工程热力学第8讲-第4章-2典型过程装备中的热力过程

工程热力学第九讲山东大学机械工程学院过程装备与控制工程研究所过程装备与控制工程专业本讲内容4-2典型过程装备中的热力过程4.6压气机中的热力过程•活塞式压气机中的热力过程•叶轮式压气机中的热力过程4.7膨胀机中的热力过程4.8锅炉中的热力过程4.9汽轮机中的热力过程学习要求熟练计算压气机的功（单级活塞式压气机的理论耗功、余隙容积对压气机理论耗功的影响、多级压缩节间冷却耗功计算等）和绝热效率。了解压气机和膨胀机的工作原理。掌握压气机的余隙容积、分级压缩和中间冷却的必要性。熟悉节流膨胀和定熵膨胀的关系。了解锅炉和汽轮机的结构和工作原理。掌握锅炉和汽轮机的相关蒸汽热力过程计算。4.6压气机中的热力过程压气机是生产压缩气体的设备，它不是动力机，而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工作机。压缩气体的用途：动力机、风动工具、制冷工程、化学工业、潜水作业、医疗、休闲等。百万吨级大乙烯要求高可靠性、高寿命的大型离心压气机——单机45,000KW。压气机分类：1.按工作原理和构造：容积式（活塞式或往复式）压气机、速度式（叶轮式或离心式）压气机、特殊引射式压缩器。2.按压缩气体压力范围：通风机（＜110kPa)、鼓风机（110~400kPa)、压气机（400kPa)。（绝压）航空航天用WP7压气机转子--工作叶片、轮盘、轴静子--静子叶片、内外环、机匣往复式压气机当压缩空气时，往往伴随水蒸气凝结。V型空气压缩机注意：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。4.6.1单级活塞式压缩机的结构结构简图主要部件：1、活塞2、气缸3、滤清器4、吸、排气阀5、散热肋片空气进口排入空气瓶中单级活塞式压缩机的工作原理工作原理：f-1：吸气，传输推动功p1v11-2：压缩，耗外功2121dwpv2-g：排气，传输推动功p2v2图中2-3和4-1不是状态变化，而是表示气缸内气体质量的变化。压气机理论耗功：压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机耗功应等于压缩过程耗功与进、排气过程推动功的代数和。压气功的耗量可认为等于技术功。wC取决于初、终态及过程特征。单级活塞式压缩机的理论耗功2C11221dWpVpVpV21dtVpW可能的压气过程1.特别快，来不及换热。绝热过程2.特别慢，热全散走。定温过程3.实际压气过程是多变过程2p1p1T2n2s2pvT2n21Ts1ps22p单级活塞式压缩机的理论耗功三种压气过程的理论耗功：1.绝热压缩2.等温压缩C,g1lnTwRT3.多变压缩1C,1111nnnnwpvnC,21sswhh1g111RT12pp增压比单级活塞式压缩机的理论耗功讨论：1.对压缩机而言，示功图p-V图所包围的面积表示压缩机的耗功，从p-V图可以看出定温压缩耗功最少，而绝热压缩所消耗的机械功最大。因此对压缩机应加强冷却，不仅减少耗功，而且保证润滑条件。2.通常为多变压缩,1nk。p2pp10V2”V21V2’2”62v432’5’55”V1定温多变绝热C,C,C,snTTnsTTT222余隙容积余隙容积：空气压缩机在排气时，活塞位于上死点位置，它和气缸壁保留一部分空间，这些空间叫作余隙容积原因：防止排气时，活塞与气缸壁碰撞，引起事故。压气机余隙容积的存在，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。影响：生产量、理论耗功有余隙容积的压气机工作过程工作过程：基本概念：4-1气体吸入气缸（质量m1）1-2气体压缩：p1p22-3气体排向储气罐3-4气体膨胀：p1p2活塞排量Vh=V1–V3余隙容积Vc=V3有效吸气容积Ve=V1–V4余隙容积比α=Vc/Vh容积效率ηv=Ve/Vh1411VVmmV生产量余隙容积使得容积效率降低，气体生产量减小。1mm生产量生产量(每周期)容积效率容积效率:11111112nnhchevppVVVV讨论：;)确定，当hcVVa生产量mv;)一定当b生产量mVVvcsc余隙比增大，容积效率降低；增压比提高，容积效率也降低。最大增压比最大增压比依靠单级压缩往往难以达到工程所要求的高压对于压力较高的情况，一般采用双级压缩和中间冷却。VsVcVpV吸p2pb34212’4’3’P2’3”(2”)P2”n11max余隙容积对理论耗功的影响C1234tt1111144111nnnnVpnnVpnn111411nnVVpnn11111nnpvnnm生产量1CC1111nnWnwvpmn生产量1C,1111nnnnwpvn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余隙容积的影响小结1.余隙容积的存在，是避免活塞与进排气阀碰撞必须的。2.余隙容积的存在，使容积效率降低，每周期吸气量变小。3.余隙容积的存在，对压缩定量气体的理论耗功没有影响。4.余隙容积的存在，使得单级增压具有最大值。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。冷却水双级活塞式理想压缩机p-V图p30p2p113’4252’多变过程定温线3’3双级压缩省功而且压缩终温较低，有利于润滑。单级压缩：面积012340p1p3：双级压缩：面积0122’3’40pV1n低压缸2p中冷器2’n高压缸3’润滑油要求t160~180℃,高压压气机必须分级。两级压缩设计原则与特点每级压气机所需的功相等，有利于压气机曲轴的平衡每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同每级向外排出的热量相等各级气缸容积按增压比递减多级压缩级间冷却分析储气罐冷却水高压缸低压缸进气口12pp有一个最佳增压比123452p1ppv省功最佳增压比每生产1kg压缩气体：CC,C,lh112Cg1g311111nnnnaappnnwRTRTnpnp令C0awp21pppa时CC,minww112g1121nnnnaappnRTnpphaalpppp21或最佳增压比双级压缩中间冷却T-s图p2p3T2p11T1sT3’32’2qLqH采用最佳增压比进行双级压缩的优点：1、省功2、各缸负荷均匀3、终温相同，各缸散热量相等分级压缩的级数154p1ppv6省功分级降低出口温度多级压缩达到无穷多级(1)不可能实现(2)结构复杂(成本高)所以，一般采用2~4级压缩T最佳增压比的推广与讨论推广：若m级，则212CC,min1mmpwwp时讨论：1）按12ppmi选择各级中间压力，优点：a）各级耗功相等1C,g111nniinwRTn（总耗功CC,iwmw有利于曲轴平衡b）各缸终温相同nniTT11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TcnnqVi1各中冷器散热相等Tcqpi中，）最佳增压比的推广与讨论d）各缸按比例缩小e）对提高整机容积效率v有利2）若分级m，则趋于定温压缩但由于体积庞大，系统复杂，可靠性下降一般2-4级3）定温效率—isothermalefficiencyC,C,CTTww4）真空泵(vacuumpump)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。压气机定温效率活塞式压气机无论是单级或多级压缩都应尽可能采用冷却措施，力求接近定温过程。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：CTCTCww,,4.6.2叶轮式压气机工作原理轴流式离心式机械能——增加动能—压力增加叶片扩压管活塞式和叶轮式压气机的比较活塞式压气机的特点：1.单位时间内产气量小2.间隙性的吸气和排气3.余隙容积的影响叶轮式压气机的特点：1.转速比活塞式压气机高2.能连续不断地吸气和排气3.每级的增压比小4.容易造成较大的摩擦损耗叶轮式压气机的热力过程特点：速度极高绝热压缩分析：从热力学观点出发，尽管活塞式和叶轮式的结构和工作原理都不同，但压缩过程中气体的状态变化本质上是一致的。21hhwwtc0)2102gwq（且叶轮式压气机的热力过程1.理想压缩过程：定熵压缩过程1－2smjsCsTAhhw2212])(1[1)(112112121,kkpscppvpkkTTchhw叶轮式压气机的热力过程2.实际压缩过程：不可逆绝热压缩1－2’njCTAhhw2212nmmSCCSAhhww2222,)1(1)(1212121''''TTRTkkTTchhwpc叶轮式压气机的评价指标用绝热内效率评价叶轮式压气机若为理想气体，且比热容为定值时叶轮式压气机的实际效率21,,,2'1'sCsCsCshhwwhh21,2'1sCsTTTT90.0~80.0t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。膨胀机按运动形式和结构分为两类：1.活塞膨胀机主要适用于高压力比和小流量的中小型高、中压深低温设备。分立式和卧式两种，采用较多的是立式结构。2.透平膨胀机与活塞膨胀机相比，具有流量大、结构简单、体积小、效率高和运转周期长等特点，适用于大中型深低温设备。膨胀机应用核反应堆锅炉汽轮机t=320℃12或2’34冷凝器立式活塞膨胀机活塞膨胀机由于存在进、排气阀流动阻力、不完全膨胀、摩擦热、外热与内部热交换等引起的冷量损失，一般绝热效率为：高压膨胀机65～85％，中压膨胀机60～70％。60年代，采用加填充剂的聚四氟乙烯密封元件代替用油润滑的金属制密封元件，避免润滑油带入深低温精馏区或液化区，保证了安全。活塞膨胀机工作原理活塞膨胀机的工作原理与活塞压气机基本相同，只是作用相反。为减小活塞膨胀机尺寸，常采用不完全膨胀。为使一次循环能回收较多的功，压缩过程常采用不完全压缩。透平膨胀机以气体膨胀时速度能的变化来传递能量的膨胀机。该种膨胀机有单级和双级、立式和卧式、冲动式和反动式之分。一般采用单级向心径流反动式透平膨胀机由于有喷嘴损失、叶轮损失、余速损失、轮盘摩擦损失、泄漏损失、窜流损失和外热侵入损失,一般绝热效率为:中压膨胀机65～75％，低压膨胀机75～85％。60年代已制成带液膨胀机，大多用于天然气分离设备。透平膨胀机工作过程压缩气体从高压p1、温度T1状态在膨胀机中作等熵膨胀至低压p2。实际工作过程中，因为有若干能量损失，气体膨胀时不可能达到状态2，而只能达到状态2’。故绝热效率是指膨胀机在膨胀过程中实际焓降与等熵焓降之比。一般膨胀机绝热效率为60～85％。节流膨胀与定熵膨胀的关系节流膨胀：高压流体经过节流阀后迅速膨胀到低压的过程。特点：等焓过程微分节流效应：理想气体在节流过程中温度不发生变化。真实气体节流效应取决于气体的状态，在不同的状态下节流，具有不同的微分节流效应值。HJPT][1PPJTVTVc节流膨胀与定熵膨胀的关系定熵膨胀特点：等熵过程微分等熵温度效应：等熵膨胀与气体的属性及状态无关，对