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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、，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)
7、 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）
8、,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
9、）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,
10、、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
11、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-
12、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
13、，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
14、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,
