工程熱力學(xué)-第五章氣體的流動(dòng)和壓縮

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1、工 程 熱 力 學(xué)彭 偉Email: 手 機(jī) : 18055440449第 五 章 氣 體 的 流 動(dòng) 和 壓 縮 5-1 一 元 穩(wěn) 定 流 動(dòng) 的 基 本 方 程o 一 元 流 動(dòng) 的 定 義n 流 動(dòng) 的 一 切 參 數(shù) 僅 沿 一 個(gè) 方 向 （ 可 以 是 彎 曲流 道 的 軸 線(xiàn) ） 有 顯 著 變 化 ， 而 在 其 他 兩 個(gè) 方向 上 的 變 化 極 小 。o 連 續(xù) 方 程 V mq q v Ac qv體 積 流 量 ： 單 位 時(shí) 間 流 過(guò) 截 面 的 體 積qm 質(zhì) 量 流 量 ： 單 位 時(shí) 間 流 過(guò) 截 面 的 質(zhì) 量i imi iAcq v 穩(wěn)定流動(dòng)：常數(shù) 5

2、-1 一 元 穩(wěn) 定 流 動(dòng) 的 基 本 方 程o 能 量 方 程噴 管 、 擴(kuò) 壓 管 流 動(dòng) ： 無(wú) 軸 功 、 絕 熱 、 無(wú) 重 力 位 能 變 化上 式 適 用 于 任 何 工 質(zhì) 的 絕 熱 穩(wěn) 定 流 動(dòng) 過(guò) 程2 22 1 2 1 2 11( ) ( ) ( )2 shq h h c c g z z w 2 22 1 1 21 ( )2 c c h h 5-1 一 元 穩(wěn) 定 流 動(dòng) 的 基 本 方 程o 動(dòng) 量 方 程在 流 體 中 沿 流 動(dòng) 方 向 取 一 微 元 柱 體 ， 牛 頓 第 二 定 律 ：若 不 考 慮 粘 性 力 （ 摩 擦 力 ）d ( d ) d d

3、d dt A xpA p p A F m c cv 2 d1 d( )2 tFc vdp v A 22 22 1 11 ( )2 c c vdp 5-1 一 元 穩(wěn) 定 流 動(dòng) 的 基 本 方 程o 其 他 相 關(guān) 方 程狀 態(tài) 方 程 :F（ p,v,T） =0 0 ( )( )s gc pvR T一般氣體理想氣體過(guò) 程 方 程 （ 定 熵 過(guò) 程 ） ： pv=常 數(shù)為 定 熵 指 數(shù) ， 0為 理 想 氣 體 定 熵 指 數(shù)音 速 方 程 ： 5-1 一 元 穩(wěn) 定 流 動(dòng) 的 基 本 方 程o 其 他 相 關(guān) 方 程馬 赫 數(shù) 是 氣 體 在 某 截 面 處 的 流 速 與 該 處 音

4、 速 之 比scMa c根 據(jù) Ma的 大 小 ， 流 動(dòng) 可 分 為 三 類(lèi) 1Ma 1Ma 1Ma 亞 音 速 流 動(dòng)音 速 流 動(dòng)超 音 速 流 動(dòng) 5-2 噴 管 中 氣 流 參 數(shù) 變 化和 噴 管 截 面 變 化 的 關(guān) 系o 什 么 是 噴 管n 用 于 增 加 氣 體 或 蒸 氣 流 速 的 變 截 面 短 管o 噴 管 中 的 流 動(dòng) 過(guò) 程n 流 速 很 快 ， 過(guò) 程 很 短 ， 近 似 絕 熱 d d dA v cA v c mAc qv 常數(shù)ln ln lnA c v 常數(shù)噴管 5-2 噴 管 中 氣 流 參 數(shù) 變 化和 噴 管 截 面 變 化 的 關(guān) 系21 d(

5、 ) d d d2 ddc v p c c v pvpv p p v 常數(shù)d dc c p v2 2 22d d d dsv c c c c cMav pv c c c c 2d d( 1)A cMaA c 對(duì) 于 噴 管 而 言 ， 增 加 氣 體 流 速 是 其 主 要 目 的 。當(dāng) Ma0， 必 須 使 dA1時(shí) ， 要 使 dc0,則 應(yīng) dA0 (漸 擴(kuò) 噴 管 )當(dāng) Ma從 小 于 1增 加 到 大 于 1， 要 使 dc0 從 dA0(縮 放 噴 管 ， 拉 伐 爾 噴 管 ) 5-2 噴 管 中 氣 流 參 數(shù) 變 化和 噴 管 截 面 變 化 的 關(guān) 系o 音 速 與 臨 界

6、 流 速o 噴 管 內(nèi) ， 音 速 不 斷 減 小 ， 流 速 不 斷 增 大 ， 二 者 相 等時(shí) 的 流 速 稱(chēng) 為 臨 界 流 速 ， 此 位 置 后 噴 管 需 從 漸 縮 轉(zhuǎn)為 漸 擴(kuò) 才 能 保 持 流 速 繼 續(xù) 增 大 ， 此 位 置 稱(chēng) 為 喉 部 。1ln (ln ln ln )2d 1 d d 1 1 d( ) (1 ) 02 2s s ssc pv c p vc p v pc p v p 5-3 氣 體 流 經(jīng) 噴 管 的 流 速 和 流 量o 滯 止 參 數(shù) （ *） ： 氣 體 流 速 為 0時(shí) 的 各 種 參 數(shù)o 絕 熱 過(guò) 程 流 速o 無(wú) 摩 擦 絕 熱 過(guò)

7、 程2 *2 * *1 ( ) 2( ) 02 c c h h c h h 2 *2 * *1 ( ) 22 p pp pc c vdp c vdp 1* 2 11 *s pc c p 5-3 氣 體 流 經(jīng) 噴 管 的 流 速 和 流 量o臨 界 壓 力 比n 臨 界 截 面 上 的 氣 體 壓 力 pc與 滯 止 壓 力 p*之 比 稱(chēng) 為 臨 界 壓 力 比 ， 用 c 表 示o臨 界 流 速 12* 1cc pp 1 1* * * 2 21 11 * 12 1 cc s s cs pc c cpc 5-3 氣 體 流 經(jīng) 噴 管 的 流 速 和 流 量o流 量 1*min min 2

8、11 *th thm sth thA c pAq cv v p 11 1* *thth pv v p 2 1*min 2* 1 * *th thm s p pAq cv p p 5-3 氣 體 流 經(jīng) 噴 管 的 流 速 和 流 量o最 大 流 量d 0mq 2 1 0th thd th *thpp 令2 112 1 0th th thd 1 1 11 2 1 0th th 1 12 1 0th 12 1 th c 1*min 2 2,max 2( )* 1m sAq cv 5-4 壓 氣 機(jī) 的 壓 氣 過(guò) 程o壓 氣 機(jī)n 用 來(lái) 壓 縮 氣 體n 最 常 見(jiàn) 的 是 用 來(lái) 壓 縮 空

9、氣 ， 即 空 氣 壓 縮 機(jī)n 原 理 ： 消 耗 功 ， 并 使 氣 體 從 較 低 的 壓 力 升到 較 高 的 壓 力 工 作 原 理壓 頭 高 低 鼓 風(fēng) 機(jī) 表 壓 0.10.3MPa活 塞 式 壓 頭 高 ， 流 量 小 ， 間 隙 生 產(chǎn)葉 輪 式 壓 頭 低 ， 流 量 大 ， 連 續(xù) 生 產(chǎn)通 風(fēng) 機(jī) 表 壓 0.01MPa以 下壓 氣 機(jī) 表 壓 0.3MPa以 上壓 氣 機(jī) 分 類(lèi) ： （ 容 積 型 ）（ 速 度 型 ） 單 級(jí) 活 塞 式 壓 氣 機(jī) 的 壓 氣 過(guò) 程p工 作 原 理0-1： 吸 氣 ， 傳 輸 推 動(dòng) 功 p1v1 1-2： 壓 縮 ， 耗 外

10、功 21 2 1 dw p v 2-3： 排 氣 ，傳 輸 推 動(dòng) 功 p2v2 2C 1 1 2 21 dW pV p V p V 注 意 ： 壓 氣 機(jī) 生 產(chǎn) 量 通 常 用 單 位 時(shí)間 里 生 產(chǎn) 氣 體 的 標(biāo) 準(zhǔn) 立 方 米 表 示 ，不 同 于 進(jìn) 氣 或 排 氣 狀 態(tài) 。21 d tV p W 壓 氣 機(jī) 耗 功 ： 表 示 在 活 塞 式 壓 氣 機(jī) 的 理想 工 作 過(guò) 程 中 ， 當(dāng) 氣 缸 容積 變 化 時(shí) 缸 內(nèi) 氣 體 壓 力 變化 的 曲 線(xiàn) 。 圖 中 的 0-1和 2-3過(guò) 程 ， 僅 是 將 處 于 一 定熱 力 狀 態(tài) 的 氣 體 吸 入 或 排出 氣

11、 缸 的 機(jī) 械 輸 送 過(guò) 程 ，只 有 12壓 縮 過(guò) 程 才 是 熱力 過(guò) 程 。pv”圖 (示 功 圖 ) 壓 縮 過(guò) 程 的 熱 力 學(xué) 分 析p vp2 2T 2n 2s 1p1 2T 2n 2s p2p11T sj m n一 種 為 過(guò) 程 進(jìn) 行 得 極 快 ,視 為 絕 熱 過(guò) 程 ；一 種 為 散 熱 良 好 ,視 為 定 溫 過(guò) 程 ；實(shí) 際 壓 縮 過(guò) 程 在 這 兩 者 之 間 二 .理 論 耗 功 2C 1 dw v p所 以 wC取 決 于 初 、終 態(tài) 及 過(guò) 程 特 征12pp C, 2 1s sw h h 2.等 溫 壓 縮 C, g 1 lnTw R T

12、3.多 變 壓 縮 1C, 1 1 11 nnn nw pvn 1g 1 11R T 1.絕 熱 壓 縮 討 論 ：理 想 壓 縮 是 等 溫 壓 縮 b） 通 常 為 多 變 壓 縮 , n C22 nnnwTv C, C, C,s n Tw w w Tns TTT 222 Tns vvv 222 a）1n 壓 氣 機(jī) 所 需 功 : wc=-wt絕 熱 壓 縮 :wc= h 任 何 工 質(zhì) ,可 逆 不 可 逆 =Cp,0(T2-T1) 理 想 氣 體 ,可 逆 不 可 逆 =0/(0 -1)(p2v2-p1v1) 理 想 氣 體 ,可 逆 絕 熱 = 0 /(0 -1) p1v1 (p2

13、/p1)(0 -1)/ 0 -1 同 上 = 0 /(0 -1) RgT1 (p2/p1)(0 -1)/ 0 -1 同 上多 變 過(guò) 程 ,將 上 式 中 0換 成 n即 可定 溫 壓 縮 :wcT= h-q 任 何 工 質(zhì) ,可 逆 不 可 逆=-Rg(v2/v1)=RgT(p2/p1) 理 想 氣 體 可 逆 余 隙 容 積 的 影 響余 隙 容 積 clearance volume V是 實(shí) 際進(jìn) 入 氣 缸的 氣 體 容積 ,稱(chēng) 為氣 缸 的 有效 容 積V 產(chǎn)生原因布 置 進(jìn) 、 排氣 結(jié) 構(gòu)制 造 公 差部 件 熱 膨 脹當(dāng) 活 塞 運(yùn) 行 到 上 止 點(diǎn) 位 置 時(shí) ,為 使 進(jìn)

14、 、 排氣 閥 開(kāi) 啟 時(shí) 不 與 活 塞 頂 部 撞 擊 ,在 活 塞 頂點(diǎn) 與 氣 缸 蓋 之 間 留 有 一 定 得 空 隙 ,這 一 空隙 稱(chēng) 為 余 隙 容 積 幾 個(gè) 名 詞 ：余 隙 容 積 Vc（ =V3）氣 缸 工 作 容 積 (活 塞排 量 ) Vh(=V1V3)有 效 吸 氣 容 積 Ve（ =V1V4）容 積 效 率 v=Ve/Vh余 隙 比=Vc/Vh 余 隙 容 積 對(duì) 生 產(chǎn) 量 的 影 響 1111 11 11 3431 331 41 nn hchcsv VV VVVV VVV VVVV 討 論 ： ;)確定，當(dāng)hc VVa 生產(chǎn)量mv ;)一定當(dāng)bVc， Ve

15、Vm生 產(chǎn) 量 余 隙 對(duì) 理 論 耗 功 無(wú) 影 響 （ 實(shí) 際 上還 是 使 耗 功 增 大 ） 。歸 納 ： 余 隙 存 在 使2） 實(shí) 際 耗 功 增 大有 害 容 積1） 生 產(chǎn) 量 下 降 多 級(jí) 活 塞 式 壓 氣 機(jī) 的 壓 氣 過(guò) 程 min,max,22 vv TT 采 用 分 級(jí) 壓 縮 ，級(jí) 間 冷 卻 ： 壓縮過(guò)程中隨 p升高， T升高； v 下降 多 級(jí) 壓 縮 和 級(jí) 間 冷 卻為 了 節(jié) 省 壓 縮耗 功 和 限 制 壓縮 終 溫 ,同 時(shí)為 避 免 因 增 壓比 太 高 而 影 響容 積 效 率 ,常采 用 多 級(jí) 壓 縮和 級(jí) 間 冷 卻 的方 法 理 論

16、耗 功 分 析每 生 產(chǎn) 1kg壓 縮 氣 體 ： C C, C,l hw w w 1 n低 壓 缸 a p中 冷 器3 n高 壓 缸 2 3 11 2C g 1 g 31 1 11 1 nn nna ap pn nw R T R Tn p n p 21 pppa 時(shí) C C,minw whaal pppp 21或耗 功 最 少 21 2 C C,min1mm p w wp 時(shí)討 論 ： 按 12ppmi 選 擇 各 級(jí) 中 間 壓 力 ，推 廣 ： 若 m級(jí) ， 則 a） 各 級(jí) 耗 功 相 等 1 C, g 1 11 nni inw R Tn （ 總 耗 功 C C ,iw mw有 利 于

17、 曲 軸 平 衡 nniTT 11 ） 優(yōu) 點(diǎn) ： d） 各 缸 按 比 例 縮 小 e） 對(duì) 提 高 整 機(jī) 容 積 效 率 v有 利 b） 各 缸 終 溫 相 同各 缸 終 溫 中 最 高 者 ， 有 利于 潤(rùn) 滑 油 工 作 及 使 可 靠 性增 加 。 c） 各 級(jí) 散 熱 相 同 Tcnnq Vi 1各 中 冷 器 散 熱 相 等 Tcq pi 中， 2） 若 分 級(jí) 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 2-4級(jí)3） 定 溫 效 率 C,C, CTT ww 4） 真 空 泵 (vacuum pump)的 實(shí) 質(zhì) 也 是壓 氣 機(jī) ， 是 出 口 壓 力 為 恒 值 環(huán) 境 壓力 ， 進(jìn) 氣 壓 力 不 斷 降 低 的 壓 氣 機(jī) 葉輪式壓氣機(jī)工作原理 一 .簡(jiǎn) 介 葉 輪 式 壓 氣 機(jī) ： 沒(méi) 有 余 隙 影 響 ； 但 每 級(jí) 增 壓 比 不 高 。轉(zhuǎn) 速 高 ； 連 續(xù) 吸 ， 排 氣 ， 運(yùn) 轉(zhuǎn) 平 穩(wěn) ；排 氣 量 大 二 .葉 輪 式 壓 氣 機(jī) 熱 力 學(xué) 分 析由 于 排 量 大 ， 運(yùn) 轉(zhuǎn) 快 ， 難 冷 卻 ， 可作 絕 熱 壓 縮 考 慮 葉輪式壓氣機(jī)工作原理 理論耗功C, 2 1s sw h h 實(shí)際耗功C 2 1 w h h 1, 1 1( 1)1C sW p v