热工基础第八章

1第八章热力循环学习指导：1、学习目标熟悉几种典型热工设备（或装置）的基本构成和工作原理；掌握将实际循环抽象简化为理想循环的一般方法；能够熟练分析计算各种循环；了解内燃机循环各种特性参数及其对热效率的影响，掌握提高各种循环能量利用经济性的方法和途径。2、学习建议（1）学习时间：4-6小时（2）学习方法A．仔细阅读教材第八章B．点播学习网络课程第八章C．完成习题3、学习重难点A．掌握活塞式压气机的工作原理、不同压缩过程（定温、多变、定熵）的特点；了解余隙容积、压力比对活塞式压气机容积效率的影响；了解多级压缩、级间冷却的工作情况；掌握压气机的耗功计算及压气机的省功方法和途径。B．掌握活塞式内燃机的工作原理；了解实际循环抽象为理想循环的简化条件；掌握定容加热、定压加热、混合加热理想循环的p-v图和T-s图，并能对各种循环的吸热量、放热量、循环功、热效率进行分析计算；了解循环特性参数及其对热效率的影响。C．掌握蒸气压缩制冷循环的工作原理及理论循环的T-s图和lgp-h图；掌握利用制冷剂的lgp-h图计算制冷量q2、耗功量w0、制冷系数ε的方法；了解提高制冷系数ε的方法。第一节压气机循环使气体升压的设备称为压气机。压气机的应用非常广泛，如锅炉通风、物料传送、增压柴油机、燃气轮机、制冷工程中制冷剂气体的压缩等，都要用到压气机，生活中使用的电风扇也是一种压气机。压气机按其产生压缩气体的压力范围，可分为通风机（110kPa）、鼓风机（110～400kPa）和压缩机（400kPa）；按其结构及工作原理分，主要可分为活塞式和叶轮式（叶轮式又可分为离心式和轴流式）两大类。压气机是耗功设备，研究压气机的主要目的是分析其耗功，从而寻求省功的方法和途径。虽然活塞式压气机与叶轮式的结构和工作原理不同，但其基本的热力学原理都一样。本节重点以活塞式压气机为例，介绍压气机的一般工作原理及分析计算。一、单级活塞式压气机的工作原理2如果忽略活塞与气缸盖之间的间隙，并假定压气机的工作过程为可逆过程，活塞式压气机的理想工作过程由以下3个过程组成：1.吸气过程当如图8.1（a）所示活塞由上止点向右移动时，进气阀A开启，排气阀B关闭，压力为p1的气体被吸入气缸。活塞到达下止点时，吸气过程结束。在图8.1（b）中为4—1过程。2.压缩过程吸气过程结束后，活塞由下止点向左移动，此时进、排气阀均关闭，缸内气体被压缩，压力升高。当达到预期状态p2时，压缩过程结束。在图8.1（b）中为1—2过程。3.排气过程缸内气体被压缩到预期压力p2后，排气阀打开，活塞继续左移，缸内压力为p2的气体排出气缸。活塞到达上止点时，排气过程结束。在图8.1（b）中为2—3过程。（a）工作原理示意图（b）理想工作过程p－Ｖ图（图中原点0，横坐标Ｖ）图8.１单级活塞式压气机的工作原理示意图与理想工作过程p-V图二、压气机的耗功在上述过程中，只有压缩过程使气体的状态发生了变化，是热力过程。进气和排气过程都不是热力过程，只是气体的迁移过程，缸内气体的数量发生变化，但热力状态不变。所以图8.1（b）为p-V图。吸气过程中气缸吸入压力为p1的气体，气体的质量qm和容积V不断增加，而气体的状态(p1,v１)不变，相当于气体定压膨胀，该过程中系统作正功p1V1；压缩过程中进、排气阀均关闭，气体的量不变，而气体的压力不断增加，该过程中外界对系统作压缩功（负功），压缩过程的耗功是容积功，在图8.1（b）中为1-2过程线以下的面积，即：2121pdVpdvqWm（8.1）排气过程中气体的质量qm和容积V不断减少，但气体的状态(p2,v2)不变，相当于气体被定压压缩，因此该过程系统作负功p2V2。压气机所消耗的功为上述三项功的代数和。由图8.1（b）知，压气机耗功为负的技术功，在图8.1（b）中为1-2过程线以左的面积，即212211ctmWVppdvqVpW（8.2）压缩1kg气体，压气机的耗功为321cvdpwwt（8.3）注意：压缩过程的耗功与压气机的耗功概念不同。三、活塞式压气机三种压缩过程的比较在活塞式压气机中，压气机的进、排气过程是周期性间歇的，但由于压气机转速较高，间歇时间很短，且工质流量一定，可近似认为进、排气过程连续稳定。所以，活塞式压气机可视为稳定流动系统，压气机的简化模型为：稳流、可逆。根据活塞式压气机的不同工作条件，可能存在三种压缩过程：一种是没有冷却措施，而且过程进行得很快，压缩过程中由机械能转变的热能来不及向外释放，即过程可近似看作绝热过程（因过程可逆即为定熵过程）；另一种是冷却足够充分，压缩过程中机械能转变的热能可及时散掉，气体温度保持不变，即定温过程；第三种是有冷却措施，但不足以使气体温度保持不变，即在压缩过程中既有散热量，也有温升，正好介于定熵过程和定温过程之间，为多变过程，因此，该多变指数的范围为1n。实际上，多变过程更接近实际情况。因为压缩过程相当于闭口系，比容、比熵等状态参数都发生变化，因此在只分析压缩过程时，可用p-v图和T-s图。将上述三种压缩过程表示在p-v图和T-s图上，如图8.2所示。其中1—2s表示定熵压缩；1—2n表示多变压缩；1—2T表示定温压缩。（a）p-v图（b）T-s图图8.2压气机压缩过程的p-v图与T-s图由上面p-v图和T-s图可看出，定温压缩耗功最小；压缩终了的温度最低，有利于润滑；而且压缩终了的体积最小，所需存贮气体的容积最小。所以，定温压缩是最理想的压缩过程。多变压缩次之，定熵压缩最不利。实际使用时应采用良好的冷却措施，如在气缸上加冷却水套、喷雾化水等措施，使过程尽量接近定温过程。不同压缩过程初、终状态参数及耗功量可利用表3.2中相应的公式进行计算。四、活塞式压气机的容积效率实际的活塞式压气机，为避免活塞与缸盖相撞，以及便于安装进、排气阀，当活塞位于上止点时，活塞顶面与缸盖之间必须留有间隙，该间隙容积称为余隙容积。如图8.3所示，由于余隙容积Vc的存在，排气过程结束后仍有一部分高压气体留在余隙容积中，在压气机的下一个吸气过程开始时，残余气体膨胀，只有当残余气体膨胀到进气压力时，才能从外界进入新气。这样，真正的进气行程缩短，当然每循环吸入的气体量（产气量）也就随之减少，气缸的容积利用率降低。4图8.3活塞式压气机的工作循环图将气缸实际的进气容积（有效吸气容积）与活塞排量之比称为容积效率ηV，即11343133141VVVVVVVVVVVheV1111/112/112313nhcnppVVppVVV（8.4）由式（8.4）知，余隙容积Vc（即V3）越大，增压比p2/p1越大，容积效率越低。余隙容积的不利影响随p2/p1的增大而增加。当p2/p1达到一定值时，容积效率为零，产气量为零。因此设计时应尽量减小余隙容积，并且注意单级增压比不宜过高。当需要的增压比较高时，应采用多级压缩。因为残余气体膨胀做的正功与压缩时消耗的负功在理论上相等，所以余隙容积对生产1kg压缩气体的理论耗功量没有影响，但实际耗功量增加。工程上也常用余隙比C=Vc/Vh表示气缸容积的利用率，通常C控制在0.03～0.08范围内。五、多级压缩及级间冷却多级压缩是把气体的压缩过程分为多个阶段，分别在多个气缸中依次压缩，每两个气缸之间有级间冷却器将气体冷却至初温，这样，在总增压比较高时，每级的增压比不致太高，从而保证容积效率不致太低。两级或两级以上称为多级。图8.4为两级压缩、级间冷却过程的p-v图和T-s图，图中1-2过程为第一级多变压缩过程，2-3为级间定压冷却过程，3点的温度与初始进气温度相同，3-4为第二级多变压缩过程。如果是单级压缩，其压缩过程为1-2-4＇过程。由图8.4看出，压缩终态压力相同时，两级压缩、级间冷却的耗功量比单级压缩小，所节省的功量等于面积2-3-4-4＇-2。而且两级压缩、级间冷却的终温也比单级压缩低。可以看出，在总增压比一定的条件下，级数分得越多，理论耗功量越小。当分级为无限多时，压缩过程就无限接近于等温过程，理论耗功量最小。但实际情况分级不宜太多，否则系统过于复杂，造价高，运行可靠性也降低。通常工程上一般采用2～4级。多级压缩的耗功量为各级压缩耗功量的总和。由图8.4也可看出，总耗功量的大小与中间压力的选取有关，所以，以总耗功量最小为原则，得到两级压缩的最佳中间压力为412ppp（8.5a）或142412pppppp（8.5b）5由上式知，总耗功量最小时，每级压力比相同。该结论可推广到任意级压缩过程，如为Ｚ级压缩，则最佳压力比为（8.6）式中，pZ+1为压缩终压，p1为压缩初压。图8.4两级压缩、级间冷却过程的p-v图和T-s图选择最佳压力比还有以下好处：（1）各级压缩功耗相同，其动力选配具有通用性和互换性；（2）各级压缩的温升相同，各级间冷却热负荷相同，即各级间冷却器的换热量相同；（3）各级气缸排温相同，多级压缩的终温低（终温等于第一级压缩过程的排温，压气机终温一般规定不得超过160～180℃，否则会引起润滑油变质，影响润滑效果，甚至引起自燃、爆炸等严重后果)。因此，当要求的增压比较高时，采用多级压缩、级间冷却不仅能提高容积效率，而且在选择最佳压力比的条件下，还有上述好处，这对于压气机的设计和运行都是有利的。例8.1一单缸活塞式压气机的气缸直径D＝100mm，活塞行程h＝125mm，余隙比C=0.05，从大气中吸入p1＝0.1MPa，t1＝20C的空气，经过n＝1.25的多变压缩过程压缩至p2＝0.4MPa。若机轴转速N=600r/min。试计算（1）压气机的容积效率及气缸的有效容积；（2）每分钟的产气量；（3）压气机的理论耗功率。解（1）由公式（8.4）求得压气机的容积效率为%84.898984.011.04.005.011125.11/112nhcVppVV气缸的有效容积为)(1082.84125.01.014.38984.043422mhDVVe（2）每分钟的产气量（转速×每循环吸入的空气质量）(kg/min)6293.02932871082.8101.06004611TRVpNqgem（3）由教材表3.2中公式求得压缩1kg空气所消耗的理论功为(kJ/kg)338.1341.04.01125.1293287.025.111)(125.1125.1112121nnggtppTnnRTTnnRwZppzopt116压气机耗功为负的技术功，即(kJ/kg)338.134ctww压气机的理论耗功率为(kW)409.160338.1346293.060cmwqP例8.2实验室每小时需要2t压力为6.4MPa的压缩氮气，设进气压力p1=0.1MPa，温度t1=27C，压缩过程的多变指数n=1.2，若余隙比C=0.05，且要求容积效率不小于75%。求：（1）确定压气机的级数及最佳压力比；（2）压缩终了的排气温度；（3）若每小时生产1000kg氮气，求压气机的理论耗功率；（4）级间冷却器每秒钟的散热量[取氮气的cp=1.04kJ/(kg·K)]。解（1）因所需的总压力比较大，因此应采用多级压缩、级间冷却，先假设采用2级压缩，其最佳压力比为对应的容积效率为%72.767672.01805.01112.11/112nVppC采用2级压缩满足要求，最佳压力比为8。（2）由于多级压缩、级间冷却每级压缩的排温相同，方便起见，由教材表3.2中多变过程不同状态间状态参数的关系式，求得第一级的压缩排温即为压缩终了的排气温度，即K)(3.4241.08.03002.112.111212