空壓機(jī)涉及到的熱力學(xué)知識(shí)

1．基本定律

熱力學(xué)第一基礎(chǔ)定律是一個(gè)自然界的規(guī)律，無(wú)法證明，但卻為人們義無(wú)反顧地所接受。能即不能創(chuàng)造也不會(huì)消滅的。熱力學(xué)第二規(guī)律是說(shuō)：熱是永遠(yuǎn)無(wú)法靠“自身作用”，從一個(gè)冷源轉(zhuǎn)移到一個(gè)熱源中去。這就是說(shuō)，能量只有從高溫轉(zhuǎn)移到低溫量，才可以用來(lái)作功。因此，例如在一個(gè)熱發(fā)電機(jī)中，熱量與機(jī)械功的轉(zhuǎn)換只有在其中一部分熱量保留下來(lái)，不轉(zhuǎn)變成功的前提下才能產(chǎn)生。

2．氣體定律

波義耳定律：如果溫度不變，壓力與容積的乘積也不變。其關(guān)系為：

P₁×V₁=P₂×V₂

式中：p=絕對(duì)壓力（pa） ， V=容積（m³）

即如壓縮過(guò)程容積減半，則壓力升高1倍。

查理士定律：氣體的容積變化正比于溫度變化。（指壓力不變時(shí)℃）。關(guān)系式如下：

V₁ /T₁=V₂ /T₂⇒△V = (V₁ /T₁)×△T

式中：V=容積（米³）,T=容積溫度（K）,△V=容積差,△T=溫度差

氣體狀態(tài)普遍定律是波義耳定律與查理士定律的組合。該狀態(tài)表示壓力，容積與溫度之間的關(guān)系。當(dāng)一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，至少會(huì)導(dǎo)致到其他兩個(gè)參數(shù)中的一個(gè)參數(shù)的變化。關(guān)系式如下：

(p×v)/T = R = 氣體常數(shù)

式中：p=絕對(duì)壓力pa,v=比容（m³/kg）,T=絕對(duì)溫度（K）,R=`R/M=氣體常數(shù)（J/kg×K）

常數(shù)R稱(chēng)為氣體常數(shù)，它只與氣體的性質(zhì)有關(guān)。如單位容積的氣體質(zhì)量為M，則關(guān)系式可寫(xiě)為：

P×V=m×`R×T

式中：P=絕對(duì)壓力（Pa）,V=容積（m³）,m=莫爾質(zhì)量（kmo1）``R=通用氣體常數(shù)=8314(J/KMO1×K),T=絕對(duì)溫度（K）

注：本文部分公式由于系統(tǒng)格式不支持，無(wú)法準(zhǔn)確顯示，敬請(qǐng)諒解，下同。

3．傳熱

物體內(nèi)或不同物體之間的熱量差，終究會(huì)導(dǎo)致熱的傳遞，而達(dá)到溫度平衡。這種熱傳遞有三種方式：傳導(dǎo)，對(duì)流與輻射。實(shí)際上熱傳遞是以三種方式同時(shí)進(jìn)行的。

傳導(dǎo)發(fā)生在兩固體之間和液體或氣體兩薄層之間。運(yùn)動(dòng)著的分子將其能量釋放到鄰近的分子。

對(duì)流可以由介子中自然運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)流或以運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流，如風(fēng)機(jī)或泵。強(qiáng)迫對(duì)流是有效更強(qiáng)烈的熱傳遞。

所有溫度大于K的物體都會(huì)產(chǎn)生熱輻射，當(dāng)熱輻射到達(dá)一個(gè)物體時(shí)，部分的能量被吸收，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷](méi)有被吸收的輻射，或穿透過(guò)物體，或被反射，只有絕對(duì)黑體在理論上會(huì)完全吸收所有的輻射能。

實(shí)際上傳熱是由熱傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射三種方式傳熱的總和，一般可用下式表示：

q=k×A×△T×t

式中：

q=熱量（J），k  =總傳熱系數(shù)（W/m³×K）A  =面積（m²），△T=溫差，T  =時(shí)間（S）

傳熱經(jīng)常發(fā)生在被一個(gè)隔板分開(kāi)的物體之間。總的傳熱系數(shù)取決于隔板的導(dǎo)熱系數(shù)及相關(guān)兩側(cè)的傳熱系數(shù)。對(duì)于光潔平板，可用下述關(guān)系式：

1/k=1/ɑ₁+d/λ+1/ɑ₂

式中：

ɑ=隔板相關(guān)兩側(cè)的傳熱系數(shù)（W/㎡×K），d=隔板的厚度（m）

 λ=隔板的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m×K），k=總傳熱系數(shù)（W/㎡×K）

在一個(gè)交換器中，被傳遞的熱量是各點(diǎn)上主熱量差與總傳熱系數(shù)的函數(shù)。傳熱面積可用下式表示：

Q=k×A×θ_m

式中：Q=傳熱量（W），K=總傳熱系數(shù)（Wm²×K）

A=傳熱面積 ，θm=對(duì)數(shù)平均溫差（K）

對(duì)數(shù)平均溫差定義為冷卻器兩連接測(cè)溫差的關(guān)系，用下式表示：

θ_m=θ_1-θ₂/1n(θ_1/θ₂)

式中：θm=對(duì)數(shù)平均溫差（K），θ=根據(jù)圖1:6所示的溫差

4．狀態(tài)變化

在p/V圖上可以得出氣體從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的狀態(tài)變化，對(duì)于變量p,V和T，實(shí)際上需要三個(gè)坐標(biāo)。就狀態(tài)變化而言，要沿空間曲面上一條曲線(xiàn)移動(dòng)，然后就以形成狀態(tài)的變化。通常人們重視的是曲線(xiàn)在三個(gè)平面中的一個(gè)平面上的投影，一般是在p/V平面。最基本特征由五個(gè)狀態(tài)變化構(gòu)成：

等容過(guò)程（容積不變），等壓過(guò)程（壓力不變），等溫過(guò)程（溫度不變），絕熱過(guò)程（與周?chē)鷽](méi)有熱交換）與多變過(guò)程（與周?chē)臒峤粨Q是以簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)函數(shù)表示）。

加熱一個(gè)封閉容器中的氣體，就是等容過(guò)程的一個(gè)例子，需用熱量的關(guān)系式為：

q=m×c_v×(T₂-T₁)

式中：

q=熱量（J）

m=質(zhì)量（kg）

c_v=等容比熱（J/kg×K）

T=絕對(duì)溫度（K）

氣缸中的氣體受到恒定載荷活塞的加熱，就是一個(gè)等壓過(guò)程的例子，所用熱量的關(guān)系式如下：

q=m×c_p×(T₂-T₁)

式中：

q=熱量（J）

m=質(zhì)量（kg）

c_p=等壓比熱（J/kg×K）

T=絕對(duì)溫度（K）

若氣體在氣缸中等溫壓縮，則熱量就等于逐漸進(jìn)行壓縮所用的功。這實(shí)際上是不可能的，因?yàn)檫@么慢的過(guò)程無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

產(chǎn)生的熱量關(guān)系式如下：

q=m×R×T×1n(p₂/p₁)及

q=p₁×v₁×1n(V₁/V₂)

式中：

q=熱量（J）

m=質(zhì)量（kg）

R=氣體常數(shù)（J/kg×K）

T=絕對(duì)溫度（K）

V=容積（m³）

p=絕對(duì)壓力（Pa）

絕熱過(guò)程的一個(gè)實(shí)例就是氣體在一個(gè)完全絕緣與外界沒(méi)有熱交換的氣缸中進(jìn)行壓縮或者氣體通過(guò)噴咀快速膨脹，而來(lái)不及與周?chē)M(jìn)行熱交換。絕熱過(guò)程的關(guān)系式為：

p2/p1=(V1/V2)^k⇒p2/p1=(T2/T1)^a

式中：a=k/(k-1),p=絕對(duì)壓力（Pa）

V=容積（m³）,T=絕對(duì)溫度（K）,k=cp/cv

多變過(guò)程包括與周?chē)鷱氐捉粨Q的過(guò)程和根本沒(méi)有熱交換的絕熱過(guò)程。實(shí)際上，所有的過(guò)程均處在其間，因此將這個(gè)通用過(guò)程叫做多變過(guò)程。

該過(guò)程的關(guān)系式為:

p×Vn=常數(shù)

式中:p=絕對(duì)壓力（pa）,v=容積m³,n=0表示等壓過(guò)程

n=1表示等溫過(guò)程,n=k表示絕熱過(guò)程,n=¥表示等容過(guò)程

5．氣流通過(guò)噴嘴

通過(guò)噴嘴的氣體流量，取決于噴嘴進(jìn)出口兩側(cè)的壓力比，如果噴嘴前的壓力尚未接近于噴嘴后的一倍，流量隨背壓的降低而增加。然而進(jìn)一步降壓噴嘴后的壓力，流量不會(huì)再增加。

這就是所謂的臨界壓力比，其大小取決于氣體的絕熱指數(shù)（K）。當(dāng)噴管最小截面上的流速達(dá)到音速時(shí)，就出現(xiàn)臨界壓力比。

如果噴管后面的壓力進(jìn)一步下降，低于臨界值，氣流變成為超臨界。通過(guò)噴管的流量關(guān)系式如下：

G=a×Y×p1×10⁵×A×√（2/（R×T1））

式中：G=質(zhì)量流量（kg/s），a=噴管系數(shù)，Y=流量系數(shù)，A=最小通流量面積（m²）

R=氣體常數(shù)（J/kg×K），T1=噴管前絕對(duì)溫度（K），P1=噴管前絕對(duì)壓力（bar）

6．通過(guò)管道的流量

雷諾數(shù)是一個(gè)無(wú)因次量，表示流動(dòng)介質(zhì)中慣性力與摩擦力之比。定義如下：

Re=D×w×h/ρ=D×w/v

式中：D=特征量值（m）（例如圓管直徑），w=平均流速，ρ=流動(dòng)介質(zhì)的密度（kg/m³）

h=流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)力粘度（p_v×s）, v=h/ρ=流動(dòng)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度（㎡/s）

原則上說(shuō)，管內(nèi)流動(dòng)有兩種形式。當(dāng)Re＜2000，流體介質(zhì)內(nèi)粘性力起主導(dǎo)作用，流動(dòng)成為層流。就是說(shuō)介質(zhì)的不同層次之間彼此良好有次序的運(yùn)動(dòng)。層流層斷面速度分布通常呈拋物線(xiàn)形狀。當(dāng)Re≥4000，慣性力在介質(zhì)中起主導(dǎo)作用，流動(dòng)成為紊流形。流動(dòng)橫截面上流體微團(tuán)成無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。紊流層斷面的流速分布成為漫散形。

在過(guò)渡區(qū)，Re≥2000與Re＜4000之間，流態(tài)是不穩(wěn)定的。既可以是層流也可以是紊流，或者是兩者的混合。其狀態(tài)受管道表面光滑度、外來(lái)干擾等諸多因素的影響。

流體能在管內(nèi)中流動(dòng)，需要一定的壓差或壓降，以克服管道及連接件的阻力。壓降的大小取決于管徑、管長(zhǎng)、管子形狀以及表面光潔度和雷諾數(shù)。

7．節(jié)流

理想氣體通過(guò)孔板壓力不變，孔板前后溫度也不變。實(shí)際上在孔板斷面處產(chǎn)生壓降，內(nèi)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，這就是溫度下降的原因。對(duì)于實(shí)際氣體，這種溫度變化成為持久的，即使氣體的能量總量不變。這就是所謂焦耳湯姆遜效應(yīng)。溫度的變化就等于通過(guò)節(jié)流截面的壓力變化乘以焦耳湯姆遜系數(shù)。

如果流動(dòng)介質(zhì)有足夠低的溫度（≤329℃的空氣），通過(guò)孔板截面就產(chǎn)生溫降。但如果流動(dòng)介質(zhì)的溫度更高，就產(chǎn)生溫升。這種狀況被用于某些技術(shù)領(lǐng)域，例如冷凍技術(shù)與氣體分離。