1、第四篇第四篇 矿山压缩空气设备矿山压缩空气设备 第十一章第十一章 矿山压缩空气设备概述矿山压缩空气设备概述 及热力学基础知识及热力学基础知识本章学习要点本章学习要点 矿山压缩空气设备概述矿山压缩空气设备概述 热力学基础知识热力学基础知识 本章小结本章小结第一节第一节 矿山压缩空气设备概述矿山压缩空气设备概述 以压缩空气为动力源的优点：以压缩空气为动力源的优点：（1）可避免由于电火花而引起的爆炸，比电力源安全；）可避免由于电火花而引起的爆炸，比电力源安全；（2）矿山使用的风动机具大部分是冲击式机械，往复速）矿山使用的风动机具大部分是冲击式机械，往复速度高、冲击力大，适宜切削坚硬的岩石；度高、冲击
2、力大，适宜切削坚硬的岩石；（3）压缩空气本身具有良好的弹性和冲击性能，适合在）压缩空气本身具有良好的弹性和冲击性能，适合在变负载条件下作动力源，比电力源有更大的过负荷能力；变负载条件下作动力源，比电力源有更大的过负荷能力；（4）风动机械排出的废气可帮助通风和降温，有利于改）风动机械排出的废气可帮助通风和降温，有利于改善工作环境。善工作环境。缺点是压气设备本身的效率较低，而压缩空气又是二次缺点是压气设备本身的效率较低，而压缩空气又是二次能源，所以运行费用较高。能源，所以运行费用较高。一、矿山压气设备的组成一、矿山压气设备的组成 矿山压气设备主要由空压机、拖矿山压气设备主要由空压机、拖动电动机、附
3、属装置和输气管路等组动电动机、附属装置和输气管路等组成。如图所示，在空压机房内，由拖成。如图所示，在空压机房内，由拖动电动机动电动机1驱动空压机驱动空压机2动作。空气由动作。空气由空气过滤器空气过滤器3进入空压机内进行压缩，进入空压机内进行压缩，当达到额定压力时，压缩空气就被送当达到额定压力时，压缩空气就被送入风包入风包4中储存，最后通过输气管路中储存，最后通过输气管路5送到井下各用气地点。送到井下各用气地点。二、空压机的类型二、空压机的类型 按作用原理不同，工业上使用最广泛的空压机可分为按作用原理不同，工业上使用最广泛的空压机可分为容积型和速度型两大类。容积型和速度型两大类。容积型空压机容积
4、型空压机又可分为往复式和回转式两类。往复式又可分为往复式和回转式两类。往复式空压机主要有活塞式空压机；回转式空压机主要有螺杆式空压机主要有活塞式空压机；回转式空压机主要有螺杆式和滑片式空压机。和滑片式空压机。速度式空压机速度式空压机又可分为离心式和轴流式两类。又可分为离心式和轴流式两类。第二节第二节 热力学基础知识热力学基础知识 一、气体的状态参数一、气体的状态参数 在热力学中，用压力在热力学中，用压力p、温度、温度T和比容和比容v来描述气体所处的来描述气体所处的状态，所以，状态，所以，p、T、v称为气体的状态参数。因这三个量可以称为气体的状态参数。因这三个量可以直接或间接地用仪器测量出来，故
5、又称为基本状态参数。直接或间接地用仪器测量出来，故又称为基本状态参数。（一）压力（一）压力p 压力（即压强）是指气体垂直作用在容器壁单位面积上压力（即压强）是指气体垂直作用在容器壁单位面积上的力，也就是气体的绝对压力（绝对压强）。用压力表测得的力，也就是气体的绝对压力（绝对压强）。用压力表测得的压力称为表压力（表压强），也称为相对压力（相对压的压力称为表压力（表压强），也称为相对压力（相对压强）。而在理论计算时，往往用绝对压力，压力的单位为强）。而在理论计算时，往往用绝对压力，压力的单位为N/m2（Pa）。）。（二）温度（二）温度T 温度是表示物体冷热程度的参数。温度的高低，反映了温度是表示物
6、体冷热程度的参数。温度的高低，反映了气体内部大量分子热运动的强弱程度。测量温度的标尺称为气体内部大量分子热运动的强弱程度。测量温度的标尺称为温标。目前我国采用两种温标，即摄氏温标温标。目前我国采用两种温标，即摄氏温标t（）和绝对温）和绝对温标标T（K），其关系为：），其关系为：Tt+273。在热力学计算中，采用的是热力学温度，即绝对温度。在热力学计算中，采用的是热力学温度，即绝对温度。（三）比容（三）比容v 比容是指单位质量的气体所占有的容积，单位为比容是指单位质量的气体所占有的容积，单位为m3/kg。显然，比容的倒数就是密度显然，比容的倒数就是密度 1二、理想气体状态方程式二、理想气体状态方
7、程式 反映反映p、V（v）、）、T之间关系的方程式称为气体的状之间关系的方程式称为气体的状态方程式。态方程式。（一）波义耳（一）波义耳马略特定律马略特定律 一定量的气体，当温度保持不变时，其体积和压力成一定量的气体，当温度保持不变时，其体积和压力成反比，即反比，即2112ppVV常数pV对对1kg气体而言气体而言 2112pp常数p（二）盖（二）盖吕萨克定律吕萨克定律 一定量的气体，当压力保持不变时，其体积与绝对一定量的气体，当压力保持不变时，其体积与绝对温度成正比，即温度成正比，即 2121TTVV对对1kg气体而言气体而言 2121TT（三）理想气体状态方程式（三）理想气体状态方程式 如下
8、图所示，由状态如下图所示，由状态a到到b，因温度，因温度T1保持不变，故保持不变，故 0211pp1210pp由状态由状态b到到c，因压力，因压力p2保持不变，故保持不变，故 2120TT2210TT则有则有 222111TpTp常数Tp对对1kg气体进行研究时，常数用气体进行研究时，常数用R表示，故表示，故 RTpRTp对于对于Mkg的气体，上式两边应乘以的气体，上式两边应乘以M，得，得 MRTMp即即 MRTpV 三、内能三、内能U 气体的内能气体的内能U是指气体内部所具有的各种能量的总和，是指气体内部所具有的各种能量的总和，其单位是焦耳（其单位是焦耳（J），与功的单位相同。理想气体的内能
9、只），与功的单位相同。理想气体的内能只与温度有关，即通过热传递的方式可改变内能。与温度有关，即通过热传递的方式可改变内能。四、焓四、焓H 焓焓H是指系统内能是指系统内能U和系统的压强和系统的压强p与体积与体积V的乘积之和，的乘积之和，即即HUpV。焓的单位是焦耳（。焓的单位是焦耳（J）。）。1kg介质的焓称为比介质的焓称为比焓。焓。在气体等压变化过程中，常用焓差来表示热交换量，在气体等压变化过程中，常用焓差来表示热交换量，即即HQ。五、熵五、熵 熵是指气体由一个状态转变为另一个状态后的改变程熵是指气体由一个状态转变为另一个状态后的改变程度（即无序度）。在可逆转变过程中，熵的改变是零；在度（即无
10、序度）。在可逆转变过程中，熵的改变是零；在不可逆转变过程中，熵总是增加的。例如，空压机中，气不可逆转变过程中，熵总是增加的。例如，空压机中，气体压缩过程中伴有热量损失，其熵值就是增加的。熵的增体压缩过程中伴有热量损失，其熵值就是增加的。熵的增加值越小，说明热量损失就越小，空压机的效率就越高。加值越小，说明热量损失就越小，空压机的效率就越高。六、热力学第一、第二定律六、热力学第一、第二定律（一）热力学第一定律（一）热力学第一定律 WUUQ12 热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力工程中的热力学第一定律是能量守恒与转换定律在热力工程中的具体应用，即热能与机械能可以相互转换，但转换前后的总具体应
11、用，即热能与机械能可以相互转换，但转换前后的总能量保持不变，其数学表达式为：能量保持不变，其数学表达式为：上式表明：系统从外界吸收的热量一部分使系统内能增上式表明：系统从外界吸收的热量一部分使系统内能增加，另一部分则用来对外做功。加，另一部分则用来对外做功。（二）热力学第二定律（二）热力学第二定律 热力学第二定律指出在热能转变为机械能的循环中，必热力学第二定律指出在热能转变为机械能的循环中，必须有两个不同的热源，同时热量不能自发地从低温热源传递须有两个不同的热源，同时热量不能自发地从低温热源传递给高温热源。给高温热源。七、气体的比热容七、气体的比热容 比热容简称为比热，是指单位质量的气体，温度
12、变化比热容简称为比热，是指单位质量的气体，温度变化1K时吸收或放出的热量。时吸收或放出的热量。气体比热值的大小与气体和外界进行热交换时的条件有气体比热值的大小与气体和外界进行热交换时的条件有关，即与热力过程有关。若吸（放）热是在气体容积不变的关，即与热力过程有关。若吸（放）热是在气体容积不变的情况下进行的，则称为定容比热，用符号情况下进行的，则称为定容比热，用符号CV表示，单位为表示，单位为J/（kgK）；若吸（放）热是在气体压力不变的情况下进行的，）；若吸（放）热是在气体压力不变的情况下进行的，则称为定压比热，用符号则称为定压比热，用符号Cp表示，单位为表示，单位为J/（kgK）。根据）。根
13、据比热定义有：比热定义有：12TTQCVV12TTQCpp 气体的比热容一般随温度的升高而增加。在工程计算中，气体的比热容一般随温度的升高而增加。在工程计算中，为了简便起见，常常使用在一定温度范围内的平均比热。对为了简便起见，常常使用在一定温度范围内的平均比热。对于空气，一般于空气，一般CV718J/（kgK），），Cp1005J/（kgK）。）。在热工计算中，还常用到在热工计算中，还常用到Cp和和CV的比值，这个比值称为的比值，这个比值称为气体的绝热指数，用气体的绝热指数，用k表示，即表示，即 VpCCk 八、理想气体状态的变化过程八、理想气体状态的变化过程 能量的转换必须通过气体状态的不断
14、改变才能实现，这能量的转换必须通过气体状态的不断改变才能实现，这种气体状态的连续改变称为气体状态的变化过程（热力过种气体状态的连续改变称为气体状态的变化过程（热力过程）。气体的状态经过一系列变化后，又回到初始状态的变程）。气体的状态经过一系列变化后，又回到初始状态的变化过程，称为循环过程，简称为循环。化过程，称为循环过程，简称为循环。（一）等容过程（一）等容过程 在气体容积保持不变的情况下，气体状态的变化过程在气体容积保持不变的情况下，气体状态的变化过程称为等容过程，其过程方程式为：称为等容过程，其过程方程式为：V（v）常数）常数 根据理想气体状态方程式根据理想气体状态方程式pVMRT可得，一
15、定量的气可得，一定量的气体，在等容过程中，气体状态参数的变化关系为：体，在等容过程中，气体状态参数的变化关系为：1212TTpp 上式表明：在等容过程中，气体的压力上式表明：在等容过程中，气体的压力与它的热力学温度成正比。与它的热力学温度成正比。在在pV（v）图上，等容过程可用一条垂）图上，等容过程可用一条垂直于直于V轴的直线表示，如右图所示，线轴的直线表示，如右图所示，线12表表示等容加热过程，线示等容加热过程，线12表示等容冷却过程。表示等容冷却过程。在等容过程中，因在等容过程中，因V常数，故气体对外所做的膨胀常数，故气体对外所做的膨胀功功W0，在此过程中，气体吸收或放出的热量为：，在此过
16、程中，气体吸收或放出的热量为：)(121212TTCUUWUUQVV即在等容过程中，气体吸收（或放出）的热量全部用于增即在等容过程中，气体吸收（或放出）的热量全部用于增加（或减少）气体的内能。加（或减少）气体的内能。（二）等压过程（二）等压过程 在压力保持不变的情况下，气体状态的变化过程称为在压力保持不变的情况下，气体状态的变化过程称为等压过程，其过程方程式为：等压过程，其过程方程式为：p常数常数 由理想气体状态方程式由理想气体状态方程式pVMRT可得，一定量的气体，可得，一定量的气体，在等压过程中，气体状态参数的变化关系为：在等压过程中，气体状态参数的变化关系为：1212TTVV 上式表明：
17、在等压过程中，气体的容上式表明：在等压过程中，气体的容积与它的热力学温度成正比。积与它的热力学温度成正比。在在pV（v）图上，等压线是一条平行）图上，等压线是一条平行于于V轴的直线，如右图所示，线轴的直线，如右图所示，线12表示气表示气体的等压膨胀过程，线体的等压膨胀过程，线12表示气体的等表示气体的等压压缩过程。压压缩过程。在定压膨胀过程中，气体对外界做功等于在定压膨胀过程中，气体对外界做功等于12线下的面积，即线下的面积，即)()(1212TTMRVVpWp此过程中，气体吸收的热量此过程中，气体吸收的热量Qp为：为：)(12TTMCQpp此热量也可写为：此热量也可写为：)()()(1212
18、1212TTRCMTTMRTTMCWUUQVVpp比较上述两式可知：比较上述两式可知：RCCVp（三）等温过程（三）等温过程 在温度一定的情况下，气体状态的变化过程称为等温过在温度一定的情况下，气体状态的变化过程称为等温过程，其过程方程式为：程，其过程方程式为：T常数常数 由理想气体状态方程由理想气体状态方程pVMRT可得，一定量的气体，在可得，一定量的气体，在等温过程中，气体状态参数的变化关系为：等温过程中，气体状态参数的变化关系为：2211VpVp 上式表明：在等温过程中，气体的压上式表明：在等温过程中，气体的压力与它的容积成反比。力与它的容积成反比。在在pV（v）图上，等温过程是一条以）
19、图上，等温过程是一条以坐标轴为渐近线的等边双曲线，如右图所坐标轴为渐近线的等边双曲线，如右图所示，线示，线12表示等温膨胀过程，线表示等温膨胀过程，线12表示表示等温压缩过程。等温压缩过程。在等温膨胀过程中，气体对外做功等于在等温膨胀过程中，气体对外做功等于12线下的面积，线下的面积，即即 21111211121111lg303.2lg303.2lndd2121ppVpVVVpVVVpVVVpVpWVVVVT 在此过程中，因温度不变，气体的内能变化在此过程中，因温度不变，气体的内能变化UU2U10，所以气体吸收的热量为：，所以气体吸收的热量为：TTTWWUUQ12 上式表明，理想气体在等温过程
20、中，因温度不变，内能上式表明，理想气体在等温过程中，因温度不变，内能也不变；气体膨胀时，从外界获得的热量全部用于对外膨胀也不变；气体膨胀时，从外界获得的热量全部用于对外膨胀做功；压缩气体时，所作的压缩功全部转为热量向外释放出做功；压缩气体时，所作的压缩功全部转为热量向外释放出去。去。（四）绝热过程（四）绝热过程 在与外界没有热量交换的情况下，气体状态的变化过在与外界没有热量交换的情况下，气体状态的变化过程称为绝热过程。实际上，真正的绝热过程是不存在的，程称为绝热过程。实际上，真正的绝热过程是不存在的，但在过程进行中，气体与外界交换的热量很小以致可忽略但在过程进行中，气体与外界交换的热量很小以致
21、可忽略或来不及交换时，可近似当作绝热过程。其过程方程式为：或来不及交换时，可近似当作绝热过程。其过程方程式为：Q0 绝热过程的气体状态参数关系为：绝热过程的气体状态参数关系为：pVk常数常数 根据理想气体状态方程式根据理想气体状态方程式 和绝热过程方程和绝热过程方程式式 ，可以得到下面一组反映绝热过程中，气体，可以得到下面一组反映绝热过程中，气体状态参数之间关系的方程式：状态参数之间关系的方程式：222111TVpTVpkkVpVp2211kVVpp122111221kVVTTkkppTT12121 在在pV（v）图上，绝热线是一条以坐）图上，绝热线是一条以坐标轴为渐近线的不等边双曲线，如右图
22、所标轴为渐近线的不等边双曲线，如右图所示，线示，线12表示绝热膨胀过程，线表示绝热膨胀过程，线12表示表示绝热压缩过程。绝热压缩过程。在绝热膨胀过程中，气体对外做功等于在绝热膨胀过程中，气体对外做功等于12线下的面积，线下的面积，即即 121111111dd2121kVVkkVVVVkVpVVVpVpW221121121111111VpVpkMRTMRTkTTkMRT在绝热过程中，在绝热过程中，Q0，于是有：，于是有：012WUUQ21UUW 上式表明，在绝热过程中，气体膨胀时，将消耗上式表明，在绝热过程中，气体膨胀时，将消耗本身的内能来对外做功；压缩气体时，其压缩功将全本身的内能来对外做功；
23、压缩气体时，其压缩功将全部用于增加气体的内能。部用于增加气体的内能。（五）多变过程（五）多变过程 所有气体状态参数同时发生变化的过程称为多变过程。所有气体状态参数同时发生变化的过程称为多变过程。其过程方程式为：其过程方程式为：pVn常数常数 n为多变指数，其值可以是为多变指数，其值可以是到到内的任何实数。这内的任何实数。这说明多变过程有无限多个，但都必须按照说明多变过程有无限多个，但都必须按照pVn常数的规律常数的规律进行状态变化。所以，前述的等容、等压、等温、绝热四个进行状态变化。所以，前述的等容、等压、等温、绝热四个过程都是多变过程的特殊形式过程都是多变过程的特殊形式。在热力机械中，常见热
24、力过程的多变指数在热力机械中，常见热力过程的多变指数n一般均在一般均在1k范围内变化。范围内变化。当当n在在1k范围内变化时，多变过程曲线与其他四范围内变化时，多变过程曲线与其他四种基本过程曲线的相关位置如下图所示。种基本过程曲线的相关位置如下图所示。由于多变过程方程式由于多变过程方程式pVn常数和绝热过程方程式常数和绝热过程方程式pVk常数的形式相同，因此，绝热过程中计算功的公式和各种状常数的形式相同，因此，绝热过程中计算功的公式和各种状态参数间的关系式，都可应用到多变过程中，只需将态参数间的关系式，都可应用到多变过程中，只需将k换成换成n即可。故即可。故)(1)(11212211TTnMR
25、VpVpnWnVVpp122111221nVVTTnnppTT12121多变过程中的热量为：多变过程中的热量为：)()(11212TTCTTnknCQnV本章小结本章小结 （一）矿山压缩空气设备概述（一）矿山压缩空气设备概述 1矿山压气设备主要由空压机、拖动电动机、附属装矿山压气设备主要由空压机、拖动电动机、附属装置（滤风器、风包、冷却装置等）和输气管路等组成。置（滤风器、风包、冷却装置等）和输气管路等组成。2按作用原理不同，工业上使用最广泛的空压机可分按作用原理不同，工业上使用最广泛的空压机可分为容积型和速度型两大类。为容积型和速度型两大类。（二）热力学基础知识（二）热力学基础知识 1在热力
26、学中，压力在热力学中，压力p、温度、温度T、比容、比容v称为气体的状态称为气体的状态参数。参数。2质量为质量为1kg和和Mkg的理想气体状态方程式分别为：的理想气体状态方程式分别为：RTpMRTpV 3气体的内能气体的内能U是指气体内部所具有的各种能量的总是指气体内部所具有的各种能量的总和。和。4焓焓H是指系统内能是指系统内能U和系统的压强和系统的压强p与体积与体积V的乘积的乘积之和，即之和，即HUpV。5熵是指气体由一个状态转变为另一个状态后的改变熵是指气体由一个状态转变为另一个状态后的改变程度（即无序度）。程度（即无序度）。6热力学第一定律：热能与机械能可以相互转换，但热力学第一定律：热能
27、与机械能可以相互转换，但转换前后的总能量保持不变；热力学第二定律：在热能转变转换前后的总能量保持不变；热力学第二定律：在热能转变为机械能的循环中，必须有两个不同的热源，同时热量不能为机械能的循环中，必须有两个不同的热源，同时热量不能自发地从低温热源传递给高温热源。自发地从低温热源传递给高温热源。7比热容是指单位质量的气体，温度变化比热容是指单位质量的气体，温度变化1K时吸收或时吸收或放出的热量。放出的热量。1212TTpp 8一定量的气体，在等容过程中，气体状态参数的变一定量的气体，在等容过程中，气体状态参数的变化关系为化关系为 在等压过程中，气体状态参数的变化关系为在等压过程中，气体状态参数的变化关系为 1212TTVV在等温过程中，气体状态参数的变化关系为在等温过程中，气体状态参数的变化关系为 2211VpVp在绝热过程中，气体状态参数之间关系为在绝热过程中，气体状态参数之间关系为 kVVpp122111221kVVTTkkppTT12121 等容、等压、等温、绝热四个过程都是多变过程的特殊等容、等压、等温、绝热四个过程都是多变过程的特殊形式，绝热过程中计算功的公式和各种状态参数间的关系式，形式，绝热过程中计算功的公式和各种状态参数间的关系式，都可应用到多变过程中，只需将都可应用到多变过程中，只需将k换成换成n即可。即可。
