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第五章 热工基础的应用,1、主要设备的基本结构和工作原理;,2、对热力过程、热工设备和循环进行热力学 和传热学分析,进行有关的热设计;,3、根据分析提出改进过程、设备和循环的提高能量利用经济性的具体措施与方法。,第一节 喷管和扩压管,动力工程中经常遇到气体和蒸汽在管路设备内的流动过程:,喷管(nozzle),扩压管(diffuser),节流(throttle valve),气体不同形式能量之间传递和转化遵循何种规律等?,气体和蒸气在流经这些设备时气流参数如何变化?,这些变化与流道截面积有何关系?,研究气体和蒸气在变截面短管内的流动。最后获得喷管和扩压管的流动规律;先分析可逆流动,然后对不可逆过程进行修正; 先分析理想气体过程,再分析蒸气过程。,喷管:用于增加气体或蒸气流速的变截面短管。扩压管:使气流压力升高而速度降低的变截面短管。,研究方法,1 连续性方程,对上式进行微分得:,一 稳定流动的基本方程式,考虑稳定流动,流经任何截面的流量为定值,稳定流动的连续性方程式,适用条件:稳定流动,与可逆性无关,描述了流道内流体的流速、比体积和截面面积之间的关系:,流道的截面面积增加率,等于比体积增加率与流速增加率之差,2 稳定流动能量方程,简化,微元形式,对控制体应用稳定流动能量方程式,绝热不作功的稳定流动中,任一截面上工质的焓与其动能之和保持定值:气体动能的增加等于焓降,可逆过程时:,绝热滞止与滞止参数,1、绝热滞止过程:气体在绝热流动过程中,因受某种物体的阻碍,或经扩压管后,气体流速降低为零的过程 2、滞止参数:气流速度在绝热滞止过程中滞止为0的状态称为滞止状态,其状态参数称为滞止参数。,当气体绝热滞止时速度为零,总焓或滞止焓,对于理想气体,若把比热容近似当作定值,滞止温度,据绝热过程方程式,理想气体比热容近似当作定值时的滞止压力为,3、过程方程,对于理想气体可逆绝热过程,4、声速和马赫数,由物理学可知,声音在介质中传播的速度为,对于理想气体定熵过程, 可得:,微分形式:,马赫数定义为,当 Ma 1 时 超声速流动 当 Ma = 1 时 声速流动,声速是状态参数, 当地声速:当地/某截面处热力状态下的声速,由式(5-7)(5-5),可得:,将上式代入连续性方程,得,上式称为流动的特征方程。,二 管内流动的特征方程,从物质守恒、动量守恒、和能量守恒的角度来分析稳定一元流动,管内流速的变化取决于压力和截面面积的变化。气体流速与压力及流道截面面积之间到底有什么样的关系?,喷管,速度增加(dc 0),Ma1,亚声速流动,dA1,超声速流动,dA0,气流截面扩张,Ma1,扩压管,速度降低(dc1,超声速流动,dA1,Ma1,扩压管的要求:超音速流必须是渐缩喷管;亚音速流必须是渐扩喷管;从超音速到亚音速必须是渐缩渐扩喷管,在喉部达到音速。,喷管的要求:亚音速流必须是渐缩喷管;超音速流必须是渐扩喷管;从亚音速到超音速必须是渐缩渐扩喷管(拉伐尔喷管),在喉部达到音速。,三 喷管的计算,喷管:用于加速气流的管道称为喷管。,、渐缩喷管,、缩放喷管(拉伐尔喷管),1、喷管的流速计算及分析 (主要是出口截面的流速计算与分析),由,滞止面上气体流速为0,即c0=0,出口截面流速为,对于蒸气,焓值可以通过查图、表得到。 对于理想气体可逆过程,在工质、气体进口状态确定的条件下,气体出口速度仅取决于压比P2/P0,其值随着P2/P0的减小而增大。当P2/P0 0时,C2有最大值:,然而这一最大出口流速是达不到的。因为P2 0,则2为无穷大,出口截面也无穷大,这显然是实际做不到的。事实上,实际P2/P0还受喷管形状限制,2.临界压比,临界截面上的气体压力Pcr与滞止压力p0之比称为临界压比:,临界截面上的气体的流速:,由于临界截面处流速已达声速,则:,从上式可推得,临界压比仅与气体热力性质有关,常见气体的临界压比为:,3、喷管的设计,在给定流量qm,初始参数 p1、t1 、 c1、及背压 pb (喷管出口处环境压力),设计一喷管。设计的原则是充分利用给定的压差p = p1 pb , 获得尽可能高的流速。使技术功全部转化为气体动能,为转变为机械能做准备,(1)求滞止参数,(3)喷管的流量计算,(2)选择喷管类型, 确定出截面上的压力,(4) 计算出口截面参数及最小截面参数,a) 若选择的是渐缩喷管,则出口截面就是最小截面,b) 若选择的是缩放喷管,4、喷管流动的校核计算,校核计算主要是渐缩喷管的校核计算。一般情况是给定喷管进口参数,出口截面面积及背压,计算出口截面参数及流量,即已知 p1、T1、A2、pb,求 p2、T2、v2、c2、qm。,(1)、求滞止参数,(2)、确定出口截面上的压力 p2,(3) 计算出口截面参数,例 1、 试设计喷管,使静止的空气从 ,可逆地膨胀到 ,流量 。则喷管出口流速及截面面积为多少?,(2),(2)计算主要截面的状态参数,临界截面,出口截面,(3)计算主要截面处流速,(4)计算主要截面的截面积,四 有摩阻的绝热流动(不可逆绝热流动),不可逆因素的大小用速度系数来衡量,定义为,也可以用能量损失系数表示,定义为,喷管效率,例2: 一渐缩喷管,出口截面面积 ,进口水蒸气参数为 , ,背压 。试求;a)出口流速 ,流量 ;b)若 , c) 在a)的条件下,若存在摩阻 ,则,解:a)确定出口压力:,确定出口截面参数:查图或查表得,由 查得,求出口流速:,流量:,b),由 查得,c)若有摩阻存在,则,由喷管速度系数:,由 查图或查表得:,故,第三节 压气机的热力过程,产生压缩气体的设备称为压气机。压气机消耗机械能(电能/热能)使气体压力升高,压气机的分类,1、按压力范围分通风机(0.01MPa表压以下)鼓风机(0.10.3MPa表压)压缩机(0.3MPa表压以上),2、按工作原理分活塞式压气机叶轮式压气机,共同点:消耗功,使气体压力升高。 被压缩的介质为空气、蒸气等可压缩流体,一 单级活塞式压气机,1、工作原理,f 1 气体被吸入气缸(状态参数不变) 12 气体在气缸内被压缩(状态参数发生变化) 2g 气体被推出气缸(状态参数不变)增压比:=P2/P1单个气缸的工作是周期性的 周期很短。多个气缸联合工作,可认为是稳定流动系统。,2、压气机的耗功,压气机的耗功Wc=sh,在忽略动能和势能变化时有:,Wc=sh t,在可逆情况下,三种压气过程pv 及 T-s 图,等温压缩耗功最少,温度/终温最低,有利于润滑,、可逆绝热压缩,、可逆多变压缩,、可逆定温压缩,实际的压缩过程中,采用了一定的冷却措施,但难以实施室温过程,过程介于定温和绝热过程之间。,二 叶轮式压气机,1、工作原理,相对于活塞式最大优点是流量大,气体能无间歇地连续流进流出。可分为:轴流式和径流式。 加速扩压再加速再扩压,2、压气机的耗功,叶轮式压气机的压缩过程是绝热过程,过程可逆时,绝热压缩,过程不可逆时,粘性摩阻使耗功多,不可逆过程多耗的功,压气机的绝热效率:反映绝热压缩过程不可逆因素的大小,对于理想气体,定比热容,三 多级压缩级间冷却,有一个最佳增压比,省功,采用两级压缩、级间冷却,并假定两级的多变指数相等,T2=T1 , 则压气机的耗功为,得最隹中间压力为,可见,当各级增压比相等时,总耗功量最小,且每级的耗功量相等。,如果有m级,要使耗功最小,则,最佳压比,每级耗功,总耗功,多级压缩、级间冷却的优点,( l)每级压气机所需的功相等,这样有利于压气机曲轴的平衡;,(2)每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同,这样每个气缸的温度条件相同;,(3) 每级向外排出的热量相等,而且每一级的中间冷却器向外排出的热量也相等。,除此之外的省功途径: 1.气缸冷却水套(叶轮式很少这样做);2.进口喷水(雾),可能危及安全。,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,例5-9 空气初压为98.5kPa初温为20,经三级压气机压缩后压力提高到6.304MPa。若采用级间冷却使空气进入各级气缸时温度相等,各级压缩均为定熵压缩。试求生产单位质量压缩空气所耗最小功量及各级气缸的排气温度。又若采用单级压气机一次压缩至 6.304MPa且为定熵压缩,则所耗功量及排气温度各为多少?解(l)求三级压缩的最小功量及排气温度 采用三级压缩、级间冷却的压缩过程的P-v图,如图5-34所示,过 程线为1-2-3-4。同一图上还画出了单级压缩过程线1-5。虚线为过初态1的定温线。三级压缩的最佳压比为,取最佳压比时,各级耗功量相等,总耗功量最少。总耗功量,因T1=T3=T5,且各级压比相等,故各级压气机排气温度相等,(2)若单级压缩,则耗功量,第四节 内燃机,活塞式内燃机的分类:,使用燃料,煤气机,汽油机,柴油机,点火方式,点燃式,压燃式,(煤气机、汽油机),(柴油机),冲程,四冲程,二冲程,(进气,压缩,燃烧膨胀,排气),(进气-压缩,燃烧膨胀-排气),1、汽油机的实际工作循环,0 吸入空气与汽油混合物,2 压缩。 点2处电火花点燃,23 燃烧放热, 排气阀打开,排气,34 燃气膨胀作功,一 汽油机,点燃式,2、循环的简化定空加热理想循环,(1)、忽略进排气压差; 把排气过程简化成向低温热源可逆定容放热过程,(2)、循环中工质具有空气的热性质。,(3)、燃烧放热过程简化为外热源供热,定容吸热。,(4)、压缩和膨胀简化为可逆绝热,经简化后,变为由二个定容过程和两个定熵过程组成的闭式循环。称为定容加热理想循环,又称奥托循环。,(5)、忽略实际过程的摩擦阻力及进、排阀的损失,燃烧改成加热后不必考虑燃烧耗氧问题,因而开式循环就抽象为闭式循环。,pv及Ts图,循环热效率,二 柴油机,压燃式,1、柴油机的实际工作循环,0 吸入空气,2 压缩,2开始喷油,23 4 燃烧放热,5 排气阀打开,排气,45 膨胀作功,2、循环的简化混合加热循环理想循环,(1) 、忽略进排气压差,(2) 、循环中工质具有空气的热性质。,(3) 、燃烧放热过程简化为外热源供热, 燃烧放热简化为定容加热和定压加热。,(4) 、压缩和膨胀简化为可逆绝热,经简化后,变为由二个定容过程、一个定压过程和两个定熵过程组成的闭式循环。称为混合加热理想循环。萨巴德循环压缩结束后,活塞右移时喷油,只有定压燃烧,则是定压加热理想循环,即狄塞尔循环。,pv及Ts图,混合加热循环计算,循环热效率,定义三个参数,混合加热循环,热效率的表达式如下,混合加热循环,热效率: 随压缩比和升压比增加而升高 随预胀比的增加而降低 柴油机为14-20,3、低速柴油机的实际工作循环定压加热理想循环,01 吸气,1 2 压缩,23 燃烧放热, 1 排气阀打开,排气,34 膨胀作功,
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