《过程流体机械第二版》思考题答案-完整版

1/4《过程流体机械》思考题参考解答2容积式压缩机☆思考题2.1往复压缩机的理论循环与实际循环的差异是什么？过程理论循环（假设条件）实际循环（工作过程）理论参数工作腔内无(剩)余(间)隙有余隙（阀窝、盖端、环端3部分）V0、α、λV工作过程进气、压缩、排气三个过程进气、压缩、排气、膨胀四个过程进排气过程无压力损失，压力稳定有压力损失，压力脉动λp进气过程与外界无热交换与外界（气缸壁）有热交换λT工作过程无气体泄漏损失有气体泄漏损失λl工作过程压缩过程指数恒定压缩和膨胀过程指数变化m、n工作介质理想气体（状态方程（2-6）式）实际气体（状态方程（2-7）式）Z☆思考题2.2写出容积系数λV的表达式，并解释各字母的意义。容积系数λV（最重要系数）λV＝1－α（n1－1）＝1－110nsdSppVV（2-12）式中：α——相对余隙容积，α＝V0（余隙容积）/Vs（行程容积）；α＝0.07～0.12（低压），0.09～0.14（中压），0.11～0.16（高压），＞0.2(超高压)。ε——名义压力比（进排气管口可测点参数），ε＝pd/ps＝p2/p1，一般单级ε＝3～4；n——膨胀过程指数，一般n≤m（压缩过程指数）。☆思考题2.3比较飞溅润滑与压力润滑的优缺点。飞溅润滑（曲轴或油环甩油飞溅至缸壁和润滑表面），结构简单，耗油量不稳定，供油量难控制，用于小型单作用压缩机；2/4压力润滑（注油器注油润滑气缸，油泵强制输送润滑运动部件），结构复杂（增加油泵、动力、冷却、过滤、控制和显示报警等整套供油系统油站），可控制气缸注油量和注油点以及运动部件压力润滑油压力和润滑油量，适用大中型固定式动力或工艺压缩机，注意润滑油压和润滑油量的设定和设计计算。☆思考题2.4多级压缩的好处是什么？多级压缩优点：①.节省功耗（有冷却压缩机的多级压缩过程接近等温过程）；②.降低排气温度（单级压力比小）；③.增加容积流量（排气量，吸气量）（单级压力比ε降低，一级容积系数λV提高）；④.降低活塞力（单级活塞面积减少，活塞表面压力降低）。缺点：需要冷却设备（否则无法省功）、结构复杂（增加气缸和传动部件以及级间连接管道等）。☆思考题2.5分析活塞环的密封原理。活塞环原理：阻塞和节流作用，密封面为活塞环外环面和侧端面（内环面受压预紧）；关键技术：材料（耐磨、强度）、环数量（密封要求）、形状（尺寸、切口）、加工质量等。☆思考题2.6动力空气用压缩机常采用切断进气的调节方法，以两级压缩机为例，分析一级切断进气，对机器排气温度，压力比等的影响。两级压缩机分析：1级切断进气→节流（实际ε1↑）→停止进气排气→2级节流（实际ε2↑）→（短暂）排气温度T2↑→（逐渐）停止进气排气（级间存气）；活塞力↑（ε↑），阻力矩变化。☆思考题2.7分析压缩机在高海拔地区运行气量的变化规律并解释其原因。高海拔地区当地大气压力即吸气压力ps↓，若排气压力pd不变，则名义压力比ε↑，根据（2-12）式和（2-11）式，容积系数λV↓，实际吸气量Vs0↓，容积流量qV↓。☆思考题2.8一台压缩机的设计转速为200r/min，如果将转速提高到400r/min，试分析气阀工作情况。定性分析，定量分析难。如压缩机结构参数（行程s、缸径D1、阀片尺寸等）不变，则容积流量qV↑↑（理论增加一倍），使气阀流速和阻力损失↑↑（激增），进排气频3/4率↑，阀片启闭速度↑，阀片撞击阀座程度↑（加剧），阀片寿命↓（缩短），故障概率↑（增加）。解决问题需改变结构（缩短行程、减小缸径，增加气阀通道面积等）。☆思考题2.9画出螺杆压缩机过压缩和压缩不足的指示图，并分析其对压缩机性能的影响。压力比：内压力比（工作腔压缩终压/进气压力）、外压力比（排气管压/进气压力）；（图2-42）内外压力比不相等时指示图。过压缩：内压力比＞外压力比；欠压缩（压缩不足）：内压力比＜外压力比；过压缩和欠压缩均增加功耗，等压力比减少功耗。3离心压缩机☆思考题3.1何谓离心压缩机的级？它由哪些部分组成？各部件有何作用？级典型结构（图3-2）：叶轮、扩压器、弯道、回流器，首级（增加吸气管）、中间级、末级（无弯道、回流器，增加蜗壳）；叶轮：唯一做功元件。闭式、半开式、双吸式（双面进气）；后弯（后向）型、径向型、前弯（前向）型；扩压器：能量转换元件（动能→压能，气流减速增压），无叶（片）型、叶片（有叶）型。☆思考题3.2离心压缩机与活塞压缩机相比，它有何特点？离心压缩机特点（与往复式压缩机对比）压缩机流量输出压力转速结构体积重量易损件运转单级压比级数热效率价格制造要求适用主要问题离心式大稳定高紧凑较小少可靠低多较低高高大流量中低压不适用小流量往复式中小脉动低复杂大多故障多高少高低较低中高压中小流量故障维修压力脉动优缺点离心式优、往复式差离心式差、往复式优选用条件4/4☆思考题3.3何谓连续方程？试写出叶轮出口的连续方程表达式，并说明式中b2/D2和φ2r的数值应在何范围之内？连续方程：质量守恒（流经任意截面流量）qm＝ρiqVi＝ρinqVin＝ρ2qV2＝ρ2c2rf2＝const（3-1）式中：qm为质量流量，kg/s；qV为容积流量，m3/s；ρ为气流密度；f为截面面积；c为法向流速；qm＝ρ2qV2＝ρ22222DDbτ2φ2ru2＝ρ222Dbφ2r322260un（3-2）式中：D2为叶轮外径；b2为叶轮出口轴向宽度；b2/D2为叶轮出口相对宽度（0.025～0.065）；φ2r为流量系数（径向叶轮0.24～0.40，后弯叶轮0.18～0.32，β2A≤30º强后弯叶轮0.10～0.20）；τ2为叶轮出口通流系数。☆思考题3.4何谓欧拉方程？试写出它的理论表达式与实用表达式，并说明该方程的物理意义。欧拉方程：（叶轮机械基本方程）理论和实用表达式Lth＝Hth＝c2uu2－c1uu1＝22122uu＋22122cc＋22221ww（3-4、5）式中：Lth为叶轮输出欧拉功；Hth为理论能量头（接受能量/单位重流体），kJ/kg；物理意义：3部分能量，（离心力做功转静压能）+（动能增量）+（w减速转静压能）。☆思考题3.5何谓能量方程？试写出级的能量方程表达式，并说明能量方程的物理意义。能量方程：（热焓方程）Hth＝cp（T2―T1）＋22122cc＝h2―h1＋22122cc＝1kkR（T2―T1）＋22122cc（3-12）式中：cp为定压比热，h为焓值，k为绝热指数，R为气体常数；物理意义：焓值+（动能增量）。☆思考题3.6何谓伯努利方程？试写出叶轮的伯努利方程表达式，并说明该式的物理意义。伯努利方程：（压能损失方程）5/4叶轮功（叶片功）（含流动损失）Hth＝00pd＋22020cc＋Hhyd0-0′（3-14）总功（全部损失）Htot＝00pd＋22020cc＋Hloss0-0′＝00pd＋22020cc＋Hhyd＋Hl＋Hdf（3-15）物理意义：（三部分）压能、动能、损失，忽略热交换和位能。☆思考题3.7试说明级内有哪些流动损失？流量大于或小于设计流量时冲角有何变化？由此会产生什么损失？若冲角的绝对值相等，谁的损失更大？为什么？级内流动损失（1）摩阻损失Hf∝2Vq（2mc平均气速）；（2）分离损失：边界层（c→0）分离（回流），控制通道扩张角（锥度、扩压度，图3-8）；（3）冲击损失（叶轮、扩压器）：（叶轮为例，扩压器类似分析）；叶轮进气角β1≠叶片进口角β1A，冲击分离损失（相当于扩张角↑）；流量/设计流量(进气冲角)i＝β1A－β1冲击面分离区(漩涡区)损失(相同冲角)原因＜（小qV）正冲角i＞0工作面（前面）非工作面（背面）较大分离区易扩散＝（设计qV）零冲角i＝0无无无损失↓＞（大qV）负冲角i＜0非工作面（背面）工作面（前面）较小分离区较稳定（4）二次流损失：垂直环流；（5）尾迹损失：叶尖绕流；☆思考题3.8多级压缩机为何要采用分段与中间冷却？分段与中间冷却：分段（冷却、抽气）、中间冷却（耗功↓→等温过程）、工艺（排温，防腐蚀、分解、化合）。☆思考题3.9试分析说明级数与圆周速度和气体分子量的关系。级数与叶轮圆周速度u2和气体分子量μ的关系6/4u2↑，单级Lth↑→级数↓，但叶轮材料强度、气流马赫数Mw1和Mc2、叶轮相对宽度b2/D2（范围0.025～0.065）限制u2（＜320～300m/s）。表3-1介质气体分子量μ[J/(kg•K)]气体常数R(同压比下所需)多变压缩功Hpol[kJ/kg]级数圆周速度u2[m/s]机器（特征）Mμ2inkTu83152材料强度重F-11136.3↑↓16.97↓1↓186限制u2影响小轻H22↓↑1319.45↑32↑280影响小限制u2☆思考题3.10示意画出级的总能量头与有效能量头和能量损失的分配关系。（图3-14）Htot＝Hth＋Hl＋Hdf＝Hpol＋(2020cc)/2＋Hhyd＋Hl＋Hdf说明：Htot＞Hth＞Hpol＞Hhyd＞Hdf＞Hl＞(2020cc)/2☆思考题3.11何谓级的多变效率？比较效率的高低应注意哪几点？比较效率注意：①．(教材)通流进出口（单级0-0′、整机多级in-out）；②．(教材)热力过程（多变、等熵、绝热）；③．(教材)设计工况点（最佳效率）；④．常用（多变效率）ηpol；⑤．（多级）整机效率η（各级平均内效率），含分段中间冷却等作用；⑥．判别：同效率η对比（η↑优），知某η算总功Htot或Ni对比（Htot↓或Ni↓优）。☆思考题3.12若已知级的多变压缩功和总耗功，尚须具备什么条件可求出级的能量损失和级内的流动损失？由(3-32)(3-15)式（级能量损失）Hhyd＋Hl＋Hdf＝Htot－(2020cc)/2－Hpol≈（1－Hpol/Htot）Htot＝（1－ηpol）Htot由(3-14)式（级内流动损失）Hhyd＝Hth－(2020cc)/2－Hpol≈（1－Hpol/Hth）Hth＝（1－ηhyd）Hth＝[1－(1＋βl＋βdf)ηpol][Htot/(1＋βl＋βdf)]式中：流动效率ηhyd＝Hpol/Hth＝（1＋βl＋βdf）ηpol，c0′≈c0、Hl为漏气耗功、Hdf7/4为轮阻耗功。另有：多变能头系数ψpol＝ηhydφ2u＝（1＋βl＋βdf）φ2uηpol（3-36）求级能量损失和级内流动损失须知ηpol、（βl＋βdf）、以及（准确）(2020cc)/2；多变效率ηpol反映级能量损失大小，流动效率ηhyd反映级内流动损失大小。☆思考题3.13何谓离心压缩机的内功率、轴功率？试写出其表达式，如何据此选取原动机的输出功率？多级功率（3-37式）总内功率Ni→＋机械损失Nm→机械效率ηm（96％～98％）→（3-39式）轴功率Nz→＋功率增量30％→（3-40式）原动机功率Ne。☆思考题3.14如何计算确定实际气体的压缩性系数Z？实际气体压缩性系数Z计算：范德瓦尔对比态方程（对应态原理），（3-41）式，压缩性系数Z＝f（对比参数pc、Tc）。☆思考题3.15简述混合气体的几种混合法则及其作用。实际混合气体法则：凯法则（局限性）、徐忠法则（精确度）、极性物质混合法则。☆思考题3.16示意画出离心压缩机的性能曲线，并标注出最佳工况点和稳定工况范围。性能曲线性能参数关系，列表、曲线和方程3种表示方法，有级（机）性能曲线，图3-15、图3-16。特点：①．曲线（主要3条）：压比ε－qVin流量或压力Δp－qVin、多变效率ηpol－qVin、功率N－qVin；②．形状：ε－qVin为↘形、ηpol－qVin为↗形、N－qVin为↗↘形（有ηmax点）；③．最佳工况点：ηmax设计工况；④．极限（危险）工况：最小qVin（喘振）←→最大qVin（堵塞）；⑤．稳定工作范围：极限工况之间；⑥．来源：试验测试；⑦．要求：ηmax↑，稳定工作范围↑（宽）；⑧．多级（机）特性：