工程热力学教案2(05版).

93第7章气体及蒸汽的流动（课时29、30）一、基本要求：1、掌握定熵流动的基本方程；2、弄清促使流速改变的力学条件和几何条件，以及二者对流速的影响。理解气流截面积变化的原因。3、掌握喷管中气流流速、流量的计算，会进行喷管外形的选择和尺寸的计算，以及有摩阻时喷管出口参数的计算。能熟练进行喷管的设计和校核计算。4、明确滞止焓、临界截面、临界参数的概念。掌握绝热滞止、绝热节流、流动混合过程的计算。二、难点和重点：1、渐缩喷管出口压力与背压的关系；2、喷管的设计计算和校核计算；3、节流的工程应用。7.1稳定流动的基本方程式一、假定条件1.理想气体2.稳定流动3.流动过程是可逆的4.流动过程是绝热的二、基本方程1.连续方程mmmqqq21＝定值mffqvcAvcA222111定值AdAcdcvdvff2.稳定流动能量方程式ifwzgchq22对于短管内的流动，能量方程可简化为2222211212121fffchchch=定值对于微元过程：0212fdcdh1fc11222fc可逆图8—1变截面管道中的稳定定熵流动94滞止过程。绝热滞止。22222110212121fffchchchh=定值对于理想气体取定比热容值时，有22222110212121fpfpfppcTccTccTcTcpfccTT220对于理想气体，无论可逆与否滞止温度相等；而滞止压力：100kkTTpp可逆滞止与不可逆滞止滞止压力不相等；由图可见：200200''TTTppp思考题：由一定流速的空气流中的压力表和温度计所测数值与实际数值相比如何？对于水蒸汽：定熵滞止不可逆绝热滞止：注意：对于绝热滞止部分内容，关键是明确，绝热滞止焓2021fchh无论可逆与否，0h都始终相等，再据具体工质的性质来确定终态的00,Tp。滞止所涉及的研究领域例7-1空气以180m/sfc的速度在风洞中流动，用水银温度计测量空气的温度，温度计的读数为70℃。假设空气在温度计周围得到完全滞止，求空气的实际温度。例7-21kg温度为1330.15KT，压力17.1MPap的空气，经绝热节流压力降至0.1MPa。（1）计算节流引起的熵增。（2）上述空气不经节流而是在汽轮机内可逆绝热膨胀到0.1MPa，汽轮机能输出夺多少功？（3）上述功是否即为空气绝热节流的做功能力损失，为什么？（取环境大气00300.15K,0.1MPaTp）3.过程1fc11222fc可逆h010p1t1h-s0’h1h-00120p0p2h-s0’T112h2sp1p2sT95方程式constpvk0pdpvdvk4.声速方程声速。TkRkpvcg声速不是一个固定不变的常数，他与气体的性质及其状态有关，也是状态参数，“当地音速”。马赫数。ccMaf—超声速流——声速流——亚音速流—111MaMaMa7.2促使流速改变的条件研究促使流速改变的意义。一、力学条件（找出压力与速度的关系）ffcdckMapdp2fdcdp,符号相反。二、几何条件（找出dA与fdc之间的关系）ffcdcMaAdA12AdAcdcvdvff注意：式中的AdA为气流本身的截面，而非流道。对喷管和扩压管分别进行分析：96（一）喷管对于缩放形喷管，其最小截面处称为喉部，喉部处气流速度为当地音速。喷管截面形状与气流截面形状相符合，才能保证气流在喷管中充分膨胀，达到理想加速的效果。（二）对于扩压管（0fdc，0,0dvdp）（三）缩放喷管截面上参数均称为临界参数crcrfcrcrvcpT,,,,，1Ma。crgcrcrcrfTkRvkpc,7.3喷管的计算（课时31、32）一、流速计算及其分析1.流速的计算公式：2222211212121fffchchch=定值hhcf02出口截面上的流速；11220222ffchhhhc2.状态参数对流速的影响02020202021121222TTTRkkTTRkkTTchhcggpf对于可逆绝热:kkppTT10202kkgfppTRkkc102021122fc与入口参数及出口压力2p有关，而2p又与背压bp有关。背压：出口截面处的工作压力。2p与背压bp的关系：渐缩管渐扩管渐缩渐扩管97渐缩喷管：crcrbbcrbpppppppp22,,即渐缩喷管出口截面的压力不能小于临界压力，流速不能大于临界流速crffcc,2=kkcrgppTRkk100112缩放喷管：bpp2。喉部crcrcrcrfTvpc,,,,，kkbgfppTRkkc10021123.临界压力比定义：临界压力比0ppcrcr0ppcrcr=112kkk估算时：单原子气体：487.0,67.1crk；双原子气体：528.0,4.1crk；多原子气体：546.0,3.1crk。水蒸气的定熵流动：过热蒸汽：546.0,30.1crk；干饱和蒸汽：577.0,135.1crk。则00,12vpkkccrf二、流量计算对于渐缩喷管，crffcc,，故001222max,1212vpkkkAvcAqqkcrfcrmm对于缩放喷管，喉部,mmqq0012minmin1212vpkkkAvcAkcrfcr即对于缩放喷管，只要crbpp，则喉部即为声速crcrfvkpc。三、喷管的设计计算设计喷管的已知条件为。设计的原则是。mq02ppmcracb98设计步骤如下：(1)选择外形当00ppppbcrcr，即crbpp时，选渐缩喷管，出口气体压力bpp2；当00ppppbcrcr，即crbpp时，选用缩放喷管。（2）尺寸计算渐缩喷管：222fmcvqA缩放喷管：最小截面面积minA、出口截面面积2A和渐扩段的长度l。fcrcrmcvqAmin，222fmcvqA2tan2min2ddl例7-3：已知工质为空气．初态参数为1p＝500×103Pa，1t＝500℃，1fc=111.46m/s、出口截面压力2p＝104.6×103Pa，质量流量mq＝1.5kg／s。试：（1）设计喷管；(2)略去1fc计算喷管尺寸。例7-4初态p1＝2.8×106Pa、t1＝420℃的水蒸气以初速c1＝l20m/s可逆绝热流经喷管，进入pb＝2*106Pa的空间。当蒸汽的流量为3000kg/h时，试确定喷管的形状和尺寸。例7-5空气在一个缩放喷管中稳定定熵流动。若已知入口压力为400kPa，温度为473K，流速1fc可忽略不计；最小截面积为50cm2；出口处气流的马赫数为3，试确定：(1)临界参数：,,,,crcrcrfcrcrpTcm；(2)出口截面上的参数：22222,,,,fpTccA。997.4背压变化时喷管内流动过程简析（课时33、34）一、渐缩喷管（1）假定条件（2）不同背压下的流动特性二、缩放喷管的流动特性7.5有摩阻的绝热流动遵循能量方程：'21'21222211ffchch与无摩阻的可逆稳定流动相比：2222112121ffchch2'2222221'ffcchh速度系数：222'2ffcc能量损失系数：理想的动能损失的动能2222'2221fffccc7.6绝热节流利用绝热能量方程：有限过程：ifwzgchq22221fch100微元过程：212fdhdc21hh该式表明：经过节流后流体焓值仍回复到原值，由于在孔口附近流体处于不平衡状态，因而不能确定各截面的焓值，因此，尽管21hh，但不能把节流过程看作等焓过程。节流过程是不可逆绝热过程，0gs，则120sssad理想气体：,Tfh21hh12TT。实际气体：节流后温度可以降低，可以升高，也可以不变。蒸汽压缩式制冷，就是利用节流后温度降低来得到低温工质，用于制冷的。结合喷管设计计算，安排1课时习题课。101第8章压气机的热力过程压气机分类：工程热力学研究压气机的主要任务。一、基本要求：1、掌握活塞式压气机和叶轮式压气机的工作原理；2、掌握不同压缩过程（绝热、定温、多变）状态参数的变化规律、耗功的计算，以及压气机耗功的计算；3、了解多级压缩、中间冷却的工作情况。了解余隙容积对活塞式压气机工作的影响。二、难点和重点：1、正确计算压气机的耗功；2、叶轮式压气机的不可逆绝热压缩；3、采用多级压缩、中间冷却的意义及与单级压缩的比较8.1单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量(课时35、36)一、理想单级活塞式压气机的工作原理二、理想单级活塞式压气机的功三种典型的压缩过程的耗功量计算与比较必须掌握。可逆绝热压缩。多变压缩。定温压缩。当初态及终压给定时：scncTcTnsTTT222定温压缩的压气机耗功量最小，压缩终温也最低；绝热压缩的压气机耗功量最大且终温最高。为了减少压气机耗功量，应采取措施使压缩过程尽量接近于定温压缩，这是改进压气机工作的主要方向。8.2余隙容积的影响余隙容积的定义。一、有余隙容积的产气量：由于cV的存在，不但使余隙容积cV本身不起吸气作用，而且使另一部分汽缸容积也不起吸气作用。容积效率：3141VVVVVVhv102推导v得：111nhcvVV○1当增压比和多变指数n一定时，余隙容积比越大，容积效率越低；○2当余隙容积比hcVV和多变指数n一定时，增压比越大，容积效率越低。二、理论耗功：压气机耗功量。结论，压缩相同量的气体至同样的增压比，理论上压气机耗功量与无余隙时相同。8.3多级压缩和级间冷却(课时37、38)为什么要采用多级压缩、级间冷却的方法生产高压气体。工作原理。分级压缩耗功。不分级压缩耗功。最佳中间压力2p（最有利的中间压力是使两汽缸中所消耗的比压缩功和为最小）。312ppp3221pppp耗功：mccc=1111nngTRnn103所消耗的总功为：iccww,=m1111nngTRnn定温效率：',,cTcTcww例8.1空气由初态压力98.07kPa、温度20℃经三级压气机压缩后压力提高到12.26MPa若空气进入各级气缸时的温度相同，且各级压缩指数均为1.25，试求生产质量为lkg的压缩空气所消耗的最小功，并求各级气缸的排气温度。又若采用单级压气机一次压缩到12.26MPa．压缩指数也是1.25，则所耗的功和排气温度各为多少?简短讨论计算结果表明：单级压气机不仅比三级压气机耗功大得多，而且排气温度超过了—般规定值160℃~180℃。这是不允许的。因为排气温度过高，会引起润滑油变质，影响润滑效果，严重时还会引起自燃，甚至发生爆炸，所以不应用单级压缩生产压力很高的压缩气体。8.4叶轮式压气机的工作原理活塞式压气机的最大缺点与优点引出叶轮式压气机。叶轮式压气机分类。径流式(离心式)工作原理过程。轴流式压气机的构造。轴流式压气机的工作工程：叶轮式压气机中的实际过程是不可逆绝热过程：HWsc,绝热效率sc,：'2121'2121,hhhhHHHHsc104例8—2一台叶轮式氮气压缩机，进口参数为1p=97.22kPa、1t＝20℃，出口压力2p＝311.1kPa。进口处氮气流量mq＝113.3m3／min，压气机的绝热效率sc,＝0.80。若略去进出口动能差和位能差，（1）求压气机定熵压缩的耗功量scW,；（2）求不可逆绝热压缩压气机的耗功量cW；（3）求由于不可逆多耗的功量W；（