工程熱力學英文雙語版

Chapter8

CompressorandTurbine

壓氣機與透平ThermalEnergyEngineeringDepartment工程熱力學

EngineeringThermodynamicsSAMThermalEnergyEngineeringDepartment8-2SAM

本章主要討論壓氣機及透平的整體熱力特性，即討論氣體在壓縮及膨脹過程中能量轉換的規(guī)律及狀態(tài)變化的特點，并建立各種基本關系式。本章中，除了對整體熱力特性有明顯影響的結構因素外，都不予討論。8-1概述Outline8-2回轉式輪機的工作過程

Workprocessofrotaryturbine8-3活塞式壓氣機的工作過程

WorkprocessofreciprocatingcompressorSummary

ThermalEnergyEngineeringDepartment8-23SAM一、回轉式輪機的理想過程

對回轉式輪機，散熱量相對較小，一般都不必采用冷卻措施?？梢钥醋魇墙^熱壓縮過程；理想可逆時則為定熵過程。在回轉式輪機進、出口界面上的動、位能變化，可忽略不計。

1.能量方程

0SSSF0絕熱有

壓氣機，忽略動、位能的變化消耗的的軸功使質量流的焓值增大。氣輪機，輸出的軸功是由質量流焓值的減小轉換而來的。8-2回轉式輪機的工作過程

WorkprocessofrotaryturbineThermalEnergyEngineeringDepartment8-24SAM2.熵方程

在可逆絕熱條件下回轉式輪機進、出口截面上的熵值必然相等。0SSSF00絕熱0可逆有ThermalEnergyEngineeringDepartment8-25SAM

3.方程0SSSF0絕熱0可逆可逆絕熱條件下回轉式輪機的軸功等于進出口質量流的焓之差。

壓氣機，氣輪機，輸出的軸功是由質量流焓的減小轉換而來的。消耗的的軸功使質量流的焓增大。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-26SAM

三、回轉式輪機的實際過程回轉式輪機的實際過程并不是可逆絕熱過程，存在熵產(chǎn)與損。

0SSSF00絕熱ThermalEnergyEngineeringDepartment8-27SAM

回轉式輪機的絕熱效率adiabaticefficiencyofrotaryturbine

：實際絕熱過程12，可逆絕熱過程12s，回轉式壓氣機的絕熱效率adiabaticefficiencyofrotarycompressor

：在相同的初態(tài)及終壓的條件下，可逆絕熱壓縮過程的軸功與不可逆絕熱壓縮的軸功之比值。理想氣體，定比熱

在相同初態(tài)及相同終壓下，回轉式輪機實際過程的軸功與理想過程的軸功之間偏離程度的物理量。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-28SAM在相同的初態(tài)及終壓的條件下，實際絕熱膨脹過程的軸功與可逆絕熱膨脹過程的軸功之比值。回轉式氣輪機的絕熱效率adiabaticefficiencyofrotaryturbine

：

理想氣體，定比熱ThermalEnergyEngineeringDepartment8-29SAM實際過程的功損與損（p181）功損及損都是表示實際過程相對于理想過程，其作功能力下降程度的物理量，它們的大小都可以作為實際過程與理想過程偏離程度的度量。是對同一個實際過程的作功能力的兩種不同的度量方法。實際過程的功損：在相同的初態(tài)及終壓的條件下，定熵過程的軸功與實際絕熱過程的軸功之差值，稱為該實際過程的功損。功損在數(shù)值上就等于定壓下提高工質出口溫度所需的熱量。顯然，如果加以利用的話，這部分熱量在理論上仍有一定的作功能力。功損并非全是無法作功的無用能。實際過程的損:

在初、終兩態(tài)相同的條件下，最大有用功與實際絕熱過程的軸功之差值.

損就是功損中不可能再作功的那一部分無用能.ThermalEnergyEngineeringDepartment8-29SAM例8-1

（p181）有一臺回轉式壓氣機每分鐘生產(chǎn)的壓縮空氣量為20kg。壓氣機從壓力為0.1MPa，溫度為17℃的周圍環(huán)境中吸入空氣，壓氣機的出口壓力為0.6MPa，壓縮過程可看作是絕熱的。如果壓氣機的絕熱效率為0.85,試計算驅動該壓氣機所需的功率以及實際壓氣過程的功損率及損率。分析：或①②ThermalEnergyEngineeringDepartment8-30SAM8-3活塞式壓氣機的工作過程

Workprocessofreciprocatingcompressor從熱力學觀點來看，各種形式的壓氣機并無本質區(qū)別，都包括：進氣→壓縮→排氣三個階段。一、壓氣機的壓氣過程compressingprocessofcompressor

壓氣過程可作為穩(wěn)定流動過程，若忽略進氣和排氣的流動動能和重力位能，由有0SSSF

壓氣過程的兩種極限情況：可逆定熵壓縮過程reversibleisentropiccompress可逆定溫壓縮過程reversibleisothermalcompress

工程上壓氣機的實際壓縮過程介于兩種極限情況之間，若過程可逆，則為多變過程，n∈(1,k)

。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-31SAM可見因而，在壓縮過程中應力求使工質得到充分冷卻，使之趨于定溫壓縮。壓氣機的排氣溫度一般不超過160～180

C。

由于排氣溫度超過限定值，會引起潤滑油變質，從而影響潤滑效果，嚴重時還可能引起自燃甚至發(fā)生爆炸，所以不能用單級壓縮產(chǎn)生很高的壓力。實際上采用單級壓縮還是多級壓縮，要看壓縮終態(tài)溫度是否超過規(guī)定值。(1)1-2compressingprocess(2)2-3exhaustprocesswhen,theexhaustvalveopens.Statedoesnotchange,,themassofthegasintheclearancevolumeis,andThermalEnergyEngineeringDepartment8-32SAM(3)3-4expansionprocessPistonmovesright,thegasintheclearancevolumeexpands,thepressuredecreases,when,theintakevalveopens.stateofthegasinthecylinderdoesnotchange,themassrises,when,intakevalveisclose.(4)4-1intakeprocess二、單級活塞式壓氣機的壓氣過程及效率1.壓氣過程ThermalEnergyEngineeringDepartment8-33SAM余隙比clearanceratio氣缸的最大容積余隙容積clearancevolume

工作容積(排量)

workingvolumeofthecylinder有效吸氣容積effectiveaspiratoryvolumeThermalEnergyEngineeringDepartment8-34SAMAssumptions:thenatureofprocessisthesameinthecompressprocess1-2andexpansionprocess3-4.或ThermalEnergyEngineeringDepartment8-34SAM討論:

余隙容積對活塞式壓氣機的影響?

余隙容積的存在理論上不影響壓縮單位質量氣體所消耗的軸功，但實際上由于存在膨脹和壓縮過程的不可逆損失，壓氣機耗功會增加。余隙容積的存在使氣缸有效吸氣容積減少，使總輸氣量減少。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-35SAM其中，增壓比2.容積效率volumetricefficiency則單級活塞式壓氣機的增壓比不宜過高，一般不超過12。設膨脹與壓縮過程的多變指數(shù)相同.increasedpressureratioThermalEnergyEngineeringDepartment8-36SAM如何用圖定性地表示容積效率隨增壓比及多變指數(shù)的變化情況？討論:ThermalEnergyEngineeringDepartment8-37SAM3.壓縮機等溫效率

isothermal

efficiencyof

compressor實際過程的功損：在相同的初態(tài)及終壓的條件下，可逆定溫壓縮過程的軸功與實際壓縮過程的軸功之差值，稱為該壓縮過程的功損。ThermalEnergyEngineeringDepartment8-38SAM例8-2（p185）有一臺活塞式壓氣機，其余隙比為0.05。若進氣壓力為0.1MPa，溫度為17℃，壓縮后的壓力為0.6MPa。假定壓縮過程的多變指數(shù)為1.25，試求壓氣機的容積效率。如果壓縮終了的壓力為1.6MPa，則容積效率又為多少？耗功是多少？解當終壓p2＝1.6MPa時，有

可見，增壓比提高，容積效率明顯下降?；騎hermalEnergyEngineeringDepartment8-46SAM

例8-3（P187）有一臺活塞式空氣壓縮機，其氣缸有水套冷卻。若把空氣由0.1MPa及17℃的初態(tài)壓縮到0.6MPa的終壓，并已知壓縮過程的多變指數(shù)為n＝1.3，試確定該壓縮機生產(chǎn)每公斤壓縮空氣所消耗的功量及放出的熱量。如果在相同初態(tài)及終壓的條件下，可逆的絕熱壓縮及可逆的定溫壓縮，則結果又將如何？ThermalEnergyEngineeringDepartment8-46SAM例8-4

（P188）在初態(tài)及終壓保持不變的情況下，對上例中的活塞式壓氣機的冷卻條件加以改進。在穩(wěn)定工況下測得出口溫度T2＝410K，生產(chǎn)每公斤壓縮空氣所需的功量為w12＝-170kJ/kg。試計算實際壓縮過程的放熱量，并確定實際過程的定溫效率、功損及損。分析：①由熱一律，有②④③⑤利用上方程求出熵產(chǎn)與損。三、多級壓縮

MultilevelcompressCharacteristicofmultilevelcompress：(1)gettinghigherpressure;(2)clearanceratioismorereasonable;(3)Intercoolerisused,temperatureofcompressisnothigh,exhaustingworkissmall.ThermalEnergyEngineeringDepartment8-39SAMtwo-stagecompress為什么要采用多級壓縮？question：Solution：Assumptions:(1)gasisidealgas;(2),andtheprocessisreversible;(3);ThermalEnergyEngineeringDepartment8-41SAMWhentheworkinputisminimum?

question：，thenThermalEnergyEngineeringDepartment8-42SAMIf當壓氣機的各級多變指數(shù)相同、各級增壓比相同、且采用中間冷卻措施，并能充分冷卻到初始溫度時，壓氣機耗功最少，且各級耗功量相等。

answer：then如圖b，兩級壓縮，余隙容積相同、質量流量相同，但容積效率不同（高壓級小）。ab3.MultilevelcompressWhenexhaustingworkisminimum,,otherwiseprocessisnotreliableandthedeviceswillbecomplex.ThermalEnergyEngineeringDepartment8-43SAMThermalEnergyEngineeringDepartment8-44SAM例在例8-2中，為了把0.1MPa、17℃的空