《工程热力学》课程教学资源（习题解答）第八章压气机的热力过程.pdf_大学文库

第八章压气机的热力过程 69 第八章压气机的热力过程 8-1 某单级活塞式压气机每小时吸入的空气量 3 1 V 140m ，吸入空气的状态参数是 1 p  0.1MPa 、 1 t  27 C ，输出空气的压力 2 p  0.6MPa 。试按下列三种情况计算压气机所需要的理想功率（以 kW 表示）：（1）定温压缩；（2）绝热压缩（设  =1.4）；（3）多变压缩（设 n =1.2）。提示和答案：据定义 W W C t   ， 2 1 1 1 T m ln 6.97KW p P q p v p   、 1 2 1 1 1 1 9.11kW 1 s m p P q p v p                        、 1 2 1 1 1 1 8.12kW 1 s m n p P q p v n p                      。 8-2 某单级活塞式压气机吸入空气参数为 3 1 1 1 p t V     0.1MPa 50 C 0.032m 、、，经多变压缩 3 2 2 p V   0.32MPa 0.012m 、。求：（1）压缩过程的多变指数；（2）压缩终了空气温度；（3）所需压缩功；（4）压缩过程中传出的热量。提示和答案：压缩功只是体积变化功。 2 1 1 2 ln( / ) 1.186 ln( / ) p p n V V   、 1 2 2 1 1 387.82K n n p T T p          、 1 2 1 1 1 1 1 3.443kJ 1 n n n p W p V n p                    、 0.826kJ/(kg K) 1 n V n c c n       、 1.84kJ Q mc T n n     。 8-3 压气机中气体压缩后的温度不宜过高，若取限极值为 150℃。某单缸压气机吸入空气的压力和温度为 1 p  0.1MPa 、 1 t   20 C ，吸气量为 3 250m / h ，若压气机中缸套流过冷却水 465kg/h ，温升为 14℃。求：（1）空气可能达到的最高压力；（2）压气机必需的功率。提示和答案：空气在可逆多变过程可能达到最高压力，故须求多变指数。压缩过程冷却水吸热量 w ,w Q q c t    m 7.5715kW ，压气机产气量 1 ,a g 1 ,a 0.08254kg/s m V p q R T q   ，利用气体放热等于冷却水吸热，可确定 w ,a 91.73kJ/kg m Q q q    ，由 2 1 ( ) 1 V n q c T T n     ，解得

第八章压气机的热力过程 70 n  1.20 ，所以 1 2 2 1 1 0.90MPa n T n p p T          ，max ， ,a C P q w   m 18.4kW 。 8-4 三台空气压缩机的余隙容积比均为 6%，进气状态均为 0.1MPa 27 C 、  ，出口压力为 0.5MPa ，但压缩过程的指数分别为： 1 2 3 n n n    1.4 1.25 1 、、，试求各压气机的容积效率（假设膨胀过程的指数和压缩过程相同）。提示和答案： 1 c V h 1 ( 1) n V V      ， V,1   0.871、 V,2   0.843、 V,3   0.76。 8-5 某单级活塞式压气机，其增压比为 7，活塞排量为 3 0.009m ，余容比为 0.06，转速为 750r/min，压缩过程多变指数为 1.3。求（1）容积效率；（2）生产量（ kg/h ）；（3）理论消耗功率；（4）压缩过程中放出的热量。已知吸入空气参数为 1 p  0.1MPa 、 1 t  20 C 。提示和答案：活塞式压气机曲轴每转一圈完成一次吸气压缩排气过程。容积效率 1 c V h 1 ( 1) 0.792 n V V       ，每转有效吸气 3 V h V V    0.007 13 m ，故每小时的生产量 1 750 60 3 81.37 kg/h m V q v    ，理论耗功 C P q w   m 21.9 kW ， 1 2 1 459.32 K n n T T    ，放热量， 4.21 kW 1 Q m V n q q c T n       。 8-6 利用单缸活塞式压气机制备 0.8MPa 的压缩空气，已知气缸直径 D  300mm ，活塞行程 S  200mm ，余隙容积比为 0.05，机轴转速为 400r/min。压气机吸入空气的参数是 1 t   20 C、 1 p  0.1MPa ，压缩过程多变指数 n =1.25。若压气机的定温效率为 C, 0.77  T  ，试计算压气机生产量（ kg/h ）及带动该压气机所需的原动机的功率（压气机的外部磨擦损失忽略不计）。提示和答案：余隙容积存在并不影响压气机理论耗功。 1 V 1 ( 1) 0.786 n        ， 1 V h g 1 0.088 kg/s m p V q N R T    、可逆定温功压缩功率 2 C, 1 1 1 T ln 15.4 kW p P p V p    ，压气机所需的功率 C,T C C,T 20.0 kW P P    。 8-7 空气初态为 1 1 p t    0.1MPa 20 C 、，经过三级活塞式压气机后，压力提高到

第八章压气机的热力过程 12.5MPa,假定各级压力比相同，各级压缩过程的多变指数n=1.3。试求：(1)生产1kg 压缩空气理论上应消耗的功：(2)各级气缸出口的温度：(3)如果不用中间冷却器，压气机消耗的功及各级气缸出口温度：(4)若采用单级压缩，压气机消耗的功及气缸出口温度。提示和答案：按耗功最小原则，元，=元2=π，=5，w。=3wL=492.0kJkg:各级气缸出口的温度相同，工，=T=T=425K:若不用中间冷却器工，=425.0K、T=616.25K、 T,=893.56K、P。=746.4k/kg:若单级压缩，T=893.56K、wc=746.4kJ/kg。 8-8一台两级压气机，示功图如图8-1所示，若此压气机吸入空气的温度是t=17℃、 p,=0.1MPa,压气机将空气压缩到p=2.5MPa。压气机的生产量为500m3h(标准状态下)，两个气缸中的压缩过程均按多变指数n=1.25进行。以压气机所需要的功量最小作为条件，试求：(1)空气在低压气缸中被压缩后所达到的压力P2:(2)压气机中气体被压缩后的最高温度t2和13：(3)设压气机转速为250r/min,每个气缸在每个进气冲程中吸入的空气体积，和2：(4)每级压气机中每小时所消耗的功W和W2,以及压气所消耗的总功W严：(5)空图8-1 气在中间冷却器及两级气缸中每小时放出的热量。提示和答案：通常压气机的生产量指标准状态下的体积，常常不同于进口。中间压力乃2=√PP,=0.5MPa,空气被压缩后最高温度I,=T=T =400.33K,每一冲程吸入空气体积V=0.03590m3、V,=0.00718m3,每级压气机耗功 W=W,=1.022×10kJh,压气消耗总功率P=56.8kW,空气在两级气缸中放热量相等 Q=H2-H-W。=-3.07×10kJh,在中间冷却器放热量Q=H2-H=7.15×10kJh。 8-9某活塞式空气压缩机容积效率为7=0.95，每分钟吸进p=0.1MPa、t=21C的空气14m3,压缩到0.52MPa输出，设压缩过程可视为等熵压缩，求：(1)余隙容积比：(2) 所需输出入功率。提示和答案：据题意π=B=5.132,n=14,求得。= e-1-=0.023, 1 71

第八章压气机的热力过程 71 图 8-1 12.5MPa ，假定各级压力比相同，各级压缩过程的多变指数 n 1.3 。试求：（1）生产 1kg 压缩空气理论上应消耗的功；（2）各级气缸出口的温度；（3）如果不用中间冷却器，压气机消耗的功及各级气缸出口温度；（4）若采用单级压缩，压气机消耗的功及气缸出口温度。提示和答案：按耗功最小原则， 1 2 3       5 ， C C,L w w   3 492.0 kJ/kg ；各级气缸出口的温度相同， 234 T T T    425 K ；若不用中间冷却器 2 T  425.0 K 、3 T  616.25 K 、 4 T  893.56 K 、 C w  746.4kJ/kg ；若单级压缩， 2 T  893.56 K 、 C w  746.4kJ/kg 。 8-8 一台两级压气机，示功图如图 8-1 所示，若此压气机吸入空气的温度是 1 t   17 C 、 1 p  0.1MPa ，压气机将空气压缩到 3 p  2.5MPa 。压气机的生产量为 3 500m /h （标准状态下），两个气缸中的压缩过程均按多变指数 n =1.25 进行。以压气机所需要的功量最小作为条件，试求：（1）空气在低压气缸中被压缩后所达到的压力 p2 ；（2）压气机中气体被压缩后的最高温度 t2 和 t3；（3）设压气机转速为 250r/min，每个气缸在每个进气冲程中吸入的空气体积 V1 和 V2；（4）每级压气机中每小时所消耗的功 W1 和 W2，以及压气所消耗的总功 W；（5）空气在中间冷却器及两级气缸中每小时放出的热量。提示和答案：通常压气机的生产量指标准状态下的体积，常常不同于进口。中间压力 2 1 3 p p p   0.5 MPa ，空气被压缩后最高温度 1 2 2 3 1 1 400.33 K n n p T T T p           ，每一冲程吸入空气体积 3 1 V  0.035 90 m 、 3 2 V  0.007 18 m ，每级压气机耗功 5 1 2 W W   1.022 10 kJ/h ，压气消耗总功率 P  56.8 kW ，空气在两级气缸中放热量相等 4 2 1 C Q H H W       3.07 10 kJ/h ，在中间冷却器放热量 4 2 1 Q H H     7.15 10 kJ/h 。 8-9 某活塞式空气压缩机容积效率为 0.95 V  ，每分钟吸进 p t    0.1MPa 21 C 、的空气 3 14m ，压缩到 0.52MPa 输出，设压缩过程可视为等熵压缩，求：（1）余隙容积比；（2）所需输出入功率。提示和答案：据题意 2 1 5.132 p p    ， n  1.4 ，求得 C 1 h 1 0.023 1 V n V V        

第八章压气机的热力过程 72 图 8-2 1 2 C 1 1 1 1 49.3kW n n V n p P p q n p                    。 8-10 一台单缸活塞式压气机（其示功图见图 8-2），气缸直径 D =200mm，活塞行程 S =300mm。从大气中吸入空气，空气初态为 1 p  97kPa 、 1 t   20 C ，经多变压缩到 2 p  0.55MPa ，若多变指数为 n =1.3，机轴转速为 500r/min，压气机余隙容积比   0.05 。求：（1）压气机有效吸气容积及容积效率；（2）压气机的排气温度；（3）压气机的生产量；（4）拖动压气机所需的功率。提示和答案：气缸排量即活塞扫过的容积 2 3 h 0.009 425 m 4 V D S    。余隙容积 3 c h V V    0.000 471 m ， 1 2 3 4 c 1 0.001 79 m n p V V p         ， 3 1 h c V V V    0.009 896 m ，有效吸气容积 3 1 4 V V V    0.008 106 m ， 1 c V h 1 ( 1) 0.86 n V V       ，排气温度 1 2 2 1 1 437.52 K n n p T T p          ，生产量 1 g 1 280.4 kg/h V m p q q R T   ，拖动压气机功率 1 2 C 1 1 1 14.0 kW 1 n n V n p P p q n p                    。 8-11 轴流式压气机每分钟吸入 1 1 p t    0.1MPa 20 C 、的空气 1200kg，经绝热压缩到 2 p  0.6MPa ，该压气机的绝热效率为 0.85，求：（1）出口处气体的温度及压气机所消耗的功率；（2）过程的熵产率及损失（ 0 T  293.15K ）。提示和答案：取定比热， 1 2 2 1 1 s 489.12 K p T T p            ， 2 1 2 1 Cs 523.70 K s T T T T      ， C 2 1 P q h h    m ( ) 4 630.0 kW 。据绝热稳流系统熵方程， 2 1 g ( ) s s s   ，有 2 g 2 1 2 ln 1.3717 kJ/(K s) m p s T S S S q c T      ，损 0 g I T S   402.1 kJ/s 。 8-12 某轴流式压气机从大气环境吸入 1 1 p t    0.1MPa 27 C 、的空气，其体积流量为

第八章压气机的热力过程 73 3 516.6m / min ，绝热压缩到 2 p 1MPa 。由于磨擦作用，使出口气温度达到 350℃。求：（1）该压气机的绝热效率；（2 ）因磨擦引起的熵产；（3）拖动压气机所需的功率。提示和答案： 1 2 2 1 1 s 579.50 K p T T p            ，压气机的绝热效率 2 1 Cs 2 1 0.865 T T s T T      ；由绝热过程熵方程，熵产率 1 1 2 g 2 1 g 1 2 ln 0.729 kJ/(K s) V p s p q T S S S c R T T      ，压气机功率 1 1 C 2 1 g 1 V p ( ) 3 241.3 kW p q P c T T R T    。本题为不可逆绝热压缩，不是可逆多变过程，因此不能由初、终态参数求多变指数。 8-13 某次对轴流压气机的实例数据如下：压气机进口处空气压力 1 p  0.1MPa ，温度 1 t   17 C ，出口处温度 2 t   207 C ，压力 2 p  0.4MPa ，气体流量是 60kg/ min ；消耗功率 185kW，若压缩过程绝热，分析测试的可靠性。提示和答案：从出口温度和耗功比较分析。若过程可逆，则 1 2 2 1 1 s 431.15 K p T T p            ， 2 t s   158 C， 2s 2 t t  合理。从耗功分析 C, 2 1 P q h h s m s     ( ) 151.6 kW 185 kW ，考虑到实际存在的少量散热和不可逆性， PC 应大于可逆绝热耗功 PC,s 测试具有一定合理性。实测温度校核功率数据 C 2 1 P q h h     m ( ) 190.7 kW 185 kW， (190.76 185)kW 3.1% 185 kW   ，其误差尚在可允许范围内，所以实测基本合理。 8-14 以 R134a 为工质的制冷循环装置中，蒸发器温度为-15℃，进入压缩机工质的干度近似为 1，压缩后的压力为 1 160.5 kPa，若压缩机的绝热效率为 0.95，求压缩机出口处工质的焓值。提示和答案：由 1 t  15℃ ， x  1 ，查 R134a 热力性质表： 1 h  389.6kJ/kg 、 1 s   1.737kJ/(kg K) ；由 2 1 s s s  、 2 p 1 160.5 kPa ，查同表得 2 430.5kJ/kg s h  。 2 1 2 1 Cs 432.7kJ/kg s h h h h      。 8-15 以 R134a 为工质的制冷装置循环的制冷工质进入压缩机的状态为 1 t    10 C

第八章压气机的热力过程 74 1 x  0.99 ，压缩后压力 2 p 10MPa 、温度 2 t   60 C。求：压缩机耗功和压缩机的绝热效率。提示和答案：据 1 t 和 1 x ，查 R134a 热力性质表可算得 1 h 和 1 s ， 2 1 s s s  ，进而查表得 2 s h 和 2 h ，即可求得 2 1 Cs 2 1 0.646 s h h h h      、 C 2 1 w h h    50.9 kJ/kg 。 8-16 某两级气体压缩机进气参数为 100kPa、300K，每级压力比为 5，绝热效率为 0.82，从中间冷却器排出的气体温度是 330K。若空气的比热容可取定值，计算每级压气机的排气温度和生产 1kg 压缩空气压气机消耗的功。提示和答案： 1 2 2 1 1 475.13K s p T T p            ，据绝热效率得 2 1 2 1 Cs 513.57K s T T T T      。 3 2 p p   500kPa 、 3 T  330K ； 4 3 p p    2500kPa ， 1 2 4 3 1 s 522.65K p T T p            。同理求得， 4 3 4 3 Cs 564.94K s T T T T      。压气机耗功： C 2 1 4 3 w h h h h      ( ) ( ) 450.7kJ/kg 。本题虽然各级压力比相同，但进入高压级气缸的气体温度比进入低压级气缸温度高，所以各级消耗的功不相等。 8-17 某高校实验室需要压力为 6.0MPa 的压缩空气。有两人分别提出下述两个方案：A 方案采用绝热效率为 0.9 的轴流式压气机；B 方案采用活塞式气机，二级压缩，中间冷却，两缸压缩多变指数均为 1.25。试述上述两个方案的优劣。（设 0 0 p t    0.1MPa 27 C 、）提示和答案： A 方案： 1 2 1 T T s 966.84 K       、 2 1 2 1 Cs 1 042.92 K s T T T T      ， 2 t   767.77 C， c 2 1 2 1 ( ) 743.7 kJ/kg w h h c T T p      。 B 方案：按耗功最小选择中间压力 2 L h 1 7.746 p p      ， 2 t t a    178.87 C ， 1 g 1 c 2 ( 1) 435.8 kJ/kg 1 n n nR T w n         。比较方案： T T 2, 2, A B  ； w w c,A c,B  ，所以从人身安全、设备安全角度看 B 方案优于 A 方案。比外 A 方案实施需多级压气机故较困难，而且实验室未必需要大流量的高压空气，但 A 案可提供稳定气流可能是某些场合需要的

《工程热力学》课程教学资源（习题解答）第八章 压气机的热力过程

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