2 热力学计算
2.1 初步确定各级排气压力和排气温度
2.1.1 初步确定各级压力
本课题所设计的压缩机为单级压缩 则： 吸气压力：P s =0.1Mpa
排气压力：P d =0.8Mpa
多级压缩过程中，常取各级压力比相等，这样各级消耗的功相等，而压缩机的总耗功也最小。各级压力比按下式确定。
z i t εε= （2-1）
式中： i ε—任意级的压力比； t ε—总压力比；
z —级数。
总压力比：t ε= 0.8/0.1=8
各级压力比：
83.28==ε
i
压缩机可能要在超过规定的排气压力值下工作，或者所用的调解方式（如余隙容积调节和部分行程调节）要引起末级压力比上升而造成末级气缸温度过高，末级压力比值取得较低，可按下式选取：
Z =εε
t i
)75.0~9.0( （2-2）
则各级压力比：
ε
2=2.12~2.55=2.5 ε
1
=3.2
各级名义进、排气压力及压力比已经调整后列表如下
表2-1 各级名义进、排气压力及压力比
级数 名义进气压力 p 1（MPa ）
名义排气压力 p 2（Mpa ） 名义压力比
ε Ⅰ 0.1 0.32 3.2 Ⅱ
0.32
0.8
2.5
2.1.2 初步确定各级排气温度
各级排气温度按下式计算：
1n n
d s i
T T ε-= （2-3）
式中：T d —级的排气温度，K ； T s —级的吸气温度，K ；
n —压缩过程指数。
在实际压缩机中，压缩过程指数可按以下经验数据选取。 对于大、中型压缩机：n k =
对于微、小型空气压缩机：(0.9~0.98)n k =
空气绝热指数k =1.4，则(0.9~0.98)(1.26~1.372)n k ==，取n =1.30 各级名义排气温度计算结果列表如下。
一级的吸气温度T s1=210C+273=294（K ） 一级的排气温度T d1==X =-2
.323
.0113.11
1
294ε
T s 382(K)
二级的吸气温度T s2=400C+273=313（K ）
二级的排气温度：=X =-5
.223
.0113.12
2
313ε
T s 471(K)=386(K)
表2-2 各级排气温度
级数 名义吸气温度T 1
压缩过程指数n n
n 1-'）（ε
名义排气温度T 2 ℃ K ℃ K Ⅰ 21 294 1.30 1.31 130 382 Ⅱ 40
313
1.30
1.313
1.23
386
2.2 确定各级的进、排气系数
2.2.1 计算容积系数v λ
容积系数是由于气缸存在余隙容积，使气缸工作容积的部分容积被膨胀气体占据，而对气缸容积利用率产生的影响。
)1(11
--=m
v εαλ （2-4）
式中： v λ—容积系数； α —相对余隙容积；
ε — 压力比。
各级膨胀过程指数m 按下表计算。
表2-3 不同压力下的m 值
()()110.5110.51.41 1.2m k =+-=+-= ()()210.62110.621.41 1.25m k =+-=+-=
确定相对余隙容积α
根据统计，压缩机的相对余隙容积值多在以下范围内： 压力≤20公斤／厘米2： α=0.07～0.12 压力﹥20～321公斤／厘米2：α=0.12～0.16 微型压缩机的相对余隙容积：
排气量在0.2米2／分以下：α=0.088～0.10 排气量在0.3米2／分以上：α=0.035～0.05 则：取相对余隙容积α=0.035～0.05
根据不同的气阀结构，选用各级的相对余隙容积α值。
采用环状气阀时，一般α值在下列范围内选取：低压级12.0~07.0=α，中压级14.0~09.0=α，高压级16.0~11.0=α。
采用舌簧阀的微小型压缩机，04.0~03.0=α。
根据本设计的技术要求，选用舌簧阀结构，由上述经验选取各级相对余隙容积：=1α0.035，=2α0.04。
由此，各级v λ计算如下
943.0)1(035.01)1(12.32
.1111
1
11
=-X -=--=εαλ
m v
957.0)1(04.01)1(15
.225
.11212
22
=-X -=--=ε
αλ
m v
2.2.2、 确定压力系数
由于进气阻力和阀腔中的压力脉动，使吸气终了时气缸内的压力低于名义进气压力，从而产生的对气缸利用率的影响。
影响压力系数p λ的主要因素一个是吸气阀处于关闭状态时的弹簧力，另一个是进气管道中的压力波动。在多级压缩机中，级数愈高，压缩系数p λ应愈大。对于进气压力等于或接近大气压力的第一级，进气阻力影响相对较大，可在
98.0~95.0=p λ范围内选取，第二级进气阻力相对于气体压力要小的多，可在
0.1~98.0=p λ范围内选取。
故在本设计当中，选取：10.96p λ=，20.98p λ=。
2.2.3、 确定温度系数
压缩机的吸入气体，其温度总是高于吸气管中的气体温度（由于缸壁对气体加热），折算到公称吸气压力和公称吸气温度时的气体吸气容积将比吸入时的容积小，因而使气缸行程容积的吸气能力再次降低。用来表示在吸气过程中，因气体加热而对气缸吸气能力影响的系数称为温度系数，用T λ表示。
影响气缸内气体在吸气终了时温度的主要因素是：在吸气过程同气体接触的气缸和活塞的壁面传给气体热量的大小；膨胀终了时余隙容积中残余气体温度的高低；气体在吸气过程中阻力损失的大小（这部分阻力损失转化为热量使气体温度上升）。显然，在吸气过程，气体吸收的热量越多，温度便越高，温度系数就越小。要全面地考虑这些因素对温度系数的影响，精确地求得T λ，是比较困难的；计算时可根据压力比的大小从图选择适当的T λ.
温度系数T λ的大小取决于进气过程中加给气体的热量，其值与气体冷却及该级的压力比有关，一般98.0~92.0=T λ。如果气缸冷却良好，进气过程中加入气体的热量少，则T λ取较高值；而压力比高，即气缸内的各处平均温度高，传热温差大，造成实际气缸容积利用率低，T λ取较低值。
查图时应注意以下几点： （1）压力比大者，T λ取小值。
（2）冷却效果好时，T λ取大值，水冷却比风冷却的T λ大。 （3）高转速比低转速的压缩机，T λ大。 （4）气阀阻力小时，T λ取大值。
（5）大、中型压缩机T λ取大值，微、小型压缩机T λ取小值。
图2-1 系数λT 与压力比ε的关系 查表得：
10.95~0.975T λ=，981.0~946.02=T λ。 综合考虑：10.96T λ=，95.02=T λ
2.2.4确定泄漏系数（气密系数）
泄漏系数表示气阀、活塞环、填料以及管道、附属设备等因密封不严而产生的气体泄漏对气缸容积利用率的影响。
泄漏系数的取值于气缸的排列方式、气缸与活塞杆的直径、曲轴转速、气体压力的高低以及气体的性质有关。对于一般有油润滑压缩机，98.0~90.0=l λ；无油润滑压缩机，95.0~85.0=l λ。
选取：=1
l λ0.95，=2l λ0.92
2.2.5、确定各级排气系数
d λ按下式计算：余隙容积的影响、吸气阀的弹簧力和管线上的压力波动、吸气时气体与气缸壁之间的热交换、气体泄漏等因素，使气缸行程容积的有效值减少。在气缸行程容积相同的情况小，上述四因素的影响愈大、则排气量愈小。设计计算中，考虑上述因素对排气量的影响而引用的系数称排气系数，以
d λ表示：
d v p T l λλλλλ= （2-5）
式中 v λ—容积系数
p λ—压力系数 T λ—温度系数
l λ—泄漏系数
表2-4 各级排气系数
级数
Ⅰ Ⅱ v λ 0.943 0.957 p λ
0.96 0.98 T λ 0.96 0.95 l λ
0.95 0.92 l p v d λλλλλ···T =
0.826
0.820
2.3确定各级气缸的行程容积
2.3.1 凝析系数μφi 的确定（干气63页）
当压缩机进口含有水蒸气（或其它蒸汽），气体经过压缩，蒸汽的分压将会提高，当压缩机的蒸汽分压超过冷却器气体出口温度下的饱和蒸汽压时，气体中的蒸汽将冷凝而析出水分。水分的析出会影响第一级以后各级的吸气量。计算时，如不考虑水分的析出，将会使得实际压力同计算结果不相同。
气体中的蒸汽含量可用相对湿度?表示：
进口气体的相对湿度以重庆市的空气相对湿度为准，以成都、昆明、贵阳的空气平均相对湿度为参照，75.0=? 有、无水析出的判别式
bi b p p
p p s si
<1
··11? 则无水析出，1=φμ （2-6）
bi b p p p p s si
>1
··11? 则有水析出，1<φμ （2-7）
若本级前有水析出，则本级吸入的为饱和气体，凝析系数可按下式计算
1
111s si
bi si b s i p p p p p p ?--=
φμφ （2-8）
式中：bi b p p ,1—分别为一级和i 级在进口温度下的饱和蒸汽压, MPa ； si s p p ,1—分别为一级和i 级的名义吸气压力，MPa ； i φφ,1 —分别为一级和i 级进口气体的相对湿度。
查文献<<活塞式压缩机设计>>表2-7得：02534.01=b p 公斤/ 厘米2 07520.02=b p 公斤/ 厘米2 已得：1.01=s p MPa ，32.02=s p MPa 。
第一级从大气中吸气，无析水问题，故11=?μ 第二级析水系数为：206082.01
.032
.002534.075.0b p <=X
X 二级进气水蒸气分压小于二级进气温度下的水蒸气饱和蒸汽压，故二级无水 析出 故：12=κμ。 2.3.2 抽气系数oi μ的确定
在化工中流程中，经常遇到从级间抽气或加气的情况，例如在合成氨生产中，要在不同压力下清楚有害气体，使得压缩机各段的重量流量不相等。在确定各级的气缸行程容积时，要考虑到它的影响。为此，引进抽气系数oi u ，他表示某级的吸入容积（不考虑泄漏、析水且换算到一级吸气状态）与Ⅰ级吸入容积的比值。 有抽气
1o
本设计中间无抽、加气，故121==o o u u 。 2.3.3、压缩机行程容积的确定
压缩机第Ⅰ级的气缸行程容积按下式计算
1
1d d
h V V λ=
（2-9）
式中： d V —压缩机的排气量，m 3/min ； 1d λ —压缩机第一级的排气系数。
多级压缩机其余各级的气缸行程容积按下式计算
d s s s s d h V T T p p V ???=1
2
2122o 22·λμμ? （2-10）
式中：21,s s p p —分别为一级和二级的名义吸气压力，MPa ；
21,s s T T —分别为一级和二级的名义进气温度, K ；
2d λ —压缩机第二级的排气系数； 2?u —压缩机第二级的凝析系数； 2o μ—压缩机第二级的抽气系数。
按给定排气量范围，取0.6d V =m 3/min 。则 压缩机第一级的行程容积：
726.0826
.06
.01
1==
=
d d
h V V λm 3/min 压缩机第二级的行程容积：
244.06.0293
31332.01.082.01112212
2
22=????=???
?=
d s s s s d o h V T T p p u u V λ?m 3/min
2.3.4、确定气缸直径
计算出各级气缸的行程容积后，可按一下各式计算气缸直径。 对于单作用气缸
s n z
V D hi
π4=
（2-11） 对于双作用气缸
2
42
d s n z V D hi +=π （2-12） 式中：hi V —i 级气缸的行程容积, m 3/min ； s —活塞行程，m ； n —压缩机转速，r/min ；
z —同级气缸数； d —活塞杆直径，m 。
本设计采用单作用气缸，连杆直接与活塞相连，无十字头和活塞杆。 故气缸直径为 一级气缸：mm snz V D h 692
9801.014.3726
.04411≈????==π 二级气缸：mm snz V D h 56980
1.014.3244
.04422≈???==
π
参考《活塞式压缩机设计》表2-8 气缸的公称直径 圆整后： D 1=70mm D 2=55mm
2.4、修正各级名义压力和温度
在各级气缸直径计算出后，要按国家标准进行圆整。圆整后，各级的压力和温度会发生变化，需要进行修正。
2.4.1 确定圆整后各级的实际行程容积hi V
圆整后的行程容积用下式计算。
snz D V i hi
2
4
π
=' （2-13）
754.029801.007.0414
.342211=????=
=
'snz D V h π
m 3/min
233.09801.0055.04
14.342222=???=='snz D V h πm 3/min
2.4.2、 计算各级压力修正系数i β及1+i β
hi
hi
h h i V V V V ''=
·11β （2-14） )
1()
1(111·+++''=i h i h h h i V V V V β （2-15）
式中：i β、1+i β —同级吸、排气的修正系数。
因此，修正系数为： 1·1
1
111=''=
h h h h V V V V β 086.1233
.0244.0726.0754.0·22112=?=''=
h h h h V V V V β 3.4.2 修正后各级名义压力及压力比
i i i p p 11β=' （2-16） i i i p p 212
+='β （2-17）
式中：i p 1、i p 2———— 圆整前的i 级名义吸、排气压力；
i p 1
'、i p 2' ————圆整后的i 级名义吸、排气压力 1
111 1.0 1.0p p β'==?=?105Pa ?=?=?=='45.332.0086.122222
p p p ββ105Pa 表2-5 修正后各级名义压力及压力比
级 次 Ⅰ Ⅱ 计算行程容积h V ，m 3
0.726 0.244 实际行程容积h V '错误！未找到引用源。，m 3
0.754 0.233 修正系数
βk βk+1 1 1.086 1.086 名义进气压力
i p 1 i i i p p 11
β=' 0.1 0.32 0.345 名义排气压力
i p 2
i i i p p 212
+='β 0.32 0.345 0.8 修正后的名义压力比'ε 3.45
2.32
2.4.5、修正后各级排气温度
表2-6 修正后各级排气温度
级数
进气温度1T ，K
压力比
ε'错误！
未找到引用源。
压缩过程 指数n
1
n n ε-'（）
排气温度2T ，K
Ⅰ 294 3.45 1.3 1.331 391 Ⅱ
313
2.32
1.3
1.215
380
2.5、 计算活塞力
2.5.1、 计算气缸进排气过程的平均压力
由文献《活塞式压缩机设计》图2-15查得:%61=s δ、%52=s δ、%121=d δ、
%102=d δ
表 2-7 气缸内进、排气过程的平均压力
级数
修正后名义压力（MPa ） 相对压力损失（%）
1-δs
1+δd
气缸内实际压力
实际压力比
s
d
p p =
'ε错误！未找到引用源。
1
p ' 2
p ' δs
δd
)1(s i s p p δ-'= )1(d i d p p δ+'=
Ⅰ 0.1 0.345 6 12 0.94 1.12 0.094 0.387 4.12 Ⅱ
0.345
0.8
5
10
0.95
1.1
0.323
0.88
2.72
2.5.2、计算活塞力
列的活塞力是各列气缸中作用在活塞工作面积i F 上的气体压力的代数和
i i F p p ?=∑ （2-18）
最大活塞力(气体力)发生在内、外止点处，规定：使连杆受拉为正，使连杆受拉为负。
轴侧：
错误！未找到引用源。gi si zi di z F p F p p ∑∑-=
（2-19）
盖侧：
错误！未找到引用源。zi di gi si g F p F p p ∑∑-=
（2-20）
式中：si p ，di p —分别为同列缸各级的实际吸、排气压力，Pa ；
gi F ，zi F 错误！未找到引用源。 —分别为同列缸内各级对应级的轴侧、盖侧活塞工作面积，m 2。
轴侧活塞工作面积为
4
2
D F z π=
（2-21）
盖侧活塞工作面积为
错误！未找到引用源。4
2
D F g π=
（2-22） 则：
001256.0407.014.34
22
111=?===D F F g Z πm 2
002375.04
055.014.34
22
222=?==
=D F F g Z πm 2
表2-8各列活塞力 级次
内止点活塞力P(106N)
轴侧(+) 盖侧(-)
d p
z F
z d F p
s p
g F
g s F p
Ⅰ
0.387
0.001256
0.000486
0.094
0.001256
0.000118
=-=g s z d z F p F p p 10.000368错误！未找到引用源。
Ⅱ
0.88
0.002375
0.00209
0.323
0.002375
0.000767
=-=g s z d z F p F p p 20.001323错误！未找到引用源。
级次
外止点活塞力P(106N)
轴侧(+) 盖侧(-)
s p
z F
z s F p
d p
g F
g d F p
Ⅰ
0.094
0.001256
0.000118
0.387
0.001256
0.000486
=-=g d z s g F p F p p 1-0.000368
Ⅱ
0.323
0.002375
0.000767
0.88
0.002375
0.00209
=-=g d z s g F p F p p 2-0.001323
一级最大活塞力为368N ，二级最大活塞力为1323N 。
2.6、计算轴功率，选择电机
2.6.1、计算各级指示功率及总指示功率
压缩机在单位时间内消耗于实际循环中的功称为指示功率。 对于理想气体，各级的指示功率按下式计算
1
211(1)(1)11(1)60
k k d i s v h s p k k N p V k p δδλδ-??
??+??=--????
--??????
（2-23 对于实际气体，各级的指示功率按下式计算：
1212
111(1)(1)11(1)602k k d i s v h s p z z k k N p V k p z δδλδ-??
??++??=--????
--????
??
（2-24） 式中：1p ，2p —分别为级的名义吸、排气压力，Pa ；
1z ，2z 错误！未找到引用源。—分别为同列缸内各级对应级的轴侧、盖侧活塞
工作面积，m 2。
本设计中工质为看做为理想气体，故用式（2-23）计算
60
1)1()1()1(11
11111211111k p p V p k k N k k s d h v s ??
???
?????-?
?????-+--=-δδλδ
W 2465604.11094.0387.0726.0943.094.010094.014.14.14.11
4.16=???
???
?????-????????????-=-60
1)1()1()1(11
221222222212k
p p V p k k N k k s d h v s ??
????????-?
?????-+--=-δδλδ=10367
W 1942604.11323.088.0244.0957.095.010323.014.14.14.11
4.16=???
???
?????-????????????-=- 压缩机的总指示功率为W N N N i 44071942246521=+=+= 2.6.2、压缩机轴功率z N
指示功率是压缩机活塞作用于气体的功率，属内功率。驱动机传给压缩机主轴的功率为轴功率，它除了提供内部功率以外还要克服摩擦副之间的机械摩擦功率，通常摩擦损失耗功都用机械效率m η表示，故轴功率为
m
i
z N N η=
（2-25）
根据已有机器的统计，
带十字头的大、中型压缩机：95.0~90.0=m η 小型不带十字头的压缩机：92.0~85.0=m η 高压循环压缩机：85.0~80.0=m η
无油润滑压缩机的机械效率还要低些。另外如果主轴同时要驱动油泵或风扇
等，则m η要取下限。
根据以上经验，取0.9m η=，则
)(48979
.04407
W N N m
i
z ==
=
η 2.6.3、电机输入功率c N
对于中、小型压缩机，若用皮带、齿轮等传动时，还要考虑传动损失，则驱动机的效率为
c
z
c N N η=
（2-26）
式中：c η—传动效率。
一般皮带传动99.0~96.0=c η；齿轮传动99.0~97.0=c η。
一般驱动功率还应留有（5~15）%的功率储备，故驱动机的功率应为
(1.05~1.15)z c c
N
N η= （2-27） 本设计选用皮带传动，98.0=c η，按10%的裕度计算。故
)(497.598
.04897
1.1kW N c =?
= 所以选用Y 系列Y132S-4电动机，其额定功率为 5.5 kW ，满载转速为1440r/min ，主轴颈φ为38mm 。
3、主要零部件设计
往复活塞式压缩机的主机包括传递动力并将电动机的回转运动转化为活塞的往复直线运动的曲柄——连杆机构以及来实现压缩工作循环的气缸、活塞以及密封等组件。下面将分别对各组件进行设计。
3.1、活塞组件设计
活塞组件与气缸构成了压缩容积。活塞组件必须有良好的密封性，此外还要求
（1）有足够的强度和刚度。
（2）活塞与活塞杆(或活塞销)的连接和定位要可靠。
（3）重量轻。两列以上的压缩机中．应根据惯性力平衡的要求配置各列活塞的重量。
（4）制造工艺性好。
对本设计来说，活塞组件的设计包括活塞环的设计、刮油环的设计、活塞的设计和活塞销的设计。它们在气缸中作往复运动，与气缸一起构成了行程容积。
3.1.1 活塞环设计
活塞环是密封气缸镜面和活塞间的缝隙用的零件。另外，它还起布油和导热的作用。对活塞坏的基本要求是密封可靠和耐磨损。它是易损件，在设计中尽量用标谁件和通用件，以利生产管理。
在活塞式压缩机中，活塞环是关键的零件之一，它设计质量的好坏直接影响到压缩机的排气量、功率、密封性及可靠性，从而影响到压缩机的使用成本。活塞环的材料及结构尺寸的选择对其寿命起至关重要的作用。
3．1.1.1 活塞环的材料
如果没有特殊要求，活塞环一般用铸铁或合金铸铁制造。不同活塞环直径宜选用的灰铸铁牌号见表4-1。对于小直径活塞环或高转速压缩机用的活塞环，可选用合金铸铁制造。
表3-1 灰铸铁活塞直径与铸铁牌号关系
活塞环直径，mm 200D ≤
200300D << 300D ≥
灰铸铁牌号
HT300或HT250 HT200或HT250 HT200
本设计采用的活塞环材料为灰铸铁，牌号为HT250。 3.1.1.2、活塞环的结构设计
常用的活塞环的结构有开口式和45度斜口式两种，搭口的密封性在使用时和直口、斜口无显著差别，但工艺复杂，而且环端在安装时容易折断，已很少使用。用塑料做活塞环时，由于强度较低，斜口的夹角处易破裂，故多采用直口。
本设计采用直切口式。 3.1.1.3、活塞环环数的确定
活塞环的数目按下列经验公式估算：
Z p =? （ 3-1）
式中：p ?—活塞环两边的最大压差，105Pa 。
活塞环的数目按上述公式进行计算后，根据压缩机的转速的行程进行圆整。高转速压缩机，环数可比计算值少些；对于易泄漏的气体，则可多些。采用塑料活塞环时，由于优良的密封性能，环数可比金属活塞环少。
712.110)094.0387.(11=?-=?P =O Z ，取1Z =2。 360.210)323.088.(22=?-=?P =O Z ，取2Z =3。
3.1.14、 主要尺寸的确定 （1）径向厚度t
径向厚度t 一般取t =（1/22~1/36）D 。D 为活塞环外径（mm ），且大直径活塞环的t 取小值，小直径活塞环的t 取大值，最后应取标准值。
)2.3~9.1(70)361221()361221(1=?-=-=D t mm ，取1t =3mm 。 )5.2~5.1(55)361221()361221(2=?-=-=D t mm ，取2t =2mm 。
（2）轴向厚度h
轴向厚度h 一般取h =（0.4~1.4）t 。较小值用于大直径活塞环，较大值用于小直径活塞环和压差较大的活塞环，最后应取标准值。
)2.4~2.1(3)4.1~4.0()4.1~4.0(1=?==t h mm ，取1h =3mm 。 )8.2~8.0(2)4.1~4.0()4.1~4.0(2=?==t h mm ，取2h =2mm 。
（3）开口热间隙δ 开口热间隙δ按下式计算
21()a D t t δπ=- （3-2）
式中：D —活塞环外径，mm ；
2t —活塞工作时的温度，通常取排气温度，℃；
1t —在检验尺寸δ时活塞环本身的温度，通常取室温20℃； a —活塞环材料的线膨胀系数（1/℃），铸铁51.110a -=?/℃。
24.0)20118(7014.3101.1)(51211=-????=-=-t t D απδmm ，取1δ=0.4mm 。 21.0)20107(5514.3101.1)(51222=-????=-=-t t D απδmm ，取2δ=0.3mm 。 （4）自由开口宽度A
查文献资料《容积式压缩机技术手册》得：A 1=9.8mm A 2=7.7mm 根据已知的条件1D =70mm ，2D =55mm ，选用文献[1]中的标准活塞环。
图3.1 活塞环的结构简图
3.1.2、刮油环设计
在单作用的气缸中，为了防止曲轴内的润滑油窜入气缸，要采用刮油环。刮油环的工作面有锋利的边缘，以便把气缸上的润滑油刮下，刮下的油顺着活塞上的导油孔导出。
刮油环的材料通常选用 VTi 合金铸铁。 一级刮油环：外径取一级缸径尺寸D 为70mm ，径向厚度t 取为3.2，轴向高度h 取为4mm ，开口热间隙δ取为0.4mm ，自由开口宽度A 取为10mm ； 二级刮油环：外径取二级缸径尺寸D 为55mm ，径向厚度t 取为2.8，轴向高度h 取为4mm ，开口热间隙δ取为0.4mm ，自由开口宽度A 取为10mm 3.1.3、 活塞的设计
活塞与气缸内壁及气缸盖构成容积可变的工作腔，并由曲柄通过连杆（活塞杆）带动、在气缸内作往复运动，由此实现气缸内气体的压缩。
对于小型、微型无十字头的压缩机，活塞销与连杆直接相连。当压缩机工作时，侧向力将活塞压向气缸表面，这样侧向力主要由活塞群部承受。此时为防止活塞的外表面造成气缸的损伤，通常销座附近的群部略向下凹。
活塞式压缩机中采用的活塞基本结构型式有：简形、盘形、级差式、组合式、柱塞等。
（1）筒形活塞：用于小型无十字头压缩机，通过活塞销与连杆连结。
（2）盘形活塞：用于低压中压气缸中。为了减轻重量，一般铸成空心的。两个端面用加强筋互相连结，以增加刚性。
（3）级差式活塞：用在串联两个以上压缩级的级差式气缸中。
（4）隔距环组合型活塞：高压级中，活塞环径向厚度δ与它的直径D 的比值，比一般情况取得大些，以提高活塞环弹力和它对气缸表面的比压。
（5）柱塞：活塞直径很小时，采用活塞环密封在制造上有困难。因此采用不带活塞环的柱塞结构。
本设计采用筒型活塞。 3.1.3.1、活塞材质的选取
活塞常用的材料见表3-2。如果压缩的气体具有腐蚀性，可采用不锈钢3Cr 或鳞青铜等。
表3-2
活塞常用材料
根据表3-24-20，选择本设计一级气缸的材质为HT200，二级气缸的材质为HT200。
3.1.3.2、活塞结构尺寸的确定
不计密封环和刮油环高度时的活塞高度
[]
'max
1N H D k ≥
（4-3） 式中：max N —最大侧向力max max N P λ=；λ为连杆径长比，max P 为最大活塞力；
D —活塞直径，m ；
[k 1] —筒形活塞支撑面的许用比压，=][1k 0.15 MPa ~0.30MPa 。 取=][1k 0.2MPa ，λ=1/4.5
不计密封环和刮油环高度时的一级活塞高度
[]
)(84.52
.007.05.41
10368611max
1`1mm k D N H =??
?=≥
-
不计密封环和刮油环高度时的二级活塞高度
[]
)(7.262
.0055.05.41
101323612max
2`2mm k D N H =??
?=≥
-
活塞的总高度 3H H nh mh '≥++ （4-4）
式中：n ，m —活塞环数；
h ，h 3—活塞环的轴向高度，mm 。
一般取3h =（1-2）h 。根据刮油环的设计知：3h =4mm
一级活塞高度：)(8.1543284.53111`11mm h m h n H H =+?+=++≥
二级活塞高度：)(7.364237.263222`
2
2mm h m h n H H =+?+=++≥ 活塞总高度一般与活塞直径D 的关系为
(0.65~1.5)H D = （4-5）
一级活塞高度范围：mm D H )105~5.45(70)5.1~65.0()5.1~65.0(11=?== 二级活塞高度范围：mm D H )5.82~8.35(55)5.1~65.0()5.1~65.0(22=?== 综上所述：取一级活塞高度1H =60mm ，取二级活塞高度2H =60mm 。 活塞顶面至第一道活塞环的距离为
(1.2~3)c h = （4-6）
一级活塞顶面至第一道活塞环的距离：11(1.2~3)(1.2~3)3 3.6~9c h ==?= mm
二级活塞顶面至第一道活塞环的距离 ：
mm
h c )6~2.2(2)3~2.1()3~2.1(22=?==
取1c =5mm ，2c =5mm 。 活塞环之间的距离为
'(0.8~1.5)c h = （4-7）
一级活塞活塞环之间的距离：
'11(0.8~1.5)(0.8~1.5)3(2.4~4.5)c h ==?=mm 二级活塞活塞环之间的距离：mm h c )3~6.1(2)5.1~8.0()5.1~8.0(2`
2=?== 取'13mm c =，'23mm c =。 裙座到底边的距离约为
0.75L H = （4-8）
一级活塞裙座到底边的距离：mm H L 456075.075.011=?== 二级活塞裙座到底边的距离：mm H L 456075.075.022=?== 活塞销中心线到底边距离约为
'0.6h L = （4-9）
一级活塞活塞销中心线到底边距离：mm L h 27456.06.01`1=?==，取为27
mm 。
二级活塞活塞销中心线到底边距
离
：
mm L h 27456.06.022`=?==，取为27 mm 。
活塞销孔径均为20 mm 。
图3.2 活塞示意图
3.1.4、活塞销的设计 3.1.
4.1、活塞销的材料
活塞销连接了活塞和连杆，在活塞运动过程中，承受连杆的重量和连杆作用在活塞销的力，所以活塞销要有足够的强度和刚度。综合考虑选择20Cr 。
表3-3 活塞销的材料、热处理、及表面要求
3.1.
4.2、活塞销的主要结构尺寸
活塞销的尺寸，根据最大活塞力作用下活塞销投影工作面上的许用比压初步确定后，按弯曲和剪切作用校核其强度。活塞销的计算尺寸如图3-4所示。
]
[2max
0k P dl ≥
（3-10） 式中：p max —最大活塞力，N ；
d —活塞销直径，m ；
l 0 —连杆铜套长度，按l 0= (1.1~1.4)d 的范围选取；
[k 2] —活塞销许用比压，活塞力始终在一个方向时，[k 2]≤120×105Pa ~150×105Pa ；活塞力的方向有变化时，[k 2]≤150×105Pa ~250×105Pa 。
因为活塞力有变化，取[k 2] =200?105Pa 。 则一级活塞销：m d 0041.0200
00368
.0)4.1~1.1(2=≥，取d =15mm 二级活塞销：m d 0078.0200
01323
.0)4.1~1.1(2=≥
，取d =15mm 活塞销座处的表面压力按下式确定
l d p q '
=
2max
（3-11） 式中：d —如图3-4所示，为活塞销外径，mm ； l '—活塞销在一侧销座中的支撑长度，mm 。
表面压力的许用值[]q
活塞销在销座中为紧固支撑，铸铁活塞≤][q 35 Mpa~40MPa 。铸铝活塞
≤][q 20 MPa~25MPa 。
一级活塞：d =15mm ，取l '=15mm ，则：82.015
152368
=??=q MPa ，在允许
范围内。
二级活塞：d =15mm ，取l '=10mm ，则：41.410
1521323
=??=q MPa ，在允许
范围内。
《热力学基础》计算题 1. 温度为25℃、压强为1 atm 的1 mol 刚性双原子分子理想气体，经等温过程体积膨胀 至原来的3倍． (普适气体常量R ＝8.31 1 --??K mol J 1，ln 3=1.0986) (1) 计算这个过程中气体对外所作的功． (2) 假若气体经绝热过程体积膨胀为原来的3倍，那么气体对外作的功又是多少？ 解：(1) 等温过程气体对外作功为 ??=== 0000333ln d d V V V V RT V V RT V p W 2分 =8.31×298×1.0986 J = 2.72×103 J 2分 (2) 绝热过程气体对外作功为 V V V p V p W V V V V d d 000 03003??-== γγ RT V p 1 311131001--=--=--γγγ γ 2分 ＝2.20×103 J 2分 2.一定量的单原子分子理想气体，从初态A 出发，沿图示直线过程变到另一状态B ，又经过等容、 等压两过程回到状态A ． (1) 求A →B ，B →C ，C →A 各过程中系统对外所作的功W ，内能的增量?E 以及所吸收的热量Q ． (2) 整个循环过程中系统对外所作的总功以及从外界吸收的总热量(过程吸热的代数和)． 解：(1) A →B ： ))((211A B A B V V p p W -+==200 J ． ΔE 1=ν C V (T B －T A )=3(p B V B －p A V A ) /2=750 J Q =W 1+ΔE 1＝950 J ． 3分 B → C ： W 2 =0 ΔE 2 =ν C V (T C －T B )=3( p C V C －p B V B ) /2 =－600 J ． Q 2 =W 2+ΔE 2＝－600 J ． 2分 C →A ： W 3 = p A (V A －V C )=－100 J ． 150)(2 3)(3-=-=-=?C C A A C A V V p V p T T C E ν J ． Q 3 =W 3+ΔE 3＝－250 J 3分 (2) W = W 1 +W 2 +W 3=100 J ． Q = Q 1 +Q 2 +Q 3 =100 J 2分 1 2 3 1 2 O V (10-3 m 3) 5 A B C
类型三：利用热量公式计算 在冬天为使房间里保持一定的温度，每小时要供给4.2×106 焦的热量，若进入散热器中水的温度是80℃，从散热器流出的水的温度是72℃，问每小时要供给散热器多少80℃的水？ 【分析与解答】可利用公式Q 放=Cm(t 0-t)变形为：) (0t t C Q m -=放求出m 。 解：Q 放=Cm( t 0-t) )kg () (..)t t (C Q m 1257280102410243 6 0=-???=-=放 变式1：利用热量公式计算 质量为0.5千克的铝壶里装了2千克的水。初温度为20℃，如果它吸收了265.2×10 3 焦的热量，温度可升高到多少摄氏度？[铝比热容为0.88×103 焦/（千克·℃）] 【分析与解答】解此类题目的关键是如何确定容器的初温和末温，只要用容器盛液体加热或冷却，容器的初温和末温与液体的初温和末温相同。本题参与吸热物体分别为水和铝壶，它们初温相同，末温也相同可利用公式Q 吸=Cm(t-t 0)变形后求末温度。 解：Q=Q 铝+Q 水=C 铝m 铝(t-t 0)+C 水m 水(t-t 0) 得 C t m C m C Q t ?=+??+???=++= 50205.01088.02102.4102.265333 水 水铝铝 变式2：利用热量公式计算 小明家新安装了一台容积为0.5m 3的太阳能热水器，加满水后，经过4h 阳光的照射，水温由原来的20℃升高到了40℃．问：在这4h 内水吸收了多少热量?若这些热量由效率为20％的火炉燃烧焦炭来提供，则需要燃烧多少千克焦炭?[水的比热容c 水＝4.2×103J/(kg ·℃)、焦炭的热值g ＝3.0×107J/kg ] 【分析与解答】太阳能热水器内水的质量 m ＝ρV ＝1.0×103kg/m 3×0.5m 3＝500kg 需要吸收的热量： Q 吸＝cm △t ＝4.2×103J /(kg ·℃)×500m 3×(40℃－20℃)＝4.2×107J 焦炭放出的热量 Q 放＝m 炭·q 火炉的转化效率： 77 4.2103.010/Q J Q m J k g η?==??吸放炭 77 4.210720% 3.010/J m kg J kg ?==??炭
工程热力学公式大全 1.梅耶公式: R c c v p =- R c c v p 0''ρ=- 0R MR Mc Mc v p ==- 2.比热比: v p v p v p Mc Mc c c c c ===''κ 1-= κκR c v 1 -=κnR c p 外储存能: 1． 宏观动能: 221mc E k = 2． 重力位能: mgz E p = 式中 g —重力加速度。 系统总储存能: 1.p k E E U E ++= 或mgz mc U E ++ =221 2.gz c u e ++=22 1 3.U E = 或u e =(没有宏观运动,并且高度为零) 热力学能变化: 1.dT c du v =,?=?2 1dT c u v 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 2.)(12T T c u v -=? 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程(用定值比热计算)
3.102000121221t c t c dt c dt c dt c u t vm t vm t v t v t t v ?-?=-==???? 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程(用平均比热计算) 4.把()T f c v =的经验公式代入?=?2 1dT c u v 积分。 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程(用真实比热公式计算) 5.∑∑====+++=n i i i n i i n u m U U U U U 1121 由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热力学能之与,各组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积。 6.?-=?21pdv q u 适用于任何工质,可逆过程。 7.q u =? 适用于任何工质,可逆定容过程 8.?=?21pdv u 适用于任何工质,可逆绝热过程。 9.0=?U 适用于闭口系统任何工质绝热、对外不作功的热力过程等热力学能或理想气体定温过程。 10.W Q U -=? 适用于mkg 质量工质,开口、闭口,任何工质,可逆、不可逆过程。 11、w q u -=? 适用于1kg 质量工质,开口、闭口,任何工质,可逆、不可逆过程 12、pdv q du -=δ 适用于微元,任何工质可逆过程 13.pv h u ?-?=? 热力学能的变化等于焓的变化与流动功的差值。 焓的变化: 1.pV U H += 适用于m 千克工质 2.pv u h += 适用于1千克工质 3.()T f RT u h =+=
§2.2.1压缩机的热力性能和计算 一、排气压力和进、排气系统 （1）排气压力 ①压缩机的排气压力可变，压缩机铭牌上的排气压力是指额定值，压缩机可以在额定排气压力以内的任意压力下工作，如果条件允许，也可超过额定排气压力工作。 ②压缩机的排气压力是由排气系统的压力（也称背压）所决定，而排气系统的压力又取决于进入排气系统的压力与系统输走的压力是否平衡，如图2-20所示。 ③多级压缩机级间压力变化也服从上述规律。首先是第一级开始建立背压，然后是其后的各级依次建立背压。 （2）进、排气系统 如图所示。
①图a的进气系统有气体连续、稳定产生，进气压力近似恒定；排气压力也近似恒定，运行参数基本恒定。 ②图b的进气系统有气体连续、稳定产生，进气压力近似恒定；排气系统为有限容积，排气压力由低到高逐渐增加，一旦达到额定值，压缩机停止工作。 ③图c的进气系统为有限容积，进气压力逐渐降低；排气系统压力恒定，一旦低于某一值，压缩机停止工作。
④图d的进、排气系统均为有限容积，压缩机工作后，进气压力逐渐降低；排气系统压力不断升高，当进气系统低于某一值或排气系统高于某一值，压缩机停止工作。
二、排气温度和压缩终了温度 （1）定义和计算 压缩机级的排气温度是在该级工作腔排气法兰接管处测得的温度，计算公式如下： 压缩终了温度是工作腔内气体完成压缩机过程，开始排气时的温度，计算公式如下： 排气温度要比压缩终了温度稍低一些。 （2）关于排气温度的限制 ①汽缸用润滑油时，排气温度过高会使润滑油黏度降低及润滑性能恶化；另外，空气压缩机中如果排气温度过高，会导致气体中含油增加，形成积炭现象，因此，一般空气压缩机的排气温度限制在160°C以内，移动式空气压缩机限制在180°C以内。
《热力学基础》计算题答案全 1. 温度为25℃、压强为1 atm 的1 mol 刚性双原子分子理想气体，经等温过程体积膨胀 至原来的3倍． (普适气体常量R ＝8.31 1 --??K mol J 1，ln 3=1.0986) (1) 计算这个过程中气体对外所作的功． (2) 假若气体经绝热过程体积膨胀为原来的3倍，那么气体对外作的功又是多少？ 解：(1) 等温过程气体对外作功为 ??=== 0000333ln d d V V V V RT V V RT V p W 2分 =8.31×298×1.0986 J = 2.72×103 J 2分 (2) 绝热过程气体对外作功为 V V V p V p W V V V V d d 000 03003??-== γγ RT V p 1 311131001--=--=--γγγ γ 2分 ＝2.20×103 J 2分 2.一定量的单原子分子理想气体，从初态A 出发，沿图示直线过程变到另一状态B ，又经过等容、 等压两过程回到状态A ． (1) 求A →B ，B →C ，C →A 各过程中系统对外所作的功W ，内能的增量?E 以及所吸收的热量Q ． (2) 整个循环过程中系统对外所作的总功以及从外界吸收的总热量(过程吸热的代数和)． 解：(1) A →B ： ))((211A B A B V V p p W -+==200 J ． ΔE 1=ν C V (T B －T A )=3(p B V B －p A V A ) /2=750 J Q =W 1+ΔE 1＝950 J ． 3分 B → C ： W 2 =0 ΔE 2 =ν C V (T C －T B )=3( p C V C －p B V B ) /2 =－600 J ． Q 2 =W 2+ΔE 2＝－600 J ． 2分 C →A ： W 3 = p A (V A －V C )=－100 J ． 150)(2 3)(3-=-=-=?C C A A C A V V p V p T T C E ν J ． Q 3 =W 3+ΔE 3＝－250 J 3分 (2) W = W 1 +W 2 +W 3=100 J ． Q = Q 1 +Q 2 +Q 3 =100 J 2分 1 2 3 1 2 O V (10-3 m 3) 5 A B C
5．梅耶公式： R c c v p =- R c c v p 0''ρ=- 0R MR Mc Mc v p ==- 6．比热比： v p v p v p Mc Mc c c c c ===''κ 1-= κκR c v 1 -=κnR c p 外储存能： 1． 宏观动能： 221mc E k = 2． 重力位能： mgz E p = 式中 g —重力加速度。 系统总储存能： 1．p k E E U E ++= 或mgz mc U E ++ =221 2．gz c u e ++=221 3．U E = 或u e =（没有宏观运动，并且高度为零） 热力学能变化： 1．dT c du v =，?=?2 1dT c u v 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 2．)(12T T c u v -=? 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用定值比热计算） 3．102000121221t c t c dt c dt c dt c u t vm t vm t v t v t t v ?-?=-==???? 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用平均比热计算）
4．把()T f c v =的经验公式代入?=?2 1dT c u v 积分。 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用真实比热公式计算） 5．∑∑====+++=n i i i n i i n u m U U U U U 1121Λ 由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热力学能之和，各组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积。 6．?-=?21pdv q u 适用于任何工质，可逆过程。 7．q u =? 适用于任何工质，可逆定容过程 8．?=?21pdv u 适用于任何工质，可逆绝热过程。 9．0=?U 适用于闭口系统任何工质绝热、对外不作功的热力过程等热力学能或理想气体定温过程。 10．W Q U -=? 适用于mkg 质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程。 11.w q u -=? 适用于1kg 质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程 12.pdv q du -=δ 适用于微元，任何工质可逆过程 13．pv h u ?-?=? 热力学能的变化等于焓的变化与流动功的差值。 焓的变化： 1．pV U H += 适用于m 千克工质 2．pv u h += 适用于1千克工质 3．()T f RT u h =+= 适用于理想气体 4．dT c dh p =，dT c h p ?=?2 1 适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程
5．梅耶公式： R c c v p =- R c c v p 0''ρ=- 0R MR Mc Mc v p ==- 6．比热比： v p v p v p Mc Mc c c c c = = = ''κ 1-= κκR c v 1 -=κnR c p 外储存能： 1． 宏观动能： 2 2 1mc E k = 2． 重力位能： mgz E p = 式中 g —重力加速度。 系统总储存能： 1．p k E E U E ++= 或mgz mc U E ++=2 21 2．gz c u e ++=22 1 3．U E = 或 u e =（没有宏观运动，并且高度为零） 热力学能变化： 1．dT c du v =，?=?2 1dT c u v 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程 2．)(12T T c u v -=? 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用定值比热计算） 3．10 20 121 2 2 1 t c t c dt c dt c dt c u t vm t vm t v t v t t v ?-?=-==???? 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用平均比热计算）
4．把 ()T f c v =的经验公式代入?=?2 1 dT c u v 积分。 适用于理想气体一切过程或者实际气体定容过程（用真实比热公式计算） 5．∑∑====+++=n i i i n i i n u m U U U U U 1 1 21 由理想气体组成的混合气体的热力学能等于各组成气体热力学能之和，各组成气体热力学能又可表示为单位质量热力学能与其质量的乘积。 6．?-=?2 1pdv q u 适用于任何工质，可逆过程。 7．q u =? 适用于任何工质，可逆定容过程 8．?=?21 pdv u 适用于任何工质，可逆绝热过程。 9．0=?U 适用于闭口系统任何工质绝热、对外不作功的热力过程等热力学能或理想气体定温过程。 10．W Q U -=? 适用于mkg 质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程。 11.w q u -=? 适用于1kg 质量工质，开口、闭口，任何工质，可逆、不可逆过程 12.pdv q du -=δ 适用于微元，任何工质可逆过程 13．pv h u ?-?=? 热力学能的变化等于焓的变化与流动功的差值。 焓的变化： 1．pV U H += 适用于m 千克工质 2．pv u h += 适用于1千克工质 3．()T f RT u h =+= 适用于理想气体 4．dT c dh p =，dT c h p ?=?2 1 适用于理想气体的一切热力过程或者实际气体的定压过程
《工程热力学》 沈维道主编 第四版 课后思想题答案（1~5章） 第1章 基本概念 ⒈ 闭口系与外界无物质交换，系统内质量将保持恒定，那么，系统内质量保持恒定的热力系一定是闭口系统吗? 答：否。当一个控制质量的质量入流率与质量出流率相等时（如稳态稳流系统），系统内的质量将保持恒定不变。 ⒉ 有人认为，开口系统中系统与外界有物质交换，而物质又与能量不可分割，所以开口系不可能是绝热系。这种观点对不对，为什么? 答：不对。“绝热系”指的是过程中与外界无热量交换的系统。热量是指过程中系统与外界间以热的方式交换的能量，是过程量，过程一旦结束就无所谓“热量”。物质并不“拥有”热量。一个系统能否绝热与其边界是否对物质流开放无关。 ⒊ 平衡状态与稳定状态有何区别和联系，平衡状态与均匀状态有何区别和联系? 答：“平衡状态”与“稳定状态”的概念均指系统的状态不随时间而变化，这是它们的共同点；但平衡状态要求的是在没有外界作用下保持不变；而平衡状态则一般指在外界作用下保持不变，这是它们的区别所在。 ⒋ 倘使容器中气体的压力没有改变，试问安装在该容器上的压力表的读数会改变吗？在绝对压力计算公式 b e p p p =+ ()b p p >; b v p p p =- ()b p p < 中，当地大气压是否必定是环境大气压? 答：可能会的。因为压力表上的读数为表压力，是工质真实压力与环境介质压力之差。环境介质压力，譬如大气压力，是地面以上空气柱的重量所造成的，它随着各地的纬度、高度和气候条件不同而有所变化，因此，即使工质的绝对压力不变，表压力和真空度仍有可能变化。 “当地大气压”并非就是环境大气压。准确地说，计算式中的Pb 应是“当地环境介质”的压力，而不是随便任何其它意义上的“大气压力”，或被视为不变的“环境大气压力”。 ⒌ 温度计测温的基本原理是什么? 答：温度计对温度的测量建立在热力学第零定律原理之上。它利用了“温度是相互热平衡的系统所具有的一种同一热力性质”，这一性质就是“温度”的概念。 ⒍ 经验温标的缺点是什么?为什么? 答：由选定的任意一种测温物质的某种物理性质，采用任意一种温度标定规则所得到的温标称为经验温标。由于经验温标依赖于测温物质的性质，当选用不同测温物质制作温度计、采用不同的物理性质作为温度的标志来测量温度时，除选定的基准点外，在其它温度上，不同的温度计对同一温度可能会给出不同测定值（尽管差值可能是微小的），因而任何一种经验温标都不能作为度量温度的标准。这便是经验温标的根本缺点。 ⒎ 促使系统状态变化的原因是什么?举例说明。 答：分两种不同情况： ⑴ 若系统原本不处于平衡状态，系统内各部分间存在着不平衡势差，则在不平衡势差的作用下，各个部分发生相互作用，系统的状态将发生变化。例如，将一块烧热了的铁扔进一盆水中，对于水和该铁块构成的系统说来，由于水和铁块之间存在着温度差别，起初系统处于热不平衡的状态。这种情况下，无需外界给予系统任何作用，系统也会因铁块对水放出热量而发生状态变化：铁块的温度逐渐降低，水的温度逐渐升高，最终系统从热不平衡的状态过渡到一种新的热平衡状态； ⑵ 若系统原处于平衡状态，则只有在外界的作用下（作功或传热）系统的状态才会发生变。 ⒏ 图1-16a 、b 所示容器为刚性容器：⑴将容器分成两部分。一部分装气体， 一部分抽成真空，中间是隔板。若突然抽去隔板，气体(系统)是否作功？ ⑵设真空部分装有许多隔板，每抽去一块隔板让气体先恢复平衡再抽去一块， 问气体(系统)是否作功？ ⑶上述两种情况从初态变化到终态，其过程是否都可在P-v 图上表示？ 答：⑴；受刚性容器的约束，气体与外界间无任何力的作用，气体（系统）不对外界作功； ⑵ b 情况下系统也与外界无力的作用，因此系统不对外界作功；
工程热力学计算练习题 1、设工质在K T H 1200=的恒温热源和K T L 300=的恒温冷源间按热力循环工作，已知吸热量为150kJ ，求热效率和循环净功。 2、5kg 氧气初态为p 1＝0.8MPa 、T 1＝800K ，经可逆定压加热过程达到1200K 。设氧气为理想气体，比热容为定值，摩尔质量M ＝32×10－3kg/mol ，试求氧气终态的体积V 2、热力学能变量ΔU 、焓变量ΔH 、 熵变量ΔS 。 3、有人设计一台循环装置，在温度为1100K 和350K 的两个恒温热源之间工作，且能输出净功1250kJ ，而向冷源放热500kJ 。试判断该装置在理论上是否可行？ 4、空气流经喷管作定熵流动，已知进口截面上空气的压力p 1＝7bar 、温度t 1＝947℃，出口截面上空气的压力p 2＝1.4bar ，质量流量q m ＝0.5kg/s 。空气的比定压热容c p =1.004kJ/(kg ·K)，气体常数Rg ＝0.287 kJ/(kg ·K)，k ＝1.4，试确定喷管外形、出口截面上空气的流速和出口截面面积。
证明题 1、试证明可逆过程的功?= -2 121pdV W 。 证明：设有质量为m 的气体工质在气缸中进行可逆膨胀， 其变化过程如图中连续曲线1－2表示。 由于过程是可逆的，所以工质施加在活塞上的力F 与外界作用在活塞上的各种反力之总和随时只相差一无 穷小量。按照功的力学定义，工质推动活塞移动距离dx 时，反抗斥力所作的膨胀功为 pdV pAdx Fdx W ===δ 式中，A 为活塞面积，dV 是工质体积微元变化量。 在工质从状态1到状态2的膨胀过程中，所作的 膨胀功为?=-2 121pdV W 2、试证明理想气体的比定压热容仅仅是温度的函数。 证明：引用热力学第一定律解析式，对于可逆过程有vdp dh q -=δ 定压过程p p p p T h dT vdp dh dT q c )()()(??=-==δ 对于理想气体T R u pv u h g +=+=，显然焓值与压力无关，也只是温度的单值函 数，即()T f h h =，故dT dh T h c p =??=)( 理想气体的比定压热容仅仅是温度的函数。
第一部分热力计算 一、初始条件 1.排气量：Q N=20Nm3/min 2.压缩介质：天然气 （气体组分：CH4:94%；CO2:0.467%；N2:4.019%；C2H6:1.514%） 3.相对湿度：ψ=100% 4.吸入压力：P S0=0.4 MPa（绝对压力） 5.排出压力：P d 0=25.1 MPa（绝对压力） 6.大气压力：P0 =0.1 MPa（绝对压力） 7.吸入温度：t S0=35℃(T S0=308°K) 8.排气温度：t d0=45℃(T d0=318°K) 9.压缩机转速：n=740rpm 10.压缩机行程：S=120mm 11.压缩机结构型式：D型 12.压缩级数：4级 13.原动机：低压隔爆异步电机，与压缩机直联 14.一级排气温度：≤130℃ 二、初步结构方案 三、初始条件换算（以下计算压力均为绝对压力） Q= Q N×［P0×T S0／（P S0-ψ×P sa）×T0］
进气温度状态下的饱和蒸汽压为P sa =0.005622 MPa P 0 =0.1MPa T 0=273°K 其余参数详见初始条件。 Q= 20×［0.1×308／（0.4-1×0.005622）×273］=5.72m 3/min 四、 级数的选择和各级压力 要求为四级压缩 总压缩比ε0=01 4S d P P =0.425.1 =62.75 ε10=ε20=ε30=ε40=4 75.62=2.8145 求出各级名义压力如下表 五、 计算各级排气温度 查各组分气体绝热指数如下： CH 4: 94% K=1.308； CO 2: 0.467% K=1.30 N 2: 4.019% K= 1.40； C 2H 6: 1.514% K=1.193 11-K =∑1r i -Ki ＝11.3080.94- ＋1.310.00467- ＋11.40.04019- ＋1 1.1930.01514 - =3.2464
热学计算 1．（09一模）(7分)小明为了探究太阳光的辐射情况，分别用水和细沙做实验，该实验不计热量损失。[水的比热容为4．（09一模）2×103J／(kg·℃)，细沙的比热容为O．92×103J ／(kg·℃)，液化气的热值为100 J／cm3]试求： (1)用一底面积为0.1 m2的方形水槽装了6 kg水，在中午的太阳光下照射25 min,水的温度升高了5℃。水吸收的热量是多少? (2)设每平方米水面上、平均每分钟太阳辐射的热量为N，则N是多少? (3)将水槽中的水倒掉，然后平铺上6 kg的细沙，在中午的太阳光下照射23 min，细沙的温度能升高多少? (4)细沙吸收的这些热量相当于完全燃烧多少立方厘米液化气所产生的热量? 2．（09二模）(7分)小明家用的是太阳能热水器，该热水器水箱的容积是200L。某天早晨，他给热水器的水箱加满20℃的自来水。中午时，热水器水箱中的水温为45℃。 [ρ水=1.O×103kg／m3，c水=4.2×103J／(kg·℃)，q煤气=4.2×107J／kg) 试求：(1)水箱中水的质量是多少? (2)这些水吸收的热量是多少? (3)用煤气灶加热时，也使这些水从20℃升高到45℃，共燃烧了2kg煤气。则用该煤气灶烧水的效率是多少? 3．（09中考）(6分)某浴池用的是地下温泉水，浴池中水的体积是40m3，初温是85℃，当温度降到45℃时可供洗浴使用。温泉水的密度约为1.0×103 kg／m3，温泉水的比热容约为4.2×103 J／(kg·℃)，煤的热值是3.O×107J／kg试求： (1)浴池中温泉水的质量是多少? (2)当浴池中的温泉水从85℃降到45℃时，放出的热量是多少? (3)温泉水放出的这些热量相当于完全燃烧多少千克的煤? 4.（10一模）(5分)某种汽油的热值是4.6×107J／kg，水的比热容是4.2×103J／(kg·℃)。试求： (1)完全燃烧2l0g的汽油，能放出多少热量? (2)如果这些热量全部被水吸收，水温从20℃升高到43℃。则水的质量是多少? 5．（10二模）用锅炉烧水时，将50kg的水由20℃加热到l00℃，需要完全燃烧2kg的烟煤。水的比热容是4.2×103J／(kg·℃)，烟煤的热值是3.O×107J／kg。 试求： (1)水吸收的热量是多少? (2)烟煤放出的热量是多少? (3)锅炉烧水的效率是多少? 6.（10中考）(5分)用烟煤烧水时，将lOkg的水从20℃加热到100℃，燃烧了1.4kg的烟煤。水的比热容是4.2×103J／(kg·℃)，烟煤的热值约为3×107J／kg。试求： (1)水吸收的热量是多少? (2)1.4kg的烟煤完全燃烧放出的热量是多少? (3)实际上烟煤未完全燃烧。若水吸收的热量是烟煤放出热量的8.4％，那么烟煤实际放出的热量是多少? 7．（11一模）(5分)某太阳能热水器的水箱内装有50kg的水，太阳光照射一段时间后，水温从20℃升高到60℃。水的比热容是4.2×103J／(kg·℃)，焦炭的热值是3.O×107J／kg。
1、1kg 氧气置于图所示的气缸内,缸壁能充分导热,且活塞与缸壁无摩擦。初始时氧气压力为0、5Mpa 、温度为27℃。如果气缸长度为2L,活塞质量为10kg,试计算拔除销钉后,活塞可能达到的最大速度。氧气的比热容)/(918.0K kg kJ c p ?=,k=1、395,)/(260.0K kg kJ R g ?= 解: 取气缸内的氧气为研究对象。 根据热力学第一定律W U Q +?=知道, 能,一部分用于对外做功。根据题意:的热量全部用于对外做功, 设环境温度为T 0,环境压力为P 0,V max 。氧气初始状态的压力为P 1,温度为T 1,容积为V 1,氧气膨胀后的容积为V 2,膨胀过程的膨胀功为W 。 V P W MV ?-=02max 2 1 21 1ln V V T R W g = 111T mR V P g = 12V V V -=? 122V V = 所以有:2ln 1T R W g = 110/P T R V P g =? 代入数据: 7.38484)2.02(ln )2715.273(2602ln 10211 1012max =-?+?=-=??p T R P T R V g g s m V /73.87max = 2、空气等熵流经一缩放喷管,进口截面上的压力与温度分别就是0、58Mpa 、440K,出口截面上的压力MPa p 14.02=。已知喷管进口截面面积为2、6×10-3m 2,空气的质量流量为1、5kg/s,试求喷管喉部面积及出口截面的面积与出口流速。空气的比热容)/(005.1K kg kJ c p ?=,k=1、4,)/(287.0K kg kJ R g ?= 解: 根据题意知道,进口参数为MPa p 58.01=,K T 4401=。出口截面上的压力MPa p 14.02=。喷管进口截面A 1面积2、6×10-3m 2,空气的质量流量Q 为1、5kg/s 。 )/(61.1251,11 ,1s m c v c A q f f =?=
如何根据压缩机的制冷量配冷凝器散热面积？ 帖子创建时间: 2013年03月04日08:34评论：1浏览：2520投稿 1）风冷凝器换热面积计算方法 制冷量+压缩机电机功率/200~250=冷凝器换热面例如：（3SS1-1500压缩机）CT=40℃：CE=-25℃压缩机制冷量=12527W+压缩机电机功率11250W=23777/230=风冷凝器换热面积103m2 2）水冷凝器换热面积与风冷凝器比例=概算1比18（103 /18）=6m2 蒸发器的面积根据压缩机制冷量（蒸发温度℃×Δt相对湿度的休正系数查表）。 3）制冷量的计算方法：=温差×重量/时间×比热×设备维护机构 例如：有一个速冻库 1）库温-35℃ 2）速冻量1T/H 3）时间2/H内 4）速冻物质（鲜鱼） 5）环境温度27℃ 6）设备维护机构保温板计算：62℃×1000/2/H×0.82×1.23=31266 kcal/n 可以查压缩机蒸发温度CT =40 CE-40℃制冷量=31266 kcal/n 冷凝器换热面积大于蒸发器换热面积有什么缺点 如果通过加大冷凝风扇的风量可以吗 rainbowyincai |浏览1306 次 发布于2015-06-07 10:19 最佳答案 冷凝器换热面积大于蒸发器换热面积的缺点： 1、高压压力过低；
2、压机走湿行程，易液击，通过加大蒸发器风扇的风量。风冷
冷凝器和蒸发器换热面积计算方法： 1、风冷凝器换热面积计算方法：制冷量+压缩机电机功率/200~250=冷凝器换热面积 例如：（3SS1-1500压缩机）CT=40℃：CE=-25℃压缩机制冷量=12527 W+压缩机电机功率11250W=23777/230=风冷凝器换热面积103m2。 2、水冷凝器换热面积与风冷凝器比例=概算1比18（103 /18）=6m2，蒸发器的面积根据压缩机制冷量（蒸发温度℃×Δt相对湿度的休正系数查表）。 （注：文档可能无法思考全面，请浏览后下载，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）
、室内一根水平放置的无限长的蒸汽管道，其保温层外径d=583 mm，外表面 实测平均温度及空气温度分别为，此时空气与管道外 表面间的自然对流换热的表面传热系数h=3.42 W /(m2 K),墙壁的温度近似取为 室内空气的温度，保温层外表面的发射率 问：(1)此管道外壁的换热必须考虑哪些热量传递方式； (2)计算每米长度管道外壁的总散热量。(12分) 解： (1)此管道外壁的换热有辐射换热和自然对流换热两种方式。 (2)把管道每米长度上的散热量记为qi 当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热 q i,c =二d h t =二dh (j - t f ) = 3.14 0.583 3.42 (48 - 23 ) 二156 .5(W / m) 近似地取墙壁的温度为室内空气温度，于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁 之间的辐射为： q i厂d (T； -T；) = 3.14 0.583 5.67 10》0.9 [(48 273)4-(23 273)4] = 274.7(W /m) 总的散热量为q i = q i,c +q i,r = 156.5 +274.7 = 431.2(W/m) 2、如图所示的墙壁，其导热系数为50W/(m- K),厚度为50mm在稳态情况下的 墙壁内的一维温度分布为：t=200-2000x 2，式中t的单位为°C, x单位为m 试 求： t (1) 墙壁两侧表面的热流密度； (2) 墙壁内单位体积的内热源生成的热量 2 t =200 —2000x
解：(1)由傅立叶定律: ① dt W q ' (―4000x) = 4000二x A dx 所以墙壁两侧的热流密度： q x _. =4000 50 0.05 =10000 (1)由导热微分方程 茫?生=0得: dx 扎 3、一根直径为1mm 勺铜导线，每米的电阻为2.22 10 。导线外包有厚度为 0.5mm 导热系数为0.15W/(m ? K)的绝缘层。限定绝缘层的最高温度为 65°C,绝 缘层的外表面温度受环境影响，假设为40°C 。试确定该导线的最大允许电流为多 少？ 解：(1)以长度为L 的导线为例，导线通电后生成的热量为I 2RL ,其中的一部分 热量用于导线的升温，其热量为心务中：一部分热量通过绝热层的 导热传到大气中，其热量为：门二 1 , d In 2 L d 1 根据能量守恒定律知：l 2RL -门 述二厶E = I 2RL -门 即 E = — L dT m = I 2RL - t w1 _tw2 4 di 1 , d 2 In 2 L d 1 q v 、d 2t ——' 2 dx =-(7000)= 4000 50 二 200000 W/m 3 t w1 - t w2 。 2 q x 卫=4000.： 0 = 0
1、1kg 氧气置于图所示的气缸内，缸壁能充分导热，且活塞与缸壁无摩擦。初始时氧气压力为0.5Mpa 、温度为27℃。如果气缸长度为2L ，活塞质量为10kg ，试计算拔除销钉后，活塞可能达到的最大速度。氧气的比热容)/(918.0K kg kJ c p ?=，k=1.395， )/(260.0K kg kJ R g ?= 解： 取气缸内的氧气为研究对象。 根据热力学第一定律W U Q +?=知道，加入系统的热量一部分用于增加系统的热力学能，一部分用于对外做功。根据题意：活塞如果要达到最大速度，那么氧气膨胀过程中吸入的热量全部用于对外做功，所以氧气的热力学能不发生变化。由于氧气可以看作理想气体，而理想气体的热力学能是温度的单值函数，所以氧气膨胀过程为可逆定温膨胀过程。 设环境温度为T 0，环境压力为P 0，氧气的质量为m ，活塞的质量为M ，活塞最大速度为V max 。氧气初始状态的压力为P 1，温度为T 1，容积为V 1，氧气膨胀后的容积为V 2，膨胀过程的膨胀功为W 。 V P W MV ?-=02max 2 1 2 11ln V V T R W g = 111T mR V P g = 12V V V -=? 122V V = 所以有：2ln 1T R W g = 110/P T R V P g =? 代入数据：7.38484)2.02(ln )2715.273(2602ln 10211 1012 max =-?+?=-=??p T R P T R V g g s m V /73.87max = 2、空气等熵流经一缩放喷管，进口截面上的压力和温度分别是0.58Mpa 、440K ，出口截面 ℃
工程热力学基本概念及 重要公式 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】
第一章基本概念1.基本概念 热力系统：用界面将所要研究的对象与周围环境分隔开来，这种人为分隔的研究对象，称为热力系统，简称系统。 边界：分隔系统与外界的分界面，称为边界。 外界：边界以外与系统相互作用的物体，称为外界或环境。 闭口系统：没有物质穿过边界的系统称为闭口系统，也称控制质量。 开口系统：有物质流穿过边界的系统称为开口系统，又称控制体积，简称控制体，其界面称为控制界面。 绝热系统：系统与外界之间没有热量传递，称为绝热系统。 孤立系统：系统与外界之间不发生任何能量传递和物质交换，称为孤立系统。 单相系：系统中工质的物理、化学性质都均匀一致的系统称为单相系。 复相系：由两个相以上组成的系统称为复相系，如固、液、气组成的三相系统。 单元系：由一种化学成分组成的系统称为单元系。 多元系：由两种以上不同化学成分组成的系统称为多元系。 均匀系：成分和相在整个系统空间呈均匀分布的为均匀系。 非均匀系：成分和相在整个系统空间呈非均匀分布，称非均匀系。 热力状态：系统中某瞬间表现的工质热力性质的总状况，称为工质的热力状态，简称为状态。 平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。
状态参数：描述工质状态特性的各种物理量称为工质的状态参数。如温度（T）、压力（P）、比容（υ）或密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、自由能（f）、自由焓（g）等。 基本状态参数：在工质的状态参数中，其中温度、压力、比容或密度可以直接或间接地用仪表测量出来，称为基本状态参数。 温度：是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量，其物理实质是物质内部大量微观分子热运动的强弱程度的宏观反映。 热力学第零定律：如两个物体分别和第三个物体处于热平衡，则它们彼此之间也必然处于热平衡。 压力：垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力，也称压强。 相对压力：相对于大气环境所测得的压力。如工程上常用测压仪表测定系统中工质的压力即为相对压力。 比容：单位质量工质所具有的容积，称为工质的比容。 密度：单位容积的工质所具有的质量，称为工质的密度。 强度性参数：系统中单元体的参数值与整个系统的参数值相同，与质量多少无关，没有可加性，如温度、压力等。在热力过程中，强度性参数起着推动力作用，称为广义力或势。 广延性参数：整个系统的某广延性参数值等于系统中各单元体该广延性参数值之和，如系统的容积、内能、焓、熵等。在热力过程中，广延性参数的变化起着类似力学中位移的作用，称为广义位移。 准静态过程：过程进行得非常缓慢，使过程中系统内部被破坏了的平衡有足够的时间恢复到新的平衡态，从而使过程的每一瞬间系统内部的状态都非常接近平衡状态，整个过程可看作是由一系列非常接近平衡态的状态所组成，并称之为准静态过程。
《热力学基础》计算题 1、 温度为25℃、压强为1 atm 的1 mol 刚性双原子分子理想气体,经等温过程体积膨胀至原来的3倍. (普适气体常量R ＝8、31 1 --??K mol J 1,ln 3=1、0986) (1) 计算这个过程中气体对外所作的功. (2) 假若气体经绝热过程体积膨胀为原来的3倍,那么气体对外作的功又就是多少？ 解:(1) 等温过程气体对外作功为 ??=== 0000333ln d d V V V V RT V V RT V p W 2分 =8、31×298×1、0986 J = 2、72×103 J 2分 (2) 绝热过程气体对外作功为 V V V p V p W V V V V d d 000 03003??-== γγ RT V p 1 311131001--=--=--γγγ γ 2分 ＝2、20×103 J 2分 2、一定量的单原子分子理想气体,从初态A 出发,沿图示直线过程变到另一状态B ,又经过等容、等 压两过程回到状态A . (1) 求A →B ,B →C ,C →A 各过程中系统对外所作的功W ,内能的增量?E 以及所吸收的热量Q . (2) 整个循环过程中系统对外所作的总功以及从外界吸收的总热量(过程吸热的代数与). 解:(1) A →B : ))((211A B A B V V p p W -+==200 J. ΔE 1=ν C V (T B －T A )=3(p B V B －p A V A ) /2=750 J Q =W 1+ΔE 1＝950 J. 3分 B → C : W 2 =0 ΔE 2 =ν C V (T C －T B )=3( p C V C －p B V B ) /2 =－600 J. Q 2 =W 2+ΔE 2＝－600 J. 2分 C →A : W 3 = p A (V A －V C )=－100 J. 150)(2 3)(3-=-=-=?C C A A C A V V p V p T T C E ν J. Q 3 =W 3+ΔE 3＝－250 J 3分 (2) W = W 1 +W 2 +W 3=100 J. Q = Q 1 +Q 2 +Q 3 =100 J 2分 1 2 3 1 2 O V (10-3 m 3) 5 A B C
习题及部分解答 第一篇 工程热力学 第一章 基本概念 1. 指出下列各物理量中哪些是状态量，哪些是过程量： 答：压力，温度，位能，热能，热量，功量，密度。 2. 指出下列物理量中哪些是强度量：答：体积，速度，比体积，位能，热能，热量，功量，密度。 3. 用水银差压计测量容器中气体的压力，为防止有毒的水银蒸汽产生，在水银柱上加一段水。若水柱高mm 200，水银柱高mm 800，如图2-26所示。已知大气压力为mm 735Hg ，试求容器中气体的绝对压力为多少kPa ？解：根据压力单位换算 4. 锅炉烟道中的烟气常用上部开口的斜管测量，如图2-27所示。若已知斜管倾角 30=α ，压力计中使用 3/8.0cm g =ρ的煤油，斜管液体长度mm L 200=，当地大气压力MPa p b 1.0=，求烟气的绝对压力（用MPa 表示）解： 5.一容器被刚性壁分成两部分，并在各部装有测压表计，如图2-28所示，其中C 为压力表，读数为kPa 110，B 为真空表，读数为 kPa 45。若当地大气压k P a p b 97=，求压力表A 的读数（用 k P a 表示） kPa p gA 155= 6. 试述按下列三种方式去系统时，系统与外界见换的能量形式是什么。 （1）.取水为系统； （2）.取电阻丝、容器和水为系统； （3）.取图中虚线内空间为系统。 答案略。 7.某电厂汽轮机进出处的蒸汽用压力表测量，起读数为MPa 4.13；冷凝器内的蒸汽压力用真空表测量，其读数为 mmHg 706。若大气压力为MPa 098.0，试求汽轮机进出处和冷凝器内的蒸汽的绝对压力（用MPa 表示） MPa p MPa p 0039.0;0247.021== 8.测得容器的真空度 mmHg p v 550=，大气压力MPa p b 098.0=，求容器内的绝对压力。若大气压变为 MPa p b 102.0='， 求 此 时 真 空 表 上 的 读 数 为 多 少 mmMPa ？ MPa p MPa p v 8.579,0247.0='= 9.如果气压计压力为kPa 83，试完成以下计算： （1）.绝对压力为11.0MPa 时的表压力； （2）.真空计上的读数为kPa 70时气体的绝对压力； （3）.绝对压力为kPa 50时的相应真空度（kPa ）； （4）.表压力为MPa 25.0时的绝对压力（kPa ）。 （1）. kPa p g 17=；