理想气体的热力过程及气体压缩课件.ppt

1、本章目录本章目录4.1研究热力过程的目的及一般方法研究热力过程的目的及一般方法4.2 定容、定压和定温过程定容、定压和定温过程4.3 定熵过程定熵过程4.4 多变过程多变过程4.5 压气机的热力过程压气机的热力过程4.6 活塞式活塞式压气机余隙容积的影响压气机余隙容积的影响4.7 多级压缩及中间冷却多级压缩及中间冷却（1）过程方程、状态参数间的关系）过程方程、状态参数间的关系（2）热力过程在坐标图上表示）热力过程在坐标图上表示（3）过程）过程u、h和和s（4）过程中的功量和热量）过程中的功量和热量对每个热力过程，都是从以下几方面来分析的：1、研究热力过程的目的、研究热力过程的目的实现预期的能量

2、转化，合理安排热力过程，从实现预期的能量转化，合理安排热力过程，从而提高动力装置的热经济性。而提高动力装置的热经济性。对确定的过程，也可计算热、功多少。对确定的过程，也可计算热、功多少。4.1研究热力过程的目的及一般方法研究热力过程的目的及一般方法5 2、研究热力过程的步骤研究热力过程的步骤求出求出过程方程过程方程p=f(v)及计算各过程初、终态参数。及计算各过程初、终态参数。确定过程中功和热转化的数量关系。确定过程中功和热转化的数量关系。画出过程的画出过程的p-v图及图及T-s图，帮助直观分析过程中图，帮助直观分析过程中 参数间关系及能量关系。参数间关系及能量关系。计算过程中的内能、焓、熵的

3、变化计算过程中的内能、焓、熵的变化3、研究热力过程的方法和依据、研究热力过程的方法和依据热一律解析式，可逆过程热一律解析式，可逆过程理想气体性质理想气体性质(2)理想气体理想气体p pvv()()cpvRTccRkcuf Thf T(1)热一律热一律tqduwdhwswzgchq221dTcuV21dTchp211212lnlnvvRTTcsV1212lnlnppRTTcsp21Tqs为定值比热容，则若pc为定值比热容，则若Vc(3)可逆过程可逆过程t wpdvwvdp qTds8 4.2 定容、定压和定温过程定容、定压和定温过程1、定容过程（、定容过程（v=常数）常数）12g 1g21212

4、1212nvvR TR TppvvppTT（1）状态参数间的关系）状态参数间的关系（2）热力过程在坐标图上表示）热力过程在坐标图上表示1212TTpp9（3）定容过程定容过程u、h和和s121212lnlnlnTTcvvRTTcsVV)(12TTcTcuVV)(12TTcTchpp为定值比热容，则、若pVcc（4）定容过程中的功量和热量）定容过程中的功量和热量uwuqV11 2、定压过程（、定压过程（p=常数）常数）12g 1g2121212120nppR TR TvvppvvTT（1）状态参数间的关系）状态参数间的关系（2）热力过程在坐标图上表示）热力过程在坐标图上表示12 VVVVcTds

5、dTdTcTdsdTcpdvdTcwduq即pppptcTdsdTdTcTdsdTcvdpdTcwdhq即定容过程：定容过程：定压过程：定压过程：定容线的斜率大于定压线的斜率，即定容线定容线的斜率大于定压线的斜率，即定容线比定压线陡。比定压线陡。Vpcc（3）求定压过程）求定压过程u、h和和s)(12TTcTcuVV)(12TTcTchpp为定值比热容，则、若pVcc121212lnlnlnTTcppRTTcspp（4）求定压过程中的热量和功量）求定压过程中的热量和功量1221hhhvdphqp15 3、定温过程、定温过程121 122121122gg1nTTp vp vTTp vp vRR（

6、1）状态参数间的关系）状态参数间的关系（2）热力过程在坐标图上表示）热力过程在坐标图上表示？16（3）求定温过程）求定温过程u、h和和s0u0h21121212lnlnlnlnppRppRppRTTcsp121212lnlnlnvvRvvRTTcsV17 222g 1111ddlnvpvwp vvR Tvv222g 1111ddlntpvpwv pvR Tpp ttquwhwqww （4）求定温过程中的热量和功量）求定温过程中的热量和功量4.3 4.3 定熵定熵过程过程Tqdsrev绝热绝热可逆可逆说明说明:不能说不能说绝热绝热过程就是过程就是定熵定熵过程过程,必须是必须是可逆绝热可逆绝热过程

7、才是过程才是定熵定熵过程。过程。1、定义、定义0dsS三个条件三个条件:(1)理想气体理想气体 (2)可逆过程可逆过程 (3)k 比热容比或绝热指数比热容比或绝热指数，为常数。为常数。2 定熵定熵过程方程过程方程常数kpv000)0)(,0pdpvdvccpvcvdpcpdvcvdpcpdvRcpdvRvdppdvcpdvRpvdcRpvTpdvdTcpdvduqVpVVpVVVVV两边同除以或即（代入上式得：由于Vpcck 如果近似的把比热容当作定值，则比热容比也是定值。常数常数常数kkpvpvpvklnlnlnconstpvk3、理想气体、理想气体 s 的的各参数之间的关系各参数之间的关系

8、kppvv11221222111TvpTvp11()kkkpvpv vRTvconst1kTvconst11()kkkkkkp vRTpvconstppkvvpp)(211212112)(kvvTTkkkppppvpvpTT112111211221221 4、等熵过程在坐标图上表示、等熵过程在坐标图上表示kvvpp)(211212112)(kvvTT理想气体可逆绝热膨胀时，p和T都降低。22 5、等熵过程、等熵过程u、h和和s)(12TTcTcuVV)(12TTcTchpp为定值比热容，则、若pVcc0s23 6、等熵过程、等熵过程w，wt和和q或或uqw0kkkkkkkkkppkRTTTkR

9、TTkvpvvkvpvvkvpvdvvpdvvCpdvw112121121112111121111121211211111111111124 hqwt00q25 4.4 多变过程多变过程1、过程方程、过程方程常数npvCTCpv或,Cpvkn多变指数，不同的多变过程有不同的多变过程有不同的n值，每个值，每个n值代表一个多变过值代表一个多变过程程。其中当其中当n取以下几种数值时，将代表理想气体的四个典型热力过程。(1)当当 n=0时时，(2)当当 n=1时时，(3)当当 n=k时时，(4)当当 n=时时，Cvpvpn01Cppv0pTSV26 2、多变指数n的求取常数npv常数nnvpvp221

10、1nvvpp21122112lnlnvvnpp)ln()/ln(2112vvppn 已知多变过程线上两点,),(),(2211vpvp和27 3、多变过程的分析（1）初、终参数关系式nnnppvvTT11212112)(11)(1221121vpvpnTTnRw)(1)(1221121vpvpnnTTnnRnwwt（2）多变过程膨胀功（3）多变过程技术功kkkppvvTT11212112常数npv常数kpv28)()(1)(11)()(1)(121221122112TTcTTcnknTTcnkTTcTTnRTTcqnVVVVn1kRcV（4）多变过程的）多变过程的热量热量及及多变比热容多变比热

11、容对于理想气体：对于理想气体：Vncnknc1多变比热容为负值。时，当nckn 1wuq任何工质、任何过程29（5）在）在p-v图及图及T-s图上表示图上表示图43多变过程p-v图 四个基本热力过程是多变过程的特例，借助于其在坐标图上的相对位置，便可确定n为任意值的多变过程线的大致位置。cpvn01dvnpvdpvnn0npdvvdpvpndvdp0,1vpdvdpn0,vpkdvdpknTS比陡（在p-v上）。n越大，在p-v图上，过程线的斜率的绝对值越大。30（5）在）在p-v图及图及T-s图上表示图上表示图43多变过程T-s图 在T-s图上，通过同一状态的定容线斜率大于定压线斜率，即定容

12、线比定压线陡（前面已证明）。31（6）多变过程多变过程u、h和和s 1212lnlnvvcppcpV为定值比热容，则、若pVcc)(12TTcTcuVV)(12TTcTchpp32（7）多变多变的判断、过程中uwq为分界的正负的判断以定熵线q为分界的正负的判断以定温线u图43多变过程p-v图 图43多变过程T-s图 为分界的正负的判断以定容线w 解 将过程123表示在P-V图上，如图45所示。Kkg/J8.259R 各状态点基本参数：kg/m8.0102.103452738.25933111pRTv,13TTvpvp1133kg/m40.1108.588.0102.1031333313pvpv

13、 因为因为 ,12ppkg/m40.1332vv 所以所以又因为又因为 所以所以K5.5568.04.13181212vvTTkg4286.02738.2593.0101325000TvpRmKkg/kJ9093.02598.02727Kkg/kJ6495.02598.02525RRccpv 氧气的质量：氧气的质量：氧气的定值比热容：氧气的定值比热容：kJ39.663185.5566495.04286.012TTcvmUkJ95.923185.5569093.04286.012TTcpmH焓变化：焓变化：(1)定压过程定压过程12：热力学能变化：热力学能变化：熵变化：熵变化：K/kJ218.0

14、3185.556ln9093.04286.0ln12TTcpmSkJ95.9221HvdpmHQp热量：热量：膨胀功：膨胀功：kJ56.2639.6695.92UQW焓变化：焓变化：热力学能变化：热力学能变化：熵变化：熵变化：热量：热量：膨胀功：膨胀功：（2）定容过程2-3：kJ39.665.5563186495.04286.023TTcvmHkJ95.925.5563189093.04286.023TTcpmHK/kJ156.05.556318ln6495.04286.0ln23TTcvmSkJ39.66UQv0W由于理想气体热力学能和焓都是温度的单值函数，而过程123中所以,31TT002

15、31213231213HHHUUU 解（1）定温过程）定温过程:K2982527321TT 空气的气体常数空气的气体常数:Kkg/kJ287.0R 膨胀功膨胀功:J3.4741.04.0ln298287.04ln21ppmRTW3.4743.4740WUQ热量热量:29812TT终态温度：终态温度：熵变化：熵变化：J59.11.04.0ln287.04ln21ppmRS 解（2）定熵过程）定熵过程:膨胀功膨胀功:热量热量:终态温度：终态温度：熵变化：熵变化：5.2004.01.02984.114.111212kkppTT8.2795.20029814.1287.04121TTkmRW0Q0S

16、解16.15.0/2ln2.0/1ln/ln/ln2112VVppnkJ6255.01012102.0116.1111133221121VPVpnTTnRmW 多变指数多变指数:压缩功：压缩功：K7.3905.02313116.112112nVVTTkg453.43132872102.06111TVpRmkJ2.2483137.390717.0453.412TTcvmUkJ8.3766252.248WUQK/kJ063.125.0ln287.03137.390ln7174.0453.4lnln1212VVTTcRmSv40 4.5 压气机的热力过程压气机的热力过程41（1）压缩气体的用途：）压

17、缩气体的用途：1、概述、概述（2)压气机分类压气机分类（3）几个基本概念）几个基本概念2、单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量（1）工作原理）工作原理(3)WC取决于初、终态及取决于初、终态及 过程特征过程特征（2）压气机耗功：）压气机耗功：(4)讨论讨论42（1）压缩气体的用途：）压缩气体的用途：u 作为动力，可以驱动各种风动机械、风动工具作为动力，可以驱动各种风动机械、风动工具u冶金炉、锅炉中的鼓风冶金炉、锅炉中的鼓风u大、中型柴油机的启动大、中型柴油机的启动u国防工业中某些武器如导弹、鱼雷的发射，潜水艇的国防工业中某些武器如导弹、鱼雷的发射，潜水艇的沉

18、浮、沉船打捞等。沉浮、沉船打捞等。u各种热能动力装置如内燃机、燃气轮机、航空发动机各种热能动力装置如内燃机、燃气轮机、航空发动机需要高压空气进行强化燃烧和做功。需要高压空气进行强化燃烧和做功。u人工制冷：如氨或氟利昂的压缩。人工制冷：如氨或氟利昂的压缩。u气体的分离，利用气体经压缩、冷却、膨胀而液化。气体的分离，利用气体经压缩、冷却、膨胀而液化。1、概述、概述43（2压气机分类压气机分类活塞式压力高，流量小叶轮式压力低，流量大压头高低压头高低 通风机表压0.115MPa以下鼓风机表压0.1150.35MPa压气机表压0.35MPa以上工作原理工作原理44 上止点、下止点，进气阀、排气阀、行程、

19、内径（3）几个基本概念）几个基本概念余隙容积：活塞处于上止点时，活塞顶面与缸盖之间的空隙。45 2、单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量（1）工作原理）工作原理f-1：吸气，传输推动功p1v1 1-2：压缩，耗外功21 21dwp v2-g：排气，传输推动功p2v2（2）压气机耗功：）压气机耗功：2C1 1221dWpVp Vp V21dtV pW sWHQ因为因为所以至此：理论轴功取决于初、终态及过程特征理论轴功取决于初、终态及过程特征47 3、WC取决于初、终态及取决于初、终态及 过程特征过程特征等温压缩等温压缩出48(3)WC取决于初、终态及取决于初、

20、终态及 过程特征过程特征定熵定熵压缩压缩因为sssWHQ,49(3)WC取决于初、终态及取决于初、终态及 过程特征过程特征多变多变压缩压缩因为50，且终温最高，且终温最高改善压气机的工作性能：改善压气机的工作性能：(4)讨论讨论 解kW77.49W49771101.0106.0ln36001000101.0ln666121121ppVpWVdpTs08kW.65W65077101.0106.0136001000101.014.14.1114.114.166611211kkssppVpWkkkkppTT11212121,TTkkRmWss也可以：nnppTT11212121,TTnnRmWss也

21、可以：-59.86kWW59857101.0106.0136001000101.0125.125.11125.1125.166611211nnnsppVpWnn53 4.6 活塞式压气机活塞式压气机余隙容积的影响余隙容积的影响1、余隙容积、余隙容积clearance volume 2、工作过程、工作过程3、余隙容积对排气量的影响、余隙容积对排气量的影响54 4.6 活塞式压气机活塞式压气机余隙容积的影响余隙容积的影响1、余隙容积、余隙容积clearance volume 原因：原因：防止排气时，活塞壁与气缸壁碰防止排气时，活塞壁与气缸壁碰撞，引起事故。压气机余隙容积的存在，撞，引起事故。压气机

22、余隙容积的存在，则余隙容积残留气体在工作中产生气垫则余隙容积残留气体在工作中产生气垫作用，增强压气机在运行中的平稳性。作用，增强压气机在运行中的平稳性。余隙容积：余隙容积：空气压缩空气压缩机在排气时，活塞位于机在排气时，活塞位于上死点位置，它和气缸上死点位置，它和气缸壁保留一部分空间，这壁保留一部分空间，这些空间叫作些空间叫作余隙容积。余隙容积。55 1-2 质量质量m1气体压缩：气体压缩：p1p2 气体排向储气罐气体排向储气罐3-4气体膨胀气体膨胀p2 p14-1气体吸入气缸气体吸入气缸2、工作过程、工作过程2-3活塞排量活塞排量 Vh=V1V3 余隙容积余隙容积 Vc=V3有效吸气容积有效

23、吸气容积 Ves=V1V4 余隙容积比余隙容积比 C=Vc/Vh3、余隙容积对排气量的影响、余隙容积对排气量的影响（1）几个概念）几个概念57 3、余隙容积对排气量的影响、余隙容积对排气量的影响（1）容积效率）容积效率volumetric efficiency（2）影响）影响一般10-1258 4、余隙容积对理论耗功的影响、余隙容积对理论耗功的影响但有但有59 4.6 多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却(multistagecompressionandinterveningcooling)1、多级压缩和中间冷却、多级压缩和中间冷却2、级间压力确定、级间压力确定3、讨论：、讨论：60 4.6

24、多级压缩和级间冷却多级压缩和级间冷却(multistagecompressionandinterveningcooling)1、多级压缩和中间冷却、多级压缩和中间冷却降低排气温度，降低排气温度，节省功耗。节省功耗。增大容积效率增大容积效率是指气体是指气体依次在几个气缸中依次在几个气缸中连续压缩连续压缩，同时为了避免过，同时为了避免过高的温度和减少气体的比容高的温度和减少气体的比容以降低下一级所消耗的功，以降低下一级所消耗的功，在前在前一级一级压缩后，将气体引压缩后，将气体引入入中间冷却器中间冷却器进行定压冷却进行定压冷却至初始温度，然后进行至初始温度，然后进行下一下一级继续级继续压缩，直到所需

25、要的压缩，直到所需要的压力为止。压力为止。2-5 低压气缸向中间冷却器的排气过程低压气缸向中间冷却器的排气过程5-2冷却后的气体被吸入高压气缸的过程冷却后的气体被吸入高压气缸的过程62 2、级间压力确定、级间压力确定设63 2、级间压力确定、级间压力确定64 65）3、讨论：、讨论：因66）3、讨论：、讨论：67）4、压缩机的效率、压缩机的效率（1）2232211211)()(tpttptwTTcwhqwTTcwhq68（2）69 70 71 72 总结总结 四种典型热力过程：四种典型热力过程：定压过程、定温过程定压过程、定温过程 定容过程、绝热过程定容过程、绝热过程l 多变过程多变过程 应用

26、：应用：压气机的工作原理压气机的工作原理 理想压气机理想压气机 实际压气机实际压气机 多级压气机多级压气机 基本过程的计算是我们的基础，基本过程的计算是我们的基础，要非常清楚，非常熟悉。要非常清楚，非常熟悉。基本要求：基本要求：拿来就会算拿来就会算参见书上参见书上表表41公式汇总公式汇总理想气体基本过程的计算理想气体基本过程的计算0n p-v,T-s图图练习（练习（1）sTvp0n n n 1n 1n nknk压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？压缩、升温、放热的过程，终态在哪个区域？0n p-v,T-s图图练习（练习（2）sTvp0n n n 1n 1n nknk膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？膨胀、降温、放热的过程，终态在哪个区域？0n p-v,T-s图图练习（练习（3）sTvp0n n n 1n 1n nknk膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？膨胀、升温、吸热的过程，终态在哪个区域？本章作业本章作业P81:思考题思考题4-3P82-83：习题4-2、4-6、4-8、4-10、4-13、4-15