《工程熱力學(xué)》PPT課件.ppt

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1 4 1分析熱力過程的目的及一般方法4 2絕熱過程4 3多變過程的綜合分析4 4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功4 5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響4 6多級壓縮及中間冷卻 第四章理想氣體的熱力過程及氣體壓縮 2 一 分析熱力過程的目的 思路和依據(jù) 1 研究目的 能量轉(zhuǎn)換情況 影響因素2 研究思路 3 研究依據(jù) 熱力學(xué)第一定律 理想氣體狀態(tài)方程 4 1分析熱力過程的目的及一般方法 二 理想氣體熱力過程中相關(guān)物理量的計算 1 熱力學(xué)能的變化 2 焓的變化 3 熵的單位 可逆微元過程 3 熵的變化 4 1分析熱力過程的目的及一般方法 4 熱力過程的熵變 注意 1 由上述3式可知 熵是狀態(tài)參數(shù) 但熵不是溫度的單值函數(shù) 2 上述3式由理想氣體的可逆過程導(dǎo)出 也適用于理想氣體的不可逆過程 4 1分析熱力過程的目的及一般方法 5 例4 1 某理想氣體在剛性絕熱容器內(nèi)作自由膨脹 求 s1 2 解 由熱力學(xué)第一定律 6 三 熱力過程的分析步驟 1 根據(jù)熱力過程特征建立過程方程式 2 根據(jù)過程方程式及狀態(tài)方程確定初終態(tài)參數(shù)的關(guān)系 3 將過程表示在p v圖和T s圖上 并進(jìn)行定性分析 4 計算熱力過程的功量和熱量 4 1分析熱力過程的目的及一般方法 注意 熱力過程中工質(zhì)狀態(tài)變化和能量轉(zhuǎn)換規(guī)律與是否流動無關(guān) 只取決于過程特性 因此 本章的內(nèi)容適用于閉口系統(tǒng)的可逆過程和開口系統(tǒng)的可逆穩(wěn)態(tài)穩(wěn)流過程 7 4 2絕熱過程 絕熱過程 q 0的熱力過程 注意 q 0與q 0的區(qū)別 1 過程方程式 近似式 可逆絕熱過程 為定熵過程 8 2 初 終態(tài)參數(shù)間的關(guān)系 3 p v圖和T s圖 p v圖上為一高次雙曲線 斜率為 4 功量和熱量 4 2絕熱過程 9 絕熱 理想氣體 定熱容 理想氣體 定熱容 定熵過程 因此 定熵過程的技術(shù)功是膨脹功的 倍 小結(jié) 1 過程方程式 功的表達(dá)式均為近似式 2 膨脹功和技術(shù)功的表達(dá)式可以由功的定義式得到 3 膨脹功與技術(shù)功的關(guān)系可以由過程方程式得到 4 2絕熱過程 10 4 3多變過程的綜合分析 一 可逆多變過程 發(fā)動機(jī)工作時氣缸壓力與體積的關(guān)系 1 定義 許多熱力過程可以近似用式表示 該過程稱為多變過程 n稱為多變指數(shù) n 0 p為常數(shù) 定壓過程 n 1 pv為常數(shù) 定溫過程 n pv 為常數(shù) 定熵過程 n v為常數(shù) 定容過程 11 2 初 終態(tài)參數(shù) 多變指數(shù) 3 p v圖和T s圖 圖的形狀取決于p和v T和s 的關(guān)系式 p v圖上各點(diǎn)的斜率 T s圖上各點(diǎn)的斜率 4 3多變過程的綜合分析 12 4 功量和熱量 注意多變過程比熱容的正負(fù) 4 3多變過程的綜合分析 13 1 過程方程式 v 常數(shù) 2 初 終態(tài)參數(shù) 3 p v圖和T s圖 4 功量和熱量 定容過程 如 氣缸內(nèi)工質(zhì)的迅速燃燒 剛性容器內(nèi)的熱力過程 14 定壓過程 1 過程方程式 p 常數(shù) 2 初 終態(tài)參數(shù) 3 p v圖和T s圖 4 功量和熱量 如 燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的定壓加熱和放熱 熱交換器內(nèi)的熱力過程 思考 T s圖上任兩條定壓線的關(guān)系 15 1 過程方程式 T 常數(shù)或pv 常數(shù) 2 初 終態(tài)參數(shù) 3 p v圖和T s圖 4 功量和熱量 p v圖上為一等邊雙曲線 斜率為 思考 能否用來計算定溫過程的熱量 定溫過程 如 吸熱汽化過程 冷卻及時的壓縮過程 16 5 多變過程在坐標(biāo)圖上的定性分析 小結(jié) 1 多變指數(shù)n按順時針方向逐漸增大 2 n 0的情形實(shí)際意義不大 一般不予討論 3 某一多變過程在兩圖上的對應(yīng)表示 4 3多變過程的綜合分析 17 6 多變過程特性判定 判斷功量 熱量和 u 或 h 的正負(fù) 膨脹功 p v圖上 定容線右方為正 左方為負(fù) T s圖上 定容線右下方為正 左上方為負(fù) 技術(shù)功 p v圖上 定壓線下方為正 上方為負(fù) T s圖上 定壓線右下方為正 左上方為負(fù) 4 3多變過程的綜合分析 18 熱量 T s圖上 定熵線右方為正 左方為負(fù) p v圖上 定熵線右上方為正 左下方為負(fù) 熱力學(xué)能或焓的變化 T s圖上 定溫線上方為正 下方為負(fù) p v圖上 定溫線右上方為正 左下方為負(fù) 4 3多變過程的綜合分析 19 作圖分析 第一類 多變過程分析 在p v圖和T s圖上表示給定的多變過程 分析功量 熱量 熱力學(xué)能 焓 變化的正負(fù) 例4 2 圖示 1 4的某氣體 n 1 2的多變放熱過程 圖示工質(zhì)壓縮且吸熱的多變過程 第二類 在p v圖和T s圖上表示功量 熱量 熱力學(xué)能或焓的變化 例4 3 1 在T s圖上表示定熵過程的w和wt 2 在p v圖和T s圖上表示任意兩點(diǎn)間的 u和 h 3 在p v圖上表示定壓過程的熱量 4 3多變過程的綜合分析 20 例4 4 氣缸中裝有0 3m3氧氣 初態(tài)為t1 45 p1 1 032bar 先在定壓條件下對氧氣加熱 然后再定容冷卻到初溫45 已知氧氣的最終壓力為0 588bar 氣體常數(shù)為259 8J kg K 比定壓熱容為0 91kJ kg K 試分別求兩個過程中加入的熱量 熱力學(xué)能和焓的變化及所作的功 解 先求氧氣的質(zhì)量 設(shè)初態(tài)為1 定壓加熱后狀態(tài)為2 定容冷卻后狀態(tài)為3 狀態(tài)3為 狀態(tài)2為 21 定壓過程 定容過程 22 例題4 5 體積0 15m3的儲氣罐內(nèi)裝p1 0 55MPa t1 38 C的氧氣 現(xiàn)對其加熱 溫度壓力將升高 罐上裝有壓力控制閥 當(dāng)壓力超過0 7MPa時閥門自動打開放走部分氧氣 使罐中維持壓力0 7MPa 問當(dāng)罐內(nèi)溫度為285 C時 罐內(nèi)氧氣共吸收多少熱量 氧氣熱容cv 0 677kJ kg K cp 0 917kJ kg K 解 過程分為兩個部分 定容和定壓 定容過程 罐內(nèi)氧氣的質(zhì)量為 則定容過程吸收熱量為 23 定壓過程 罐中氧氣質(zhì)量和溫度不斷變化 取一微元過程 24 4 4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功 壓氣機(jī) 消耗機(jī)械能來生產(chǎn)壓縮氣體的設(shè)備 不是動力機(jī)械 壓氣機(jī)中進(jìn)行的是熱力過程 不是循環(huán) 25 活塞式壓氣機(jī) 葉輪式 軸流式 葉輪式 離心式 4 4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功 26 一 工作原理1 工作過程 吸氣過程 f 1 傳輸流動功壓縮過程 1 2 消耗體積變化功排氣過程 2 g 傳輸流動功 壓氣機(jī)的耗功量 4 4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功 27 2 壓縮過程的類型定熵壓縮 過程快 忽略換熱定溫壓縮 過程慢 散熱條件好多變壓縮 介于上述兩者之間 二 壓氣機(jī)的理論耗功量 定熵壓縮 可逆定溫壓縮 4 4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功 28 可逆多變壓縮 結(jié)論 2 應(yīng)盡量減少壓縮過程的多變指數(shù) 使過程接近定溫壓縮 思考 用手動打氣筒向自行車輪胎充氣時用濕毛巾包在打氣筒外壁 會有什么后果 1 相同條件下 4 4壓氣機(jī)的理論壓縮軸功 29 4 5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響 一 余隙容積 余隙 活塞運(yùn)動到左死點(diǎn)時與氣缸蓋的間隙 活塞排量 活塞運(yùn)動過程中掃過的容積 V1 V3 余隙容積 活塞左死點(diǎn)與氣缸蓋間隙的容積 V3 余隙百分比 30 二 余隙容積的影響 1 對壓縮氣體生產(chǎn)量的影響有效吸氣量 V1 V4 容積效率 有效吸氣量與活塞排量的比值 它反映了活塞排量的有效利用程度及壓氣機(jī)生產(chǎn)氣體的能力 4 5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響 31 假設(shè)氣體壓縮過程和余隙內(nèi)氣體的膨脹過程均為多變過程 且多變指數(shù)相同 則 結(jié)論 1 升壓比和多變指數(shù)一定時 余隙百分比越大 容積效率越小 2 余隙百分比和多變指數(shù)一定時 升壓比越大 容積效率越小 4 5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響 32 2 對理論耗功量的影響 結(jié)論 生產(chǎn)質(zhì)量相同 初狀態(tài)相同 升壓比相同的壓縮氣體 余隙對耗功量沒有影響 因此 在分析理論耗功量時 可以不考慮余隙的影響 4 5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響 33 3 小結(jié) 1 余隙本身不但不能被利用 還使得另一部分活塞排量不能被利用 且這部分排量隨著升壓比的增加而增加 當(dāng)要獲得較高壓力的氣體時 必須采用多級壓縮 2 余隙的存在雖然使壓縮過程處理的氣體量增加了 從而使得壓縮過程的耗功量增加 但是由于余隙內(nèi)高壓氣體的膨脹對外作功 最終使得壓氣機(jī)的耗功量沒有增加 3 氣體生產(chǎn)量 轉(zhuǎn)速 r min 有效吸氣量 4 5活塞式壓氣機(jī)的余隙影響 34 4 6多級壓縮及中間冷卻 一 工作原理一級壓縮 e 1吸氣 1 2壓縮 2 f排氣 定壓冷卻 f 2進(jìn)氣 2 2 冷卻 2 f排氣 二級壓縮 f 2 吸氣 2 3壓縮 3 g排氣 優(yōu)點(diǎn) 節(jié)省耗功量 降低排氣溫度 35 二 中間壓力以兩級壓縮為例 假設(shè)中間冷卻使氣體溫度降至進(jìn)氣溫度 兩級壓縮多變指數(shù)相同 則 4 6多級壓縮及中間冷卻 36 小結(jié) 對理想的多級壓縮 有以下規(guī)律 1 各級壓縮的升壓比相等 2 各級壓氣機(jī)的排氣溫度相等 3 各級壓氣機(jī)的耗功量相等 4 各級壓縮過程的放熱量相等 4 6多級壓縮及中間冷卻 37 8 若分級數(shù)m 則趨于定溫壓縮 但由于體積龐大 系統(tǒng)復(fù)雜 可靠性下降 一般為2 4級 7 各級壓氣機(jī)的容積效率均大于同條件下單級壓縮的容積效率 使得總?cè)莘e效率提高 4 6多級壓縮及中間冷卻 6 各級壓氣機(jī)的氣缸容積等比例遞減 5 各級冷卻器的放熱量相等 q cp T 38 1 定溫效率活塞式壓氣機(jī)定溫壓縮所消耗功與實(shí)際壓縮所消耗功的比值 4 6多級壓縮及中間冷卻 三 實(shí)際效率 2 絕熱壓縮效率可逆絕熱壓縮消耗功與不可逆絕熱壓縮消耗功的比值 39 例題4 6 已知空氣初態(tài)為p1 0 1MPa t1 20 經(jīng)過三級壓縮后壓力提高到12 5MPa 假設(shè)氣體進(jìn)入各級氣缸時溫度相同 各級間壓力按最佳狀況確定 且各級壓縮多變指數(shù)均為1 25 試求 1 生產(chǎn)1kg壓縮空氣的耗功量及各級排氣溫度 2 如采用單級壓縮 終壓和多變指數(shù)不變 則所需耗功量和排氣溫度又是多少 4 6多級壓縮及中間冷卻