1、第第8-98-9章章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環 武漢大學動力與機械學院武漢大學動力與機械學院楊楊 俊俊2014.08按工作按工作原理分類原理分類活塞式活塞式壓頭高，流量小，間隙生產壓頭高，流量小，間隙生產葉輪式葉輪式壓頭低，流量大，連續生產壓頭低，流量大，連續生產第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環一、工作原理一、工作原理 8-1 8-1 活塞式壓氣機活塞式壓氣機pv12gf上止點下止點（1 1）低壓氣體流入氣缸氣體對活塞）低壓氣體流入氣缸氣體對活塞做推進功做推進功 ；（2 2）活塞壓縮氣體，消耗壓縮功；）活塞壓縮氣體，消耗壓縮功；（3 3）高壓氣體排出，活塞

2、對氣體做）高壓氣體排出，活塞對氣體做推進功。推進功。adbc第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環一個完整的壓縮氣體生產過程包括氣體流入、壓縮、排一個完整的壓縮氣體生產過程包括氣體流入、壓縮、排出三個階段。消耗外界機械能的總和稱為壓氣機耗功。出三個階段。消耗外界機械能的總和稱為壓氣機耗功。()()()ctwaccdbdw 二、壓氣機理論耗功二、壓氣機理論耗功換熱極差換熱極差絕熱過程絕熱過程12,1111kkc stgpkwwR Tkp 第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環換熱極好換熱極好定溫過程定溫過程2,11lnc TtgpwwR Tp 換熱一般換熱

3、一般多變過程多變過程12,1111nnc ntgpnwwR Tnp kn 1第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環2p1p1T2n2s2pvT2n21Ts2p1ps2,c sc nc Twww2,2,2,snTTTT2,2,2,snTvvv增壓比增壓比21pp,c Tc Tcww等溫效率等溫效率第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環,1( , )c nwf n T由此可見由此可見 在環境溫度下定溫壓縮，耗功最小。在環境溫度下定溫壓縮，耗功最小。如果進氣溫度大于環境溫度，應先冷卻至如果進氣溫度大于環境溫度，應先冷卻至環境溫度再施壓縮。環境溫度再施壓縮。第八

4、、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環三、三、 余隙容積余隙容積pv12gf余隙容積余隙容積排氣不完全排氣不完全進氣量小于活塞排量。進氣量小于活塞排量。排壓力越高，進氣越少。排壓力越高，進氣越少。不影響生產單位壓縮氣體的功耗不影響生產單位壓縮氣體的功耗上止點下止點余隙容積cVhV活塞排量第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環/chV V余隙余隙容積比容積比/vhV V容積效率容積效率433134314h131313113c4133h(1)1111111VVVnnVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV 第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動

5、力循環儲氣罐冷卻水高壓缸低壓缸進氣口122333p1p21?optpp最佳增壓比最佳增壓比pv 省功省功四、多級壓縮級間冷卻四、多級壓縮級間冷卻2p第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環12cccwwwn-12n11n-13n221() 11()1pnRTnppnRTnp20wpc213pp p3212pppp112mmimmpp 第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環優優 點：點：（1 1）減小耗功）減小耗功; ;（2 2）每級功耗相等，利于曲軸平衡；）每級功耗相等，利于曲軸平衡；（3 3）每級氣體進出溫度相同，可以采用相同的材料；）每級氣體進出溫度相

6、同，可以采用相同的材料；（4 4）每級排熱相同；）每級排熱相同；（5 5）提高容積效率。）提高容積效率。第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環8-2 8-2 葉輪式壓氣機葉輪式壓氣機一、形式與特點一、形式與特點（1 1）形式）形式軸流式、離心式軸流式、離心式（2 2）特點）特點流量大、體積小；壓比小、摩擦大流量大、體積小；壓比小、摩擦大 軸流式軸流式 離心式離心式第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環二、工作原理與功耗計算二、工作原理與功耗計算 噴管的逆過程噴管的逆過程葉輪帶動氣體高速旋轉對氣體做葉輪帶動氣體高速旋轉對氣體做功使其加速。高速氣體流經靜葉組

7、成的擴壓通道速度功使其加速。高速氣體流經靜葉組成的擴壓通道速度下降，壓力升高。汽流在機內經歷一個不可逆絕熱過下降，壓力升高。汽流在機內經歷一個不可逆絕熱過程。程。Ts1p2p12T2T 212112111()(1)1cpkkppwhhc TTTc Tc TT理論耗功理論耗功第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環2121()cpwhhc TT實際耗功實際耗功絕熱效率絕熱效率2121,2121c shhTThhTT2121, c sTTTT第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環 例例8-1 8-1 葉輪式壓縮機，氮氣進口參數葉輪式壓縮機，氮氣進口參數p p1

8、 1 = 0.0972MPa= 0.0972MPa，t t1 1= 20= 20， 出口壓力出口壓力p p2 2 = 311.11kPa= 311.11kPa，進口處氮氣流量，進口處氮氣流量 。3113.3m /minVq 壓氣機絕熱效率壓氣機絕熱效率 C,sC,s= 0.80= 0.80，略去進出口動能差和位能差，略去進出口動能差和位能差，求：求： 1 1）壓氣機定熵壓縮的耗功量）壓氣機定熵壓縮的耗功量; ; 2 2）實際耗功量）實際耗功量; ; 3 3）由于不可逆而多耗功）由于不可逆而多耗功 w wt t; ; 4 4）作功能力損失）作功能力損失I I。t t0 0=20 =20 。g1.

9、038 kJ/(kg K)0.297 kJ/(kg K)1.4pcR已知氮氣：已知氮氣：第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環s12126.6 1.038293408.5252.97 kWmpPq ctt sC,s15178316.21 kW0.8PP s63.24 kWPPP 11.4 11.42211311.11(20 273.15)408.5 K97.2pTTp解：（解：（1）g 1311297 2930.895 m /kg97.2RTvp1113.3126.6 kg/min0.895Vmqqv（2）（3）第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環21

10、21C,s408.5293293437.4 K0.8TTTT20iso0N043.7ITSTsskW222Ng22lnlnmpTpsqcRTp22lnmpTq cT8.983 kJ/(K min)（4）第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環第八章習題第八章習題習題：習題：8-88-8、8-118-11第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環9-1 9-1 循環分析的一般方法循環分析的一般方法一、能量平衡分析方法一、能量平衡分析方法 （1 1）熱源提供熱量）熱源提供熱量（2 2）各種損失）各種損失（3

11、 3）輸出有用功。）輸出有用功。內部效率內部效率i實際循環功循環吸熱量,1net actwq,11,net actnet actnet cnetinetnet cwwwwqqww相對內效率相對內效率相對熱效率相對熱效率卡諾熱效率卡諾熱效率0itcT ,0net actnetww,netTnet cww,1net ctcwq第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環做功能力損失做功能力損失01ngiiITSEx效率效率,ExExx effexx sufEE輸出有效供給二、熵（或二、熵（或ExEx）分析方法）分析方法第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環9-2

12、9-2 活塞式內燃機循環活塞式內燃機循環一、柴油機理想循環一、柴油機理想循環 （1 1）工作過程）工作過程第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環二、循環理想化二、循環理想化1v5432p第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環三、循環分析三、循環分析512113243()11()()netvtvpwc TTqqqc TTc TT 12vv43vv32pp壓縮比壓縮比定容增壓比定容增壓比定壓預脹比定壓預脹比11111ktkk ,ttt汽油機循環汽油機循環煤氣機循環煤氣機循環1 1 第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環9-3 9-3 燃氣

13、輪機循環燃氣輪機循環廢廢氣氣燃燒室燃燒室燃氣輪機燃氣輪機空氣空氣壓壓氣氣機機燃料燃料泵泵燃燃料料 環境空氣進入環境空氣進入壓氣機被絕熱壓壓氣機被絕熱壓縮。縮。 高壓空氣送高壓空氣送到燃燒室與燃料到燃燒室與燃料混合定壓燃燒。混合定壓燃燒。 燃氣進入透燃氣進入透平絕熱膨脹做功，平絕熱膨脹做功， 廢氣排到環廢氣排到環境。境。第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環1-1-第一級噴嘴支承環；第一級噴嘴支承環；2-

14、2-第一級噴嘴；第一級噴嘴；3-3-第一級持環；第一級持環；4-4-第一級護環；第一級護環；5.5.第二級噴嘴；第二級噴嘴；6-6-第二級護環；第二級護環；7-7-第三級噴嘴；第三級噴嘴；8-8-第三級護環；第三級護環；9-9-第三級隔板；第三級隔板；10-.10-.第三級葉輪第三級葉輪11-11-第二級葉輪；第二級葉輪；12-12-級間輪盤；級間輪盤；13-13-第一級葉輪；第一級葉輪；14-14-第二級隔板第二級隔板第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環一、定壓加熱理想循環1v432p1s432T1-21-2絕熱壓縮絕熱壓縮2-32-3定壓吸熱定壓吸熱3-43-4絕熱膨

15、脹絕熱膨脹4-14-1定壓放熱定壓放熱1 1、循環、循環第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環2 2、分析、分析4121132()11()pnettpc TTwqqqc TT 411321122(1)1111(1)kkTTTTTTTT 理想定壓加熱循環的熱效率只與增壓比有關理想定壓加熱循環的熱效率只與增壓比有關這一結論是否與這一結論是否與卡諾定理矛盾？卡諾定理矛盾？熱效率與吸熱均溫和熱效率與吸熱均溫和放熱均溫是否有關？放熱均溫是否有關？第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環3421()()netTcwwwhhhh1134211()()(1)kkkkppp

16、c TTc TTc T1kk1兩種極限情況兩種極限情況必有最大值必有最大值0netw0netw0netw2(1)maxkkw2,max1(1)netpwc T第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環二、定壓加熱實際循環二、定壓加熱實際循環 1-2 不可逆絕熱壓縮；不可逆絕熱壓縮； 2-3 定壓吸熱；定壓吸熱； 3-4 不可逆絕熱膨脹；不可逆絕熱膨脹； 4-1 定壓放熱。定壓放熱。第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環s21C,sC,sC21hhwwhhsC21C,s1whhs2121C,s1hhhh

17、st,T34Tt,T34whhwhhst,TT34whhs43T34hhhh第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環neti1wq 整理整理ssnett,TCT3421Cs1wwwhhhhs1323121Cs1qhhhhhh sssT1T3421CsCsi31211CsCs111111hhhhhhhh第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環討論討論：CsT)ia除 、 外 還與、有關i),b一定時，),(iic 有極值)增大增大是提高燃氣輪機裝置性是提高燃氣輪機裝置性能（能（wnet，i）的方向。）的方向。TCsiTCs0.85 0.920.85 0.90目

18、前，第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環三、提高燃氣輪機裝置熱效率的措施三、提高燃氣輪機裝置熱效率的措施1.回熱（回熱（regeneration） 廢氣溫度較高，廢氣溫度較高，引入回熱器，對引入回熱器，對壓縮空氣加熱，壓縮空氣加熱，稱為回熱稱為回熱 實際回熱量理論回熱量回熱度回熱度 第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環討論討論20tt,111TwqT 回回回回極限回熱極限回熱351612ppqcTTqcTT回回37181ppqcTTqcTT回2回注意：注意：達一定值，回熱不能進行達一定值，回熱不能進行。第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮

19、及動力循環實際循環的回熱實際循環的回熱72485242hhhhhhhh72527252()hhhhTTTT（）84428442()()hhhhTTTT881213711iTTqqTT 第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環2.2.回熱基礎上分級壓縮，中間冷卻回熱基礎上分級壓縮，中間冷卻循環循環12341：t111循環循環1567341：循環循環12341循環循環67256循環循環67256：tt1111 采用分級壓縮，中間冷卻后采用分級壓縮，中間冷卻后t ？+t1567341t12341第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環如果不回熱net,156734

20、1net,12341ww1,15673411,12341qqt,1567341t,12341第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環充分回熱，吸熱不變、做功增大3.3.回熱基礎上分級膨脹，中間加熱回熱基礎上分級膨脹，中間加熱循環循環12389101= 12389101= 循環循環12341+12341+循環循環981048 981048 若無回熱若無回熱t,12341t,127101t,2389101t,127101t,2389101t,12341第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環回熱，循環回熱，循環1238910112389101與循環與循環1234

21、112341比較，比較，T T1m1m上升上升t,12389101t,123414.4.回熱基礎回熱基礎上上 分級壓縮，中間冷卻；分級膨脹，中間加熱分級壓縮，中間冷卻；分級膨脹，中間加熱第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環當分級壓縮中間冷卻；分級膨脹中間再熱，級數趨向無當分級壓縮中間冷卻；分級膨脹中間再熱，級數趨向無窮多時，定壓加熱理想循環趨于概括性卡諾循環。窮多時，定壓加熱理想循環趨于概括性卡諾循環。第八、九章第八、九章 氣體壓縮及動力循環氣體壓縮及動力循環9-2 9-2 噴氣發動機簡介噴氣發動機簡介 定壓燃燒噴氣式發動機定壓燃燒噴氣式發動機(jet engine)(jet engine)的理論循的理論循環及實際循環與燃氣輪機裝置定壓加熱循環