） p2未必等于背压pb。,2）气流的焓差（即技术功）为气流加速提供能量；,3）收缩喷管的出口截面上流速小于等于当地音速；,4）拉伐尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速,48,4.6.4 喷管内气流流速及流量计算,1. 流速计算及分析,计算式,注意： (1)公式适用范围：绝热、不作
14、功、任意工质； (2)式中h，J/kg；cf，m/s，一般资料提供h，kJ/kg。,2. 流速分析,p2/p0=1，cf2=0，p2/p0下降，cf2增大，到 p2/p0=cr，截面上cf=c，该截面称临界截面。,此截面上压力pcr与p0之比称为临界压力比,49,讨论： （1）,随工质而变,理想气体定比热双原子,过热水蒸气,湿蒸汽,（3）几何条件,约束，临界截面只可能,发生在dA= 0处，考虑到工程实际,收缩喷管出口截面,缩放喷管喉部截面,（2）,50,3. 背压pb对流速的影响,（1）收缩喷管,（2）缩放喷管,不属本课程范围,51,4. 流量计算及分析,（1）计算式,（2）流量分析,1) p2/p0=1，qm=0； p2/p0下降，qm增大，到临界截面 p2/p0=cr， qm = qm,max ； 继续下降流量不变。,2）结合几何条件和质量守恒方程：,图中,收缩喷管,缩放喷管,52,归纳,53,4.6.5 有摩擦的绝热流动,1. 摩阻对流速的影响,定义：喷管速度系数,一般在0.920.98,2. 摩阻对流量的影响,若p2、A2不变,据,A4512871,A452177,A4511661,A451266,A451377,下一章,