空压机涉及到的热力学知识

1．基本定律

 

热力学第一基础定律是一个自然界的规律，无法证明，但却为人们义无反顾地所接受。能即不能创造也不会消灭的。热力学第二规律是说：热是永远无法靠“自身作用”，从一个冷源转移到一个热源中去。这就是说，能量只有从高温转移到低温量，才可以用来作功。因此，例如在一个热发电机中，热量与机械功的转换只有在其中一部分热量保留下来，不转变成功的前提下才能产生。

 

 

2．气体定律

 

波义耳定律：如果温度不变，压力与容积的乘积也不变。其关系为：

P₁×V₁=P₂×V₂

式中：p=绝对压力（pa） ， V=容积（m³）

即如压缩过程容积减半，则压力升高1倍。

 

查理士定律：气体的容积变化正比于温度变化。（指压力不变时℃）。关系式如下：

V₁ /T₁=V₂ /T₂⇒△V = (V₁ /T₁)×△T

式中：V=容积（米³）,T=容积温度（K）,△V=容积差,△T=温度差

 

气体状态普遍定律是波义耳定律与查理士定律的组合。该状态表示压力，容积与温度之间的关系。当一个参数发生变化，至少会导致到其他两个参数中的一个参数的变化。关系式如下：

(p×v)/T = R = 气体常数

式中：p=绝对压力pa,v=比容（m³/kg）,T=绝对温度（K）,R=`R/M=气体常数（J/kg×K）

 

常数R称为气体常数，它只与气体的性质有关。如单位容积的气体质量为M，则关系式可写为：

P×V=m×`R×T

式中：P=绝对压力（Pa）,V=容积（m³）,m=莫尔质量（kmo1）``R=通用气体常数=8314(J/KMO1×K),T=绝对温度（K）

注：本文部分公式由于系统格式不支持，无法准确显示，敬请谅解，下同。

 

3．传热

 

物体内或不同物体之间的热量差，终究会导致热的传递，而达到温度平衡。这种热传递有三种方式：传导，对流与辐射。实际上热传递是以三种方式同时进行的。

 

传导发生在两固体之间和液体或气体两薄层之间。运动着的分子将其能量释放到邻近的分子。

 

对流可以由介子中自然运动进行对流或以运动的方式进行强迫对流，如风机或泵。强迫对流是有效更强烈的热传递。

 

所有温度大于K的物体都会产生热辐射，当热辐射到达一个物体时，部分的能量被吸收，并转变为热。没有被吸收的辐射，或穿透过物体，或被反射，只有绝对黑体在理论上会完全吸收所有的辐射能。

 

实际上传热是由热传导，对流和辐射三种方式传热的总和，一般可用下式表示：

q=k×A×△T×t

式中：

q=热量（J），k  =总传热系数（W/m³×K）A  =面积（m²），△T=温差，T  =时间（S）

 

传热经常发生在被一个隔板分开的物体之间。总的传热系数取决于隔板的导热系数及相关两侧的传热系数。对于光洁平板，可用下述关系式：

1/k=1/ɑ₁+d/λ+1/ɑ₂

式中：

ɑ=隔板相关两侧的传热系数（W/㎡×K），d=隔板的厚度（m）

 λ=隔板的导热系数（W/m×K），k=总传热系数（W/㎡×K）

 

在一个交换器中，被传递的热量是各点上主热量差与总传热系数的函数。传热面积可用下式表示：

Q=k×A×θ_m

式中：Q=传热量（W），K=总传热系数（Wm²×K）

A=传热面积 ，θm=对数平均温差（K）

 

对数平均温差定义为冷却器两连接测温差的关系，用下式表示：

θ_m=θ_1-θ₂/1n(θ_1/θ₂)

式中：θm=对数平均温差（K），θ=根据图1:6所示的温差

 

 

4．状态变化

 

在p/V图上可以得出气体从一点到另一点的状态变化，对于变量p,V和T，实际上需要三个坐标。就状态变化而言，要沿空间曲面上一条曲线移动，然后就以形成状态的变化。通常人们重视的是曲线在三个平面中的一个平面上的投影，一般是在p/V平面。最基本特征由五个状态变化构成：

 

等容过程（容积不变），等压过程（压力不变），等温过程（温度不变），绝热过程（与周围没有热交换）与多变过程（与周围的热交换是以简单的数学函数表示）。

 

4.1等容过程

 

 

 

加热一个封闭容器中的气体，就是等容过程的一个例子，需用热量的关系式为：

q=m×c_v×(T₂-T₁)

式中：

q=热量（J）

m=质量（kg）

c_v=等容比热（J/kg×K）

T=绝对温度（K）

 

4.2等压过程

 

 

 

气缸中的气体受到恒定载荷活塞的加热，就是一个等压过程的例子，所用热量的关系式如下：

q=m×c_p×(T₂-T₁)

式中：

q=热量（J）

m=质量（kg）

c_p=等压比热（J/kg×K）

T=绝对温度（K）

 

4.3等温过程

 

 

 

 

若气体在气缸中等温压缩，则热量就等于逐渐进行压缩所用的功。这实际上是不可能的，因为这么慢的过程无法实现。

产生的热量关系式如下：

q=m×R×T×1n(p₂/p₁)及

q=p₁×v₁×1n(V₁/V₂)

式中：

q=热量（J）

m=质量（kg）

R=气体常数（J/kg×K）

T=绝对温度（K）

V=容积（m³）

p=绝对压力（Pa）

 

4.4绝热过程

 

 

 

绝热过程的一个实例就是气体在一个完全绝缘与外界没有热交换的气缸中进行压缩或者气体通过喷咀快速膨胀，而来不及与周围进行热交换。绝热过程的关系式为：

p2/p1=(V1/V2)^k⇒p2/p1=(T2/T1)^a

式中：a=k/(k-1),p=绝对压力（Pa）

V=容积（m³）,T=绝对温度（K）,k=cp/cv

 

4.5多变过程

 

 

 

多变过程包括与周围彻底交换的过程和根本没有热交换的绝热过程。实际上，所有的过程均处在其间，因此将这个通用过程叫做多变过程。

 

该过程的关系式为:

p×Vn=常数

式中:p=绝对压力（pa）,v=容积m³,n=0表示等压过程

n=1表示等温过程,n=k表示绝热过程,n=¥表示等容过程

 

5．气流通过喷嘴

 

通过喷嘴的气体流量，取决于喷嘴进出口两侧的压力比，如果喷嘴前的压力尚未接近于喷嘴后的一倍，流量随背压的降低而增加。然而进一步降压喷嘴后的压力，流量不会再增加。

 

这就是所谓的临界压力比，其大小取决于气体的绝热指数（K）。当喷管最小截面上的流速达到音速时，就出现临界压力比。

 

如果喷管后面的压力进一步下降，低于临界值，气流变成为超临界。通过喷管的流量关系式如下：

G=a×Y×p1×10⁵×A×√（2/（R×T1））

式中：G=质量流量（kg/s），a=喷管系数，Y=流量系数，A=最小通流量面积（m²）

R=气体常数（J/kg×K），T1=喷管前绝对温度（K），P1=喷管前绝对压力（bar）

 

6．通过管道的流量

 

雷诺数是一个无因次量，表示流动介质中惯性力与摩擦力之比。定义如下：

Re=D×w×h/ρ=D×w/v

式中：D=特征量值（m）（例如圆管直径），w=平均流速，ρ=流动介质的密度（kg/m³）

h=流动介质的动力粘度（p_v×s）, v=h/ρ=流动介质的运动粘度（㎡/s）

 

原则上说，管内流动有两种形式。当Re＜2000，流体介质内粘性力起主导作用，流动成为层流。就是说介质的不同层次之间彼此良好有次序的运动。层流层断面速度分布通常呈抛物线形状。当Re≥4000，惯性力在介质中起主导作用，流动成为紊流形。流动横截面上流体微团成无规则运动。紊流层断面的流速分布成为漫散形。

 

在过渡区，Re≥2000与Re＜4000之间，流态是不稳定的。既可以是层流也可以是紊流，或者是两者的混合。其状态受管道表面光滑度、外来干扰等诸多因素的影响。

 

流体能在管内中流动，需要一定的压差或压降，以克服管道及连接件的阻力。压降的大小取决于管径、管长、管子形状以及表面光洁度和雷诺数。

 

7．节流

 

理想气体通过孔板压力不变，孔板前后温度也不变。实际上在孔板断面处产生压降，内能转换成动能，这就是温度下降的原因。对于实际气体，这种温度变化成为持久的，即使气体的能量总量不变。这就是所谓焦耳汤姆逊效应。温度的变化就等于通过节流截面的压力变化乘以焦耳汤姆逊系数。

 

如果流动介质有足够低的温度（≤329℃的空气），通过孔板截面就产生温降。但如果流动介质的温度更高，就产生温升。这种状况被用于某些技术领域，例如冷冻技术与气体分离。