工程热力学12---气体的压缩 第十二章 气体的压缩
通过消耗外功来提高气体压力的设备称为压气机。压气机在工程、科学研究中具有十分广泛的用途，如动力工程中煤粉的输运和锅炉通风、制冷设备中制冷剂的压缩、风洞实验中高压气体的获得、风动工具（如公共汽车车门的开关、大型内燃机的启动），车胎打气等。
压气机分类：
通风机（<0.01MPa表压）
按压力范围 鼓风机（0.01～0.3MPa表压）
压缩机 （>0.3MPa表压））
活塞式
按构造 叶轮式（离心式和轴流式）
引射式
活塞式压气机是通过活塞在气缸中的往复运动来挤压气缸中的气体，从而使气体的压力提高。叶轮式压气机通过叶轮的旋转，使气体加速，并使高速气体在特定流道中（相当于扩压管）降低流速，从而提高压力。活塞式压气机和叶轮式压气机的一个显著区别是：活塞式压气机吸气与排气是间歇性的；而叶轮式压气机的压缩过程是在连续流动状态下进行的，即气体不断地流入压气机，在压气机内被压缩后，不断地被排出压气机。活塞式压气机适用于高压、排量小的场合；而轴流式压气机适用于低压、排量大的场合。
尽管压气机的种类和工作原理多种多样，但是从热力学的观点来看，压缩气体的状态变化并没有什么不同，都是接受外功使气体压缩升压的过程。
12.1 活塞式压气机的工作原理
活塞式压气机的示意图和p-v图（又称示功图）示于图12-1中。
工作三部曲： ①在活塞式压气机的理想工作过程中，气体经过进气阀与排气阀时，不考虑在阀门处的阻力与摩擦力。当活塞自左止点向右移动时，进气阀门A打开，气体从缸外被吸入气缸，这是吸气过程（0-1），此时，吸入气体的热力学状态不发生任何变化。②当到达右止点时，进气阀关闭，活塞在外力作用下向左回行，气缸内的气体被压缩，压力升高，这就是气体的压缩过程（2-3），此时需要消耗外功。③当活塞左行至某一位置时，气体的压力升高到预定压力2p，此时排气阀门B开启，活塞继续左行，把气缸内的气体排到储气罐或输气管道中，直至活塞到达左止点，这是排气过程（2-3）。排气过程中，气体的状态也不发生变化。活塞由曲轴－连杆机构带动，曲轴回转一次，活塞往返一次。活塞不断往复，重复上面三个过程，这就是活塞式压气机的理想工作过程。
压气机换算转速推导
一、什么是压气机转速
在研究和应用压缩机的过程中，我们经常会遇到压缩机的转速这个参数。压缩机转速是指单位时间内压缩机转子的旋转次数，通常以每分钟转数（rpm）为单位。
二、压气机转速换算公式
压气机在不同的工况下，其转速往往会有所改变。为了能够在不同工况下进行比较和分析，需要进行转速的换算。常用的压气机转速换算公式如下：
n2 = n1 * (Q2 / Q1) ^ 0.5
其中， n1：压缩机的原始转速（rpm） n2：转速换算后的值（rpm） Q1：原始工况下的流量（m³/s） Q2：换算后的工况下的流量（m³/s）
三、压气机转速换算实例
为了更好地理解压气机转速的换算过程，我们来看一个实例。
假设有一台压缩机，原始转速为3000rpm，原始工况下的流量为1.5m³/s。现在需要计算在新的工况下，如果流量变为2.0m³/s，压缩机转速应该为多少？
根据转速换算公式，我们可以得到： n2 = 3000 * (2.0 / 1.5) ^ 0.5 n2 = 3000
* 1.1547 n2 ≈ 3464.1 rpm
所以，在新的工况下，压缩机的转速应该为约3464.1rpm。
四、压气机换算转速推导过程
为了更好地理解转速换算公式的推导过程，我们来推导一下。
假设原始工况下，压缩机的流量为Q1，转速为n1。新的工况下，压缩机的流量为Q2，转速为n2。
根据压缩机的流量-转速关系，可以得到如下公式： Q1 / n1 = Q2 / n2
将上式两边平方后，可以得到： (Q1 / n1)^2 = (Q2 / n2)^2 进一步变形，可以得到： n2 = n1 * (Q2 / Q1) ^ 0.5
通过推导过程，我们可以得到压气机转速换算的公式。
五、压气机转速换算注意事项
在进行压气机转速换算时，需要注意以下几点：
1. 流量的单位需要保持一致，通常以立方米每秒（m³/s）为单位。
2. 转速换算公式适用于目标工况和原始工况在同一台压缩机上。
工程热力学 高等教育出版社 沈维道主编 思考题答案 m整理
- 1 - 第一章基本概念与定义
1．答：不一定。稳定流动开口系统内质量也可以保持恒定
2．答：这种说法是不对的。工质在越过边界时，其热力学能也越过了边界。但热力学能不是热量，只要系统和外界没有热量地交换就是绝热系。
3．答：只有在没有外界影响的条件下，工质的状态不随时间变化，这种状态称之为平衡状态。稳定状态只要其工质的状态不随时间变化，就称之为稳定状态，不考虑是否在外界的影响下，这是他们的本质区别。平衡状态并非稳定状态之必要条件。物系内部各处的性质均匀一致的状态为均匀状态。平衡状态不一定为均匀状态，均匀并非系统处于平衡状态之必要条件。
4．答：压力表的读数可能会改变，根据压力仪表所处的环境压力的改变而改变。当地大气压不一定是环境大气压。环境大气压是指压力仪表所处的环境的压力。
5．答：温度计随物体的冷热程度不同有显著的变化。
6．答：任何一种经验温标不能作为度量温度的标准。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的温度计、采用不同的物理量作为温度的标志来测量温度时，除选定为基准点的温度，其他温度的测定值可能有微小的差异。 工程热力学 高等教育出版社 沈维道主编 思考题答案 m整理
- 2 - 7．答：系统内部各部分之间的传热和位移或系统与外界之间的热量的交换与功的交换都是促使系统状态变化的原因。
8．答：（1）第一种情况如图1-1（a）,不作功（2）第二种情况如图1-1（b）,作功（3）第一种情况为不可逆过程不可以在p-v图上表示出来，第二种情况为可逆过程可以在p-v图上表示出来。
9．答：经历一个不可逆过程后系统可以恢复为原来状态。系统和外界整个系统不能恢复原来状态。
10．答：系统经历一可逆正向循环及其逆向可逆循环后，系统恢复到原来状态，外界没有变化；若存在不可逆因素，系统恢复到原状态，外界产生变化。
简述涡轮喷气发动机的工作过程
涡轮喷气发动机是一种常用于飞机和船舶等运输工具中的燃气涡轮发动机。其工作过程主要分为压气、燃烧和推力三个阶段。
1.压气阶段。外部空气通过发动机进气道进入压气机，压气机中的高速旋转叶片将空气压缩。随着空气的不断被压缩，温度和密度也随之上升。
2.燃烧阶段。进入高压压气机后的空气进入燃烧室，与燃料混合后点火燃烧。燃烧产生的高温高压气体会通过喷嘴喷出，从而驱动发动机后方的涡轮。
3.推力阶段。高温高压气体从燃烧室喷出后，会通过喷嘴冲向涡轮。涡轮的高速旋转将气体的动能转化为机械能，使涡轮轴上的压气机和涡轮相互驱动。驱动压气机不断压缩外部空气，同时将剩余的动能传递给涡轮轴，使其高速旋转。旋转的涡轮通过轴传动将动力转化为推力，推动发动机和飞行器前进。
整个过程中，发动机需要不断吸入空气并将其压缩，然后与燃料混合并燃烧，最后产生高速喷出的气体，通过喷嘴转化为推力。涡轮对发动机的工作起到了至关重要的作用，通过旋转驱动压缩空气和喷出高速气体，实现了涡轮喷气发动机的工作。
