工程热力学—6 气体和蒸汽的流动(A5)

6 气体与蒸汽的流动——可压缩流体流动的热力学分析

工质的主要特征之一就是其流动性，许多能量转换过程也是伴随着工质（即流体）流动过程而完成的。如汽轮机中高温高压蒸汽的膨胀作功过程整体上可以看作是一个绝热过程，而细节上则是蒸汽通过动静叶片之间的通道流动并发生状态变化的过程。本章研究气体和蒸汽流动过程中的能量转换规律，但不涉及流动过程中流体微团之间、流体与壁面之间的相互作用，及有关阻力、黏性作用、流态、涡旋等，那些是流体力学的任务。

为了集中注意力，我们仅考虑一维可压缩流体流动。一维流动也可称为管内流动，工程上经常遇到的管内流动有三类：一是轴功为零，且管道短、流速高，可以忽略摩擦和传热的变截面等熵流；二是等截面长距离输送管道，无轴功和热量进出，摩擦是主要因素；三是等截面加热管或冷却管，无轴功出入，摩擦也可以忽略，如换热器管和锅炉水冷壁。本章以第一类流动为主要研究对象。

6.1 稳定流动的基本方程

6.1.1 连续性方程

1

qm?Acfv?constant (6-1a)

微分形式： 6.1.2 能量方程

dAdcfdv???0 (6-1b) Acfv处在稳定流动中气体或蒸汽，服从稳定流动能量方程式

1q＝?u＋?(pv)＋g?z＋?c2f＋ws （2－4b）

2一般情况下，气体流动所经过的路径高低变化不大，流道截面的尺度也有限，因此气体的位能改变也极小，可以忽略不计。单纯的流动不输出轴功，也尽可能避免气体与外界的传热，则上式可以简化为

1120＝?u＋?(pv)＋?c2f ? ?h＋?cf＝0

2211212即 h2＋c2 f2＝h1＋cf1＝h＋cf＝常数 （6-2a）

222?c2微分形式： dh?d?f?2????0 (6-2b) ??1令h＋c2f＝h0，h0相当于cf=0时的焓，被称为滞止焓。

2滞止焓对应的温度称为滞止温度。温度测量时，滞止效应将影响测试的准确性。

6.1.3 过程方程式

对于理想气体定比热容可逆绝热稳定流动过程，过程方程式为

2

积分形式： pvk=p1v1k=p2v2k=常数 （6-3a） 微分形式：

dpdv?k?0 (6-3b) pv 变比热容时，k可取过程范围内的平均值。 6.1.4 音速方程①

发声体发生振动，并对周围物质产生周期性压迫，这种周期性压迫向外传播，构成了压力波（纵波），这就是声音。声音在连续介质中传播速度为音速，即微弱扰动在连续介质中所产生的压力波的传播速度。在不同介质中音速不同。

膜移动速度增量dcf p, v, T, cf, ?, ? 膜 压力波的移动速度a 图6-1

如图6-1所示，在一维管道中，膜向右发生一个微小的位移（膜的移动速度由零变为dcf——一个微小的增量），导致气体中产生一个压力波并迅速向右传播。在某一时刻，压力波的前沿（前阵面、波前）到达某一位置，此时波前移动速度为音速a，波前右边气体未受扰动保持原始状态，气体流速为零，波前的左边（后边）气体状态由于扰动而发生微小变化，气体流速为dcf。

为将音速引入方程，以波前为参照系（图6-2），此时波前不动，波前右侧气体以音速a向波前移动，状态为原来状态，波前左侧气体以速度（a-dcf）离开波前，状态为扰动后的参数值。 ①

音速方程不是一个独立的方程，只是为了叙事方便而引进一个参量——音速。

3

于是波前前后气体能量守恒方程为

波前后方气体的移动速度(a-dcf)

p, v, T, cf, ?, ? 膜 波前前方气体的移动速度a

图6-2

h+a2?a?dcf?22=(h+dh)+

2

h+a2a2展开 ?dcf?22=h+dh+2–a?dcf+

2

? dh–a? dc?dcf

+f?2

2

=0

略去高阶无穷小量，得：

dh-a?dcf =0 质量守恒：

?Aa=(?+d?)A(a–dcf)

展开 ?Aa=?Aa–?A dcf +d??Aa–d??A dcf 略去高阶无穷小量，得：

ad?–? dcf =0 由式（6-4）和（6-5）消去dcf，得

6-4） (6-5)

4

（

dh=

a2d?? (6-6)

假定过程是可逆绝热的，即定熵过程，ds=0。（声音的压力波传播速度

很快，同一时间与外界的传热就微乎其微；声音的压力波是很微弱的扰动，其中的摩擦等作用相当小，可以忽略不计。）由热力学第一定律

Tds=dh-vdp

得 dh=vdp=dp/? 结合式（6-6） a2=

dp d???p?注明等熵条件 a2=??????

??s??p?2??p?于是 a=????v?? (6-7) ??????v?s??s式（6-7）表明，音速与气体的状态等有关。

对于理想气体等熵过程

dpdv?k?0 pvp?dp?即 ????k

v?dv?sp??从而得到 a=?v2??k??kpv?kRT （6-8）

v??可见，理想气体的音速只与气体热力学温度有关。对于实际气体，式（6-7）表明，音速总是状态参数的函数，因而音速也是热力学状

5

态参数。不同的状态有不同的音速，状态变化音速也变化。我们称某一状态下的音速为当地音速。

流体的流动速度与当地音速的比值，称为马赫数，用符号M表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．示。

M=

cfa (6-9)

流速小于当地音速，M<1，称为亚音速流动；流速大于当地音速，M>1，称为超音速流动。

6.2 促使流速改变的条件

由热力学第一定律：dq=dh+dwt，对于可逆绝热过程有

dh=vdp

结合式（6-2b）得

cfdcf+vdp=0?

dcfcf??vkpvdp1dp dp????22ppc2kckMff即

dcfcf??1dp (6-10)

kM2p是为速度–压力关系。代入式（6-1b），再将式（6-3b）代入，得到截面积–压力关系：

dA1?M2dp? (6-11) AkM2p 6

与式（6-10）联立，消去

dp，得到截面积–速度关系： pdcfdA (6-12) ?M2?1cfA??将上式代入式（6-1b），得到比体积–速度关系和截面积–比体积关系：

dcfdv (6-13) ?M2vcfdAM2?1dv? (6-14) AvM2??上面的分析意味着，当流速达到M=1时，一维可压缩流体流动的流通截面积变化特征将改变。

归纳起来，导致流速改变的主要原因是压力变化（力学条件），保证流体流速按速度–压力关系平稳变化的条件是截面积的合理变化（几何条件）。

如果压力降低，则比体积增

大，速度增加。我们称这种管道为喷管（Nozzle）。

当M<1时，比体积的变化率小于速度的变化率，所以截面积就需要变小（截面积的变化率<0），流通管道呈收缩形状。收缩喷管或渐1 图6-3 当几何条件不合适时

1 2 2 缩喷管。

7

当M>1时，比体积的变化率大于速度的变化率，所以截面积就

需要变大（截面积的变化率>0），流通管道呈扩张形状。扩张喷管或

渐扩喷管。

在M从小于1增加到大于1的过程中，流通管道的截面积需要从收缩状变成扩张状，即形成先收缩后扩张形状。被称为缩扩喷管或拉法尔喷管（Laval Nozzle）。

渐缩喷管的最小截面处是速度最大的部位，速度最高可达到当地音速；渐扩喷管的最小截面处是速度最小的部位，速度最低可能是当地音速；缩扩喷管的最小截面处的速度是当地音速（M=1），该部位称为喉部（throat），也称为临界截面、转捩点。

如果压力增加，则比体积减小，速度减小。我们称这种管道为扩压管。如离心式水泵或离心式压气机的蜗壳。

扩压管的各种参数变化与喷管完全相反。即当M<1时，管道形状为渐扩（截面积增大）；当M>1时，管道形状为渐缩（截面积减小）。当M从大于1减小到小于1，管道形状为缩扩形。

8

6.3 喷管与扩压管的计算

6.3.1 流速的计算

由式（6-2a）

cf2=2?h0?h2?=2?h1?h2??c2 f1 适用于一切气体和蒸汽。

?T2?=2cp?T0?T2?=2cpT0??1?T?? 理想气体

0??k?1????p2?k?2k?RgT0?1??=????k?1??p0????k?1????p2?k?2k?p0v0?1??? ??k?1??p0????以及

k?1????p2?k?22kRgT?1???cf2=???cf1 k?11??p?1????k?1????p2?k?22k?p1v1?1????cf1 ??k?1??p1?????若cf1=20m/s，cf2=300m/s，可以计算出忽略cf1仅使cf2减少为299.333m/s。所以对于出口流速很高的喷管，上式可以忽略cf1。 6.3.2 临界压力比

临界截面上的流速等于当地音速，也可以用式(？)计算，于是

9

?c?k?1?f, cr=af, cr=kp2kp?crvcr=k?1p0v0?1???cr?k??p??? ??0???即 p2?crvcr=k?1pv?k?1?p?0?1??cr?k?0??p??? ??0???由于 pcrvcrk=p0v0k k所以

pcrk?1p????2?cr??k?1?

0?对于分子结构对称的双原子气体，k=1.4，?cr=0.528。

?k?1且 cf, cr=2k??p?cr?k?k?1p0v0??1?????p???? 0??=2kk?1pk0v0=2k?1RgT0 也可以近似按照进口参数计算。 6.3.3 流量的计算

由连续性方程

qAcfm?v?constant

流量可以按照任意截面的速度、比体积和截面积进行计算。

10

【例题】假如进入渐缩喷管的气流有一定的不可忽略的速度，喷管出口外的压力又足够低，出口截面的压力与进口截面压力之比值是否等于临界压力比？出口速度是否等于当地音速？

答：如果进入渐缩喷管的气流有一定的不可忽略的速度，喷管出口外的压力又足够低，出口截面的压力与进口截面压力之比值将高于临界压力比。出口速度仍然等于当地音速。

【例题】已知通过喷管的空气压力p1=0.5MPa，温度T1=600K，流?=1.5kg/s，量m若必须保证喷管出口截面处压力p2=0.1MPa（k=1.4），

试问：① 采用什么型式的喷管；② 略去喷管进口速度，即cf1?0，求喷管出口速度cf2；③ 若工质在喷管内是不可逆绝热流动，喷管效率?=0.95，求喷管实际出口速度cf2'？实际出口截面A2'？ 解：① ?2=p2/p1=1/5=0.2

k?1??2kRT1?1??2k? ② cf2=

k?1????1.4?1??2?1.4??287?600??1?0.21.4?

??1.4?1??=666.58m/s

③ 一般用“速度系数”或“流动系数”?来表示气流出口速度的下降，它等于实际出口流速cf2'与理想可逆流动的出口流速cf2之

11

比。用“能量损失系数”?来表示动能的减少，它等于损失的动能与理想动能之比，且

?=1–?2

吉林工业大学华自强编《工程热力学》（人民教育出版社1979年5月第

一版，1983年3月9日恢复高等教育出版社后划归该社，高等教育出版社1986年9月第二版）中提到了喷管效率?N，定义为喷管出口的实际流动动

能与定熵流动的出口流动动能之比：

?N=

c2f2'c2f2?h0?h2'

h0?h2且有 ?N=?2

所以 ?=1–?2=1–?N

cf2'=?cf2=?Ncf2=0.95?666.58= 649.70m/s

∵ h0–h2'=

12

cf2'=cp(T0–T2’) 2

649.702∴ T2'=T0–=600–=389.78K

2?10042cpc2f2'∴ v2'=RT2'/p2=287?389.78/100000=1.1186686m3/kg 出口截面积 A2'=

?v1.5?1.1186686m?=0.002583m2 cf2'649.70【例题】压力为1MPa、温度为200℃的水蒸气，以20m/s的速度在一绝热喷管内作稳定流动，喷管出口蒸气压力为0.6MPa，温度为170℃。已知：1MPa、200℃时，h1=2827.3kJ/kg，v1=0.2059m3/kg；0.6MPa、170℃时，h2=2782.6kJ/kg，v2=0.3257m3/kg。试求：①出口

12

处气流速度；②当进口速度近似取作零时，出口速度为多少？百分误差多少？③进出口截面面积比A1/A2。 解：?2=

cf2=m/s

cf2'=

p20.6?=0.6>?cr, 为渐缩喷管。 p1122?h1?h2??c1?2?2827.3?2782.6??103?202=299.667

2?h1?h2??2?2827.3?2782.6??103=298.998m/s, 相差

0.669m/s, 百分误差为0.669/299.667=0.22%

因为

A1c1A2c2Acv298.988?0.2059?，所以1?21?= 9.472 v1v2A2c1v220?0.32576.4 背压变化时喷管内流动现象简析

6.5 摩擦阻力与传热的影响

6.5.1 摩擦阻力对绝热流动的影响

6.5.2 传热对等截面管内稳定流动的影响

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6.6 绝热节流

流体在管道内流动时，经常流经阀门、孔板等设备，由于局部阻力，使流体压力降低，这种现象称为节流。如果在节流过程中流

图 体与外界没有传热，就称为绝热节流。 节流是典型的不可逆过程，流体在孔口附近发生强烈的扰动及涡流，处于极端不平衡状态，不能确定其状态。但在离孔口稍远的地方流体仍然处于或恢复了平衡状态（如图截面1、2），取截面1和截面2之间的管段为系统，应用稳定流动能量方程式：

1q＝?h＋g?z＋?c2f＋ws （2－4b）

2其中：q=0，ws=0，忽略g?z，所以绝热节流的能量方程式为：

1?h＋?c2f＝0 （）

2通常情况下，节流前后的流速变化很小，即cf1?cf2。于是

?h＝0 或 h1=h2 （）

即节流前后焓相等。由于节流是不可逆过程，故节流之中状态不能

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确定，焓也要发生变化，上式表明，经节流后流体焓值回复到原值（不是定焓过程）。

由于过程不可逆，现仅仅考虑截面1和截面2上状态参数变化情况。

对于熵，由于不可逆，所以

s2>s1 ()

因为绝热，所以这意味着有作功能力的损失和熵的产生。

对于理想气体，h=f(T)，所以

T1=T2 ()

由?s= cpln

T2–Rlnp2，可得

p1T1p2=p1e??sR ()

可以看出，其中e??sR<1，所以p2

对于实际气体，由第二dh关系式

???v??dh?cpdT??v?T???dp （）

??T?p????得

??v?T???v??T?p?

cp??T????p????h??T?令?J=???p??，称为焦耳-汤姆逊系数。?J也称为节流的微分效应，

??h

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即气流在节流中压力变化为dp时的温度变化。?J对压力的积分称为节流的积分效应，即压力变化一定数值时产生的温度变化：

T2–T1=??Jdp ()

12因为dp<0，所以?J决定了温度变化方向。

??v?T???v>0，?J取正值，节流后温度降低； ??T?p??v?T???v<0，?J取负值，节流后温度升高； ?T??p??v?T???v=0，?J =0，节流后温度不变。 ??T?p影响?J的因素有气体的状态方程式和气体的状态。

在某一温度下节流后温度不变，这个温度叫转回温度Ti。利用Ti Ti,max Ti Ti,max B A 转回曲线 等焓线 Ti,min (a)

Ti,min (b)

图 转回曲线

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??v?T???v=0，可求得不同压力下的转回温度，并绘在T–p图上，?T??p就形成了转回曲线。

??T?根据?J=???p??，?J就是T–p图上等焓线的斜率，?J=0就是等

??h焓线取得极值的点。利用节流前后焓不变的特点，可以通过实验得到许多T-p图上的等焓线（同样的起始状态，不同程度的节流可以得到不同的节流后压力和温度），将所有等焓线的?J=0的极值点连接起来，就形成了转回曲线。

很清楚，转回曲线把T-p图划分成两个区域：在转回曲线与温度坐标轴所围成的区域里，?J>0，节流后温度降低，此区域称为节流冷效应区；冷效应区以外，?J<0，节流后温度升高，此区域称为节流热效应区。

6.7 压气机的热力过程

压气机，即气体压缩机，用来产生压缩气体的机器。

广义地，能够使流体与设备之间相互传递能量的装置均可称为流体机械。由于所包含的内容过于庞大，故约定俗成地将原动机（流体向设备传递能量）称为动力机械，学科划分时也同样处理。于是，流体机械专指将能量传递给流体以提高流体的速度（动能）或压力

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的设备。流体机械及工程二级学科就是专门研究流体机械的学科。流体机械除了压气机之外还包括液体泵。

压气机的分类：

往复式

按工作原理分：

容积式压气机

旋转式

叶轮式压气机

速度式

引射式压气机

离心式

pg=0.2~102MPa pg=0.1MPa左右

pg=10~104Pa(1~103mmHg) pg<0Pa

轴流式

均有多级和单级之分

按气体的压力分： 压气机

鼓风机 通风机 真空泵

总的来说，压气机都是依靠外功来提高压力的，因而都可以用一类方法来计算。但叶轮式和引射式是先把外功转变成气体的动能（速度），再利用速度-压力关系实现压缩的，细节上与容积式不同。

我们仅仅从热力学原理上探讨往复活塞式压气机。其结论也适用于其他形式的压气机。

6.7.1 单级活塞式压气机的工作原理

压气机的共同特征是消耗外功，提高被压缩气体的压力。制冷压缩机例外。

最简单的压气机是我们用来给自行车打气的打气筒，下面就以打气筒为例来说明气体的压缩过程。

压气机有四个部件：活塞、气缸、进气阀和排气阀。对于打气

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筒来说皮碗既是活塞又是进气阀。取打气筒内壁与活塞底侧为系统，这是一个变边界的流动系统。

吸气：开始时，活塞在气筒底部，系统内没有空气（a）；提起活塞，系统内压力减小，空气在外界压力（大气压力）p1作用下，推开皮碗（进气阀）进入气缸(b)；活塞到达气缸顶部（上止点），吸气过程完成（c）。

吸气过程是在定压p1作用下进行的，总共吸气V1，同时系统扩张了V1，所以系统对外作功p1V1。

压缩：在活塞上施加压力，将气体压缩。此时，进、排气阀都处于关闭状态。气体的压力相应增加，直至气体压力达到目标压力p2，系统的体积只剩下V2（d）。这一过程，外界对系统作功，

大气压力 pb a b c d e f W=?pdV。

12排气：系统内气体达到所需压力p2后，再增加压力，排气阀将被打开（对于自行车，是气密芯被胀开的压力——要克服气密芯的弹力与胎内气体的压力之和），气体向外排出，排气压力几乎不变（e）。

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p p2 2 p1 V2

图

1 V1

V 活塞一直压到底，打气结束了一个循环，系统体积重新变为○（f）。排气过程中，外界对系统作功–p2V2。

整个打气过程中，系统作功量为：

Wc=p1V1+?pdV–p2V2=–?Vdp （）

1122对于单位质量工质，wc=-?vdp

12正好等于1→2过程的技术功。 6.7.2 单级活塞式压气机所需的功

压气机压缩气体所需的功wc与压缩过程的过程特性有关。理论上压缩过程有三种：定温压缩（n=1）、绝热压缩（n=k）以及多变指数n介于（1，k）之间的多变压缩。

定温压缩：

wcT= –?vdp???12p1v1ppdp??p1v1ln2?RT1ln1 pp1p2绝热压缩：wcs= cp(T1–T2)

20

k?1????p2?k?kp1v1?1??=?p??? k?1??1????k?1????p2?k?k?RT1?1??= ??? k?1p??1????多变压缩：wcn =??vdp???(11221p1nv)dp1pn

n?1????p2?n?n?p1v1?1??=??? n?1p??1????n?1????p2?n?nRT1?1?? =?p??? n?1??1????三个公式中都有p2/p1项，我们称?= p2/p1为增压比。 p p2 2T 2n 2s T p2 2s 2n n s 2T 1 T p1 T n s p1 1 v

图

s 21

从图上看，从同一状态出发的三种不同的压缩过程，有：

|wcs|>|wcn|>|wcT| T2s>T2n>T2T v2s>v2n>v2T

一般地，除了某些特殊工艺要求（如制冷、热风等等）外，压缩气体只要求压力升高，温度等不作要求，所以定温压缩耗功最少，最合理。

6.7.3 余隙容积的影响

实际的压气机在排气终了时活塞不可能顶到头，从而留下一部分气体没有被排出去。在随后的吸气过程中，这部分气体要首先膨胀，占据一定的气缸空间，使吸入的气体减少，进而使压气机压缩气体的速度减慢。所以活塞不到头是很不利的，我们把活塞不到头

p 3 2 4 Vc=V3

图

1 V

剩下的容积称为余隙容积（clearance volume）。

余隙容积：Vc=V3

22

活塞排量（swept volume）：Vh=V1-V3 有效容积：V=V1-V4 容积效率：?V=

V Vh压缩功：Wc=Wt, 12+Wt,34

n?1?n?1?????p4?n???p2?n?nn?p1V1?1??pV =+?p??n?133?1???p??? n?1??3????1??????n?1?n?1???n????p2??p3?n?nn???p1V1?1????–p4V4?1?? =??? n?1pn?1p??1????4??????1?np3V3p3n1?np4V4p4nDue to

n?1????p2?n?n?p1?V1?V4??1?? =??? n?1p??1????n?1????p2?n?np1V?1?? =?p??? n?1??1?????

可见，压缩功与被压缩气体总体积成正比，压缩一定体积的气体，无论有无余隙存在，均需耗费同样的功。余隙使每次压缩循环中被压缩的气体的量少了，所需的理论压缩功也少了。考虑每次压缩

循环中摩擦等损失是不变的，实际耗功还是有所增加。

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?V=

VV1?V4= VhV1?V31??n??????V?VV3p2V3V4?????1=1–43=1–=1–?1???? ?V?VpV1?V3V1?V3?V13??1??3????1?V3???n?1? =1–

?V1?V3????V1?V3??当V1、V3、n为定值时，增压比?愈大，?V愈小，当?=??1?V?3??时，?V=0。若取

nV3V?c（余隙容积比）=5%时，这个?不大于

V1?V3Vh70（我们称之为极限压缩比，n取k=1.4时?=70.98）。在这种情况下，压气机无法对外输出压缩空气。事实上，当n=1.3，?=20时，?V=54.91%。

这么低的容积效率是不可容忍的。☆同时我们也可以注意到：降低压缩比可以改善容积效率。

6.7.4 多级压缩与中间冷却

因为定温压缩过程比绝热压缩合理，而工程上的压缩大都接近于绝热过程，所以应采取各种方法使压缩过程尽可能向定温过程靠近。多级压缩与中间冷却就是这样一个方法。多级压缩还可以改善压气机的容积效率。

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p p2 2T 2 2n T n 3T 3n 1 V

图

以两级压缩中间冷却为例，如图所示，假定压气机的压缩过程为多变过程，多变指数为n。从图上看，1—3n—3T—2过程的耗功量比1—3T—2T等温过程多，而比1—3n—2n多变过程少（面积3n—3T—2—2n—3n）。这就是两级压缩中间冷却方案，即由两套汽缸活塞来完成把气体从p1压缩到p2的工作。

两级压缩是：1—3n为第一级压缩，3T—2为第二级压缩，它们都是接近于绝热过程的多变过程。

中间冷却是：3n—3T，第一级压缩完了，第二级压缩之前，两级之间进行的冷却，一般是将第一级压缩后气体的温度降到压缩前的温度（通常取环境状态）。

若采用四级压缩，从图上看，可以节省更多的压缩功（二级变四

级压缩节省功的幅度不如一级变二级节省功的幅度大）。理论上讲，若是使

用无穷多级压缩中间冷却技术，可以将整个压缩过程完全按定温过程进行。

多级压缩的另一个好处是可以降低每一级压缩的压缩比，从而

25

提高容积效率?V，减弱余隙容积的影响。

采用两级压缩后，如何选择中间压力p3？ 假定中间压力为p3，那么消耗的压缩功为 Wc=Wt, 13n+Wt,3T2

?=n?n?1?pn????n?1?p?2?n?n?1RT1?1????3??n??+RT1?1???? ??p1???n?1?????p3????n =n?n?1?1?p?3?n?1RT1?2???n??p2??n?????p1?????p3???? ?令

dWcdp=0，即 3 n??n?1??n?1?1n?1??n?1RT1??p13??n1n?1??p3?n1??n?p???p???=0 ??2?p2n?1?p1???2n?1?1? ??p3??n1n1??p2??p???p3??2??p1??p 1?2n?1? p?13n?p3n12n?1

p1?1np1?2n? p23=p1?p2

即pp3=p1p2，以及

3p?p2，和Wt,13n=Wt,3t2。 1p3

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以此类推，m级压缩时，初终态压力分别为pA、pB，则中间压

m?1m?22m?1力分别为：p1=mpApB，p2=mpApB，p1=mpApB，??，m?kkm?1pk=mpA。 pB，??，pm-1=mpApB及

p1pp?2????B?? pAp1pm?16.7.5 压气机的应用

一．大型透平式压缩机

大型气体压缩机绝大部分都是轴流式或离心式压缩机。主要应用于燃气轮机装置、空气分离装置、合成氨等（以空气为原料的）大型化工装置、天然气田液化装置以及高炉鼓风设施等。

Airbus A-380采用罗尔斯?罗伊斯公司的遄达900发动机和通用电气公司与普拉特?惠特尼公司联合研制的GP7000发动机。

遄达900的风扇直径2.95m，采用三维气动技术设计，使用钛合金部件保证了耐久性，也减轻了重量。风扇叶片为扩散连接，超塑性成型的中空带加强桁条、带半月形前缘的宽弦后掠叶片。大尺寸后掠风扇叶片可降低噪声和减轻重量，改进气动特性和抗外物损伤性能。

8级中压压气机压比为5.81，6级高压压气机压比为4.37，级数较多，好处是工作较平稳。

二．制冷压缩机的技术发展方向

制冷压缩机是制冷系统的心脏，其热力性能与可靠性，在很大程度上决定了制冷系统的热力性能和可靠性。为了适应用户的需要

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和激烈的市场竞争，研究与开发一直在广泛而深入地进行着。目前，科学与社会发展对制冷压缩机提出了许多要求：

制冷剂替代的要求 制冷剂替代对制冷压缩机的研究、设计和

制造提出了许多新的要求，如根据各种制冷剂的热物理性质开发新的压缩机；为减少制冷剂泄漏而提高压缩机的密封性和可靠性等等。非共沸混合工质依靠其变温相变的特点可以与变温热源相匹配而使传热不可逆损失最小化，甚至通过改变单位容积制冷量不同的循环工质组成来改变系统的制冷量，从而实现系统负荷的连续调节。这对压缩机及辅机的研究开发提出了不小的挑战。

应用领域拓展的要求 制冷与热泵技术的新的应用领域的不断

开拓，也在推动着制冷压缩机技术的进步。中高温余热资源回收利用需要高温热泵工质以及与该工质相匹配的压缩机；大型电子设备的芯片和板卡冷却需要高功率微型制冷装备；农林牧产品、水产品、食品加工等生产、储存、运输、销售各个环节构成的冷链技术，医疗卫生事业的生物活体和疫苗的冷链技术，则对制冷压缩机提出了多种类型的需求。以空调为例，近十年以异乎寻常的速度进入了普通百姓之家，由于我国地域辽阔，东西南北差异极大，对空调的性能要求也有所不同，所以压缩机也要适应这种差异。

高效节能降噪的要求 节能降耗是装备制造业永恒的主题，同

时环境保护的迫切要求。目前制冷压缩机的实际效率较理论值尚有相当大的差距。可以确认，压缩机较理论上多消耗的能量一方面导致COP下降，另一方面为噪声等污染和机械磨损提供了能源，给环境带来各种破坏作用。例如大型制冷低温工程使用的透平式压缩机目前的相对内效率仅有70%左右，噪音却达130dB以上，如果其相

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对内效率能够提高到85%以上，则剩余能量所能产生的噪音不会超过100dB。

新材料、新结构、新工艺、新设计的要求 科学技术的全面进

步为制冷压缩机的发展打开了广阔的空间。材料方面，聚醚醚酮（PEEK）、聚苯胺酯（PBH）等非金属、高分子材料，Nd-Te-B等永磁材料，记忆合金等材料的工业化，使压缩机制造获得更多的选择，也对压缩机研究提出了更多的要求。激光表面加工与热处理、精密铸造、数控加工以及计算机集成制造等新工艺的发展也是如此。新结构方面，新的发明创造不断涌现，例如Visteon Automotive Systems的复叠滚动活塞压缩机，四川奥神公司的复合轮齿式压缩机，西交大郁永章教授的高强度全平衡转子压缩机（也称为内啮合转子压缩机）等等[6]。

制冷压缩机种类繁多，当前技术进步主要集中在下列类型上。 1) 往复式制冷压缩机 往复式制冷压缩机的历史最长，其技术已经十分成熟。其优点是，适应的压力和制冷量范围广，输出压力不随输气量的变化而改变；热效率高，尤其是变工况运行时。其局限性也很明显：结构复杂，零部件多；转速不能太高，变频特性不如回转式；不能连续输气，且有压力脉动。

往复式制冷压缩机所用的制冷剂已经发展到R404A、R407c、R134a、6290、R600a、CO2等等。变频调节技术得到了广泛的应用。在往复运动机构上，普遍采用了十字滑块机构以取代曲柄连杆机构，具有振动小、噪声低、机械效率高、转速范围大、适于变频调节、排气气流脉动小、结构紧凑等特点。

谷轮（Copeland）公司推出的蝶阀结构半封闭压缩机对排气结

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构做了重大改进，排气阀采用耐高温聚合物制成的外圈呈锥形的阀体，在环形板簧片的作用下，锥面紧贴在阀板的相应锥座上，确保了阀体座面和中心导向销间的气密性。锥形阀体底面与阀板底面平齐，只有在排气阀开启时，才在阀板上让出排气通道，从而使余隙容积大为减少。布里斯托（Bristol）推出的Inertia系列为顺流式吸排气通道设计，吸气阀装在活塞顶部，吸排气阀均采用蝶阀，相对余隙容积比双片阀减少20%。

大型往复式压缩机方面，英格索-兰德公司推出的VIP压缩机在对动式结构的双作用气缸里，用两个外径与气缸内径相同的进气阀配置于气缸两端，两个排气阀配置于活塞上（实际上活塞就是由两个排气阀组成），排气接管设置于气缸中部，其优点是两端均为直流形式，余隙容积小①。

2) 滚动转子压缩机 滚动转子压缩机的技术进步体现在压缩机效率的提高、采用变频技术、增大压缩机容量、优质材料的使用与可靠性的提高、压缩机噪声的降低和替代工质用装备的研制等等方面。

效率的提高具体落实在压缩机电动机和压缩机本体工作效率的提高，在压缩机设计方面，采用计算机模拟与优化技术分析影响压缩机工作性能的各种因素，如制冷剂与润滑油的泄漏、吸气过热、余隙影响及运动部件摩擦等等。在制造方面，提高加工与装配精度，控制和保证各个关键部件接触部分的间隙。

3) 涡旋压缩机 涡旋压缩机商品化于20世纪80年代，90年代得到了迅速的推广与应用。其优点为，多个压缩腔同时工作，相邻 ①

郁永章, 高秀峰. 国内外压缩机学术研究近况[J]. 压缩机技术, 2003(4):14-17 30

压缩腔之间的气体压差小，因而泄漏量小，容积效率高达90-98%；力矩变化小、振动小、噪声低；零部件少，无吸排气阀，易损件少，重量轻；抗杂质和液击能力强，可靠性高；可高速运转，变速性好；气流脉动小。

涡旋压缩机的研究目前首先集中于涡旋型线。这是涡旋压缩机的基本问题，关系到设备的效率、运转平稳性、加工特性、调节性能等等。当前采用的型线有单一型线、修正型线、组合型线和通用型线。单一型线主要是圆、正多边形、半圆等的渐开线，阿基米德螺线，代数螺线等等。修正型线是对涡圈始端型线尖角进行修正得到的。组合型线是在同涡圈上采用多段不同类型的型线光滑连接而成，可发挥不同型线的优势，兼顾吸气、排气等过程。而为了解决各种型线模型针对性太强的问题，提出了通用型线的概念，它便于建立优化的统一数学模型，对于提高整机性能，增加设计的灵活性和柔性极有益处。

在良好型线的基础上，改进涡旋压缩机机构可保证型线发挥出最大的优点使之获得良好的性能和可靠性，并降低加工成本。这方面包括，背压腔与背压孔、防自转机构、排气孔口、偏心主轴平衡、柔性结构、轴向端面密封机构等等的研究。另外，涡旋盘的加工方法也是涡旋机技术的一个关键。

4) 螺杆压缩机 螺杆压缩机可以高速运转，零部件少，可靠性高，能适应较大的压缩比，且对湿压缩不敏感，能量调节性能好，50%负荷以上时功率与输气量成正比。单螺杆压缩机更有良好的力平衡性和高效率。

螺杆转子型线研究是螺杆压缩机研究的主要问题，与此关联的

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是转子齿数的研究。其他的研究内容与别的压缩机基本相同，即在于提高效率、降低损失和噪声，提高调节和变工况性能，改善加工工艺以提高加工精度等等。

在湿膨胀（即气液两相流膨胀）方面，螺杆膨胀机具有良好的应用前景，如果成功地商品化，将使蒸汽压缩制冷循环的理论COP有一个大幅度的跃升。

5) 叶轮式压缩机 包括离心式压缩机和轴流式压缩机。由于轴流式流量过大，压比偏小，故较少使用。随着制冷空调工程的大型化，叶轮式压缩机的应用比将越来越普遍。

三．真空技术

在工程上，系统的绝对压力小于当地大气压力时就处于真空状态（理论物理学中，真空指不存在任何实粒子，同时场的能量处于最低状态的空间）。一般分为粗真空系统，其压力大于1330Pa（10Torr）；低真空系统，压力介于1330~0.13Pa；高真空系统，压力介于0.13~1.3?10-6Pa；超高真空系统，压力介于1.3?10-6~1.3?10-11Pa；和极高真空系统，压力低于1.3?10-11Pa。

真空技术广泛应用于各种工艺过程，如真空冶炼炉、RH真空处理、真空喷涂、真空蒸馏、真空浓缩、真空焊接、真空浇铸、真空镀膜、真空阴极射线管、真空干燥、真空灭菌等等。用来获得并测量有特定要求的真空度的抽气系统称为真空系统。应用于各种不同工艺过程的真空系统，种类繁多，主要分为两类。一是动态真空系统，这种系统依靠真空获得设备的连续运行，不断地排出进入系统的气体来获得稳定的真空，系统内有气体流动，各处压力有所不同。二是静态真空系统，它没有任何与外界贯通点，真空建立后不要真

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空泵就可以长时间维持不变，系统内压力处处相等。①

真空系统又真空设备本体（如真空炉、真空容器等）、真空泵、冷阱、真空导管、阀门、真空计、波纹管和过滤器等组成。

真空泵是真空系统的心脏，工业上一般使用机械式真空泵、增压泵和扩散泵。机械泵包括旋片泵、定片泵、滑阀泵、水环泵、螺杆泵等，可单独作为低真空系统的主泵，也可作为高真空系统的前置泵。扩散泵工作压力在1.3?10-1 ~6.7?10-4Pa（无冷阱）和1.3?10-1 ~1.3?10-1Pa（有冷阱），可以作为高真空系统的主泵，运行时必须配有前置泵。机械泵在1Pa以下工作性能很差，为了更好地与扩散泵配合，在机械泵和扩散泵之间可设置增压泵，增压泵可以选用罗茨泵和油增压泵等。对于超高和极高真空系统，有分子泵、吸气泵、钛泵和低温泵等可供选择。

真空系统所用的材料可分为结构和辅助材料。前者的构成真空系统主题的材料，它将真空与大气隔开，承受大气压力，一般是金属和/或玻璃。后者指弹性密封材料、绝缘材料、金属密封材料②、吸附剂（用于吸水、挡油和吸气的物理的、物理化学的和化学的吸附剂）和真空油脂材料（真空泵油、真空脂、真空泥、真空蜡、真空漆、真空密封胶）等等。 ①

1990年，著名真空专家杨乃恒教授领导下的我国唯一的真空工程博士学位授权点在东北工学院机械系（现东北大学机械电子工程学院）设立，1993年国务院学位委员会进行学科调整，将它并入流体机械及工程学科。该学科点在真空获得理论及相关技术方面特色明显，从60年代初起，对旋片式真空泵、滑阀泵、罗茨泵、涡轮分子泵、复合分子泵、低温泵、油扩散泵及水和蒸汽喷射泵等理论与应用进行了一系列研究，并在真空应用技术及设备如薄膜制备与表面技术等方面也展开了大量工作。 ②

制作超高真空的金属密封件。优点的析气率和渗透率比弹性密封材料低，且耐高温，但只能一次性使用。常用的有金、银、无氧铜、纯铝、纯铟等。 33

【例题】：空气初参数为0.9807bar，20℃，经过三级压缩达到122.6bar。若空气进入各级气缸时的温度相同，且各级过程指数均为

p

p2 2 3 III pb b' b II T pa a' a I p1 1 v 图

1.25，试求单位质量压缩空气所消耗的功，和各级气缸的排气温度。若使用单级压缩，所消耗的功和排气温度又为多少？ 解：三级压气机各级最佳压缩比为：

2

papbpb3p1p2p====32 p1pap2p1p1

=3122.6=5

0.9807最佳压缩比时，各级压缩功相等，故：

wc= wcI+wcII+wcIII=3wcI

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?=3nn?1RT?n?1?1???pn?a??1??p??? ??1???1.25?=3?1.25?0.287?293.15???11?51.25??1.25?1??? ?=-478kJ/kg 各级气缸排气温度为：

n?1?1.25?1T?Tp?na1??a??293.15?51.25?p=404K

1??n?1n?1T?pb??n=T?p?nb?Ta'??1??a??p，以及T2=Ta=404K

a???p1??=Ta=404K若为单级压缩，则耗功为

?wn?n?1?p?c'=2?nn?1RT1???1???p??? ??1???=1.25?1.25?1?0.287?293.15??1.25?1?1??122.6?1.25??????

??0.9807??? =-682.kJ/kg 单级压缩机排气温度为： n?1 T?p?1.25?1n3?T1??2?293.15???122.6?1.25?p?1???0.9807??=768K

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