【壓縮機(jī)網(wǎng)】編者按：空壓機(jī)作為一種通用動力機(jī)械設(shè)備，涉及到很多方面的知識，比如流體力學(xué)、電學(xué)、

　　材料學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等等。而熱力學(xué)就屬于極為重要的一部分，從業(yè)者不可不知。本文將對空壓機(jī)中涉及到的熱力學(xué)相關(guān)知識進(jìn)行分享，希望對大家起到參考作用。

 

　　1．基本定律

　　熱力學(xué)第一基礎(chǔ)定律是一個(gè)自然界的規(guī)律，無法證明，但卻為人們義無反顧地所接受。它既不能被創(chuàng)造也不會被消滅。熱力學(xué)第二規(guī)律說：熱是永遠(yuǎn)無法靠“自身作用”，從一個(gè)冷源轉(zhuǎn)移到一個(gè)熱源中去。這就是說，能量只有從高溫轉(zhuǎn)移到低溫量，才可以用來作功。因此，例如在一個(gè)熱發(fā)電機(jī)中，熱量與機(jī)械功的轉(zhuǎn)換只有在其中一部分熱量保留下來，不轉(zhuǎn)變成功的前提下才能產(chǎn)生。

　　2．氣體定律

　　波義耳定律：如果溫度不變，壓力與容積的乘積也不變。其關(guān)系為：

　　P1×V1=P2×V2

　　式中：

　　P=絕對壓力（Pa），V=容積（m3）

　　即如壓縮過程容積減半，則壓力升高1倍。

　　查理士定律：氣體的容積變化正比于溫度變化。（指壓力不變時(shí)℃）。關(guān)系式如下：

　　V1/T1=V2/T2 => △V=(V1/T1)×△T

　　式中：

　　V=容積(m3)，T=容積溫度(K)，

　　△V=容積差，△T=溫度差

　　氣體狀態(tài)普遍定律是波義耳定律與查理士定律的組合。該狀態(tài)表示壓力，容積與溫度之間的關(guān)系。當(dāng)一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，至少會導(dǎo)致到其它兩個(gè)參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)的變化。關(guān)系式如下：

　　(P×V)/T=R=氣體常數(shù)

　　式中：

　　P=絕對壓力Pa，V=比容(m3/kg)，

　　T=絕對溫度(K)

　　R=R/M=氣體常數(shù)(J/kg×K)

　　常數(shù)R稱為氣體常數(shù)，它只與氣體的性質(zhì)有關(guān)。如單位容積的氣體質(zhì)量為m，則關(guān)系式可寫為：

　　P×V=m×R×T

　　式中：

　　P=絕對壓力(Pa)，V=容積(m3)，

　　m=莫爾質(zhì)量（kmo1）-

　　R=通用氣體常數(shù)=8314(J/KMO1×K)，

　　T=絕對溫度（K）

 

　　3．傳熱

　　物體內(nèi)或不同物體之間的熱量差，終究會導(dǎo)致熱的傳遞，從而達(dá)到溫度平衡。這種熱傳遞有三種方式：傳導(dǎo)、對流與輻射實(shí)際上熱傳遞是以三種方式同時(shí)進(jìn)行的。

　　傳導(dǎo)發(fā)生在兩固體之間和液體或氣體兩薄層之間，運(yùn)動著的分子將其能量釋放到鄰近的分子。

　　對流可以由介子中自然運(yùn)動進(jìn)行對流或以運(yùn)動的方式進(jìn)行強(qiáng)迫對流，如風(fēng)機(jī)或泵。強(qiáng)迫對流是有效更強(qiáng)烈的熱傳遞。

　　所有溫度大于K的物體都會產(chǎn)生熱輻射，當(dāng)熱輻射到達(dá)一個(gè)物體時(shí)，部分的能量被吸收，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷]有被吸收的輻射，或穿透過物體，或被反射，只有絕對黑體在理論上會完全吸收所有的輻射能。

　　實(shí)際上傳熱是由熱傳導(dǎo)，對流和輻射三種方式傳熱的總和，一般可用下式表示：

　　q=k×A×△T×t

　　式中：

　　q=熱量(J)，

　　k=總傳熱系數(shù)(W/m3×K)

　　A=面積(m2)，△T=溫差，T=時(shí)間(S)

　　傳熱經(jīng)常發(fā)生在被一個(gè)隔板分開的物體之間。總的傳熱系數(shù)取決于隔板的導(dǎo)熱系數(shù)及相關(guān)兩側(cè)的傳熱系數(shù)。對于光潔平板，可用下述關(guān)系式：

　　1/k=1/α1+d/λ+1/α2

　　式中：

　　α=隔板相關(guān)兩側(cè)的傳熱系數(shù)(W/m2×K)，

　　d=隔板的厚度（m）

　　λ=隔板的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m×K)，

　　k=總傳熱系數(shù)(W/m2×K)

　　在一個(gè)交換器中，被傳遞的熱量是各點(diǎn)上主熱量差與總傳熱系數(shù)的函數(shù)。傳熱面積可用下式表示：

　　Q=k×A×υm

　　式中：

　　Q=傳熱量(W)，

　　K=總傳熱系數(shù)(Wm2×K)

　　A=傳熱面積，

　　υm=對數(shù)平均溫差(K)

　　對數(shù)平均溫差定義為冷卻器兩連接測溫差的關(guān)系，用下式表示：

　　υm=υ1-υ2/1n(υ1/υ2)

　　式中：

　　υm=對數(shù)平均溫差(K)，

　　υ=根據(jù)圖1所示的溫差

 

 

　　4．狀態(tài)變化

　　在p/V圖上可以得出氣體從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的狀態(tài)變化，對于變量p、V和T，實(shí)際上需要三個(gè)坐標(biāo)。就狀態(tài)變化而言，要沿空間曲面上一條曲線移動，然后就形成狀態(tài)的變化。通常人們重視的是曲線在三個(gè)平面中的一個(gè)平面上的投影，一般是在p/V平面。最基本特征由五個(gè)狀態(tài)變化構(gòu)成：等容過程（容積不變），等壓過程（壓力不變），等溫過程（溫度不變），絕熱過程（與周圍沒有熱交換）與多變過程（與周圍的熱交換是以簡單的數(shù)學(xué)函數(shù)表示）。
 

　　4.1等容過程

　　加熱一個(gè)封閉容器中的氣體，就是等容過程的一個(gè)例子，需用熱量的關(guān)系式為：

　　q=m×cv×(T2-T1)

　　q=熱量（J）

　　m=質(zhì)量（kg）

　　cv=等容比熱（J/kg×K）

　　T=絕對溫度（K）

　　4.2等壓過程

 

　　氣缸中的氣體受到恒定載荷活塞的加熱，就是一個(gè)等壓過程的例子，所用熱量的關(guān)系式如下：

　　q=m×cp×(T2-T1)

　　q=熱量（J）

　　m=質(zhì)量（kg）

　　cp=等壓比熱（J/kg×K）

　　T=絕對溫度（K）

　　4.3等溫過程

　　若氣體在氣缸中等溫壓縮，則熱量就等于逐漸進(jìn)行壓縮所用的功。這實(shí)際上是不可能的，因?yàn)檫@么慢的過程無法實(shí)現(xiàn)。

　　產(chǎn)生的熱量關(guān)系式如下：

　　q=m×R×T×1n(p2/p1)及

　　q=p1×v1×1n(V1/V2)

　　式中：

　　q=熱量（J）

　　m=質(zhì)量（kg）

　　R=氣體常數(shù)（J/kg×K）

　　T=絕對溫度（K）

　　V=容積（m3）

　　p=絕對壓力（Pa）
 

 

　　4.4絕熱過程

　　絕熱過程的一個(gè)實(shí)例就是氣體在一個(gè)完全絕緣與外界沒有熱交換的氣缸中進(jìn)行壓縮或者氣體通過噴咀快速膨脹，而來不及與周圍進(jìn)行熱交換。絕熱過程的關(guān)系式為：

　　p2/p1=(V1/V2)k   p2/p1=(T2/T1)α

　　式中：

　　a=k/(k-1)，p=絕對壓力（Pa）

　　V=容積(m3)，T=絕對溫度(K)，k=cp/cv
 

 

　　4.5 多變過程

　　多變過程包括與周圍徹底交換的過程和根本沒有熱交換的絕熱過程。實(shí)際上，所有的過程均處在其間，因此將這個(gè)通用過程叫做多變過程。

　　該過程的關(guān)系式為:

　　p×Vn=常數(shù)

　　式中:

　　p=絕對壓力(pa)，v=容積m3，

　　n=0 表示等壓過程

　　n=1 表示等溫過程

　　n=k 表示絕熱過程

　　n=∞表示等容過程

 

　　5．氣流通過噴嘴

　　通過噴嘴的氣體流量，取決于噴嘴進(jìn)出口兩側(cè)的壓力比，如果噴嘴前的壓力尚未接近于噴嘴后的一倍，流量隨背壓的降低而增加。然而進(jìn)一步降低噴嘴后的壓力，流量不會再增加。

　　這就是所謂的臨界壓力比，其大小取決于氣體的絕熱指數(shù)（K）。當(dāng)噴管最小截面上的流速達(dá)到音速時(shí)，就出現(xiàn)臨界壓力比。

　　如果噴管后面的壓力進(jìn)一步下降，低于臨界值，氣流變成為超臨界。通過噴管的流量關(guān)系式如下：

　　G=α×Y×p1×105×A×√(2/（R×T1）)

　　式中：

　　G=質(zhì)量流量（kg/s），

　　α=噴管系數(shù)，

　　Y=流量系數(shù)，

　　A=最小通流量面積（m2）

　　R=氣體常數(shù)（J/kg×K），

　　T1=噴管前絕對溫度（K），

　　P1=噴管前絕對壓力（bar）

 

　　6．通過管道的流量

　　雷諾數(shù)是一個(gè)無因次量，表示流動介質(zhì)中慣性力與摩擦力之比。定義如下：

　　Re=D×w×η/ρ=D×w/v

　　式中：

　　D=特征量值（m）（例如圓管直徑），

　　w=平均流速，

　　ρ=流動介質(zhì)的密度(kg/m3)

　　η=流動介質(zhì)的動力粘度(pv×s)

　　v=η/ρ=流動介質(zhì)的運(yùn)動粘度(m2/s)

　　原則上說，管內(nèi)流動有兩種形式。當(dāng)Re＜2000，流體介質(zhì)內(nèi)粘性力起主導(dǎo)作用，流動成為層流。就是說介質(zhì)的不同層次之間彼此良好有次序的運(yùn)動。層流層斷面速度分布通常呈拋物線形狀。當(dāng)Re≥4000，慣性力在介質(zhì)中起主導(dǎo)作用，流動成為紊流形。流動橫截面上流體微團(tuán)成無規(guī)則運(yùn)動。紊流層斷面的流速分布成為漫散形。

　　在過渡區(qū)，Re≥2000與Re＜4000之間，流態(tài)是不穩(wěn)定的。既可以是層流也可以是紊流，或者是兩者的混合。其狀態(tài)受管道表面光滑度、外來干擾等諸多因素的影響。

　　流體能在管內(nèi)中流動，需要一定的壓差或壓降，以克服管道及連接件的阻力。壓降的大小取決于管徑、管長、管子形狀以及表面光潔度和雷諾數(shù)。
 

 

　　7．節(jié)流

　　理想氣體通過孔板壓力不變，孔板前后溫度也不變。實(shí)際上在孔板斷面處產(chǎn)生壓降，內(nèi)能轉(zhuǎn)換成動能，這就是溫度下降的原因。對于實(shí)際氣體，這種溫度變化成為持久的，即使氣體的能量總量不變。這就是所謂焦耳湯姆遜效應(yīng)。溫度的變化就等于通過節(jié)流截面的壓力變化乘以焦耳湯姆遜系數(shù)。

　　如果流動介質(zhì)有足夠低的溫度（≤329℃的空氣），通過孔板截面就產(chǎn)生溫降。但如果流動介質(zhì)的溫度更高，就產(chǎn)生溫升。這種狀況被用于某些技術(shù)領(lǐng)域，例如冷凍技術(shù)與氣體分離。

 

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