【壓縮機網(wǎng)】編者按：空壓機作為一種通用動(dòng)力機械設備，涉及到很多方面的知識，比如流體力學(xué)、電學(xué)、
材料學(xué)、機械設計等等。而熱力學(xué)就屬于極為重要的一部分，從業(yè)者不可不知。本文將對空壓機中涉及到的熱力學(xué)相關(guān)知識進(jìn)行分享，希望對大家起到參考作用。
1．基本定律
熱力學(xué)第一基礎定律是一個(gè)自然界的規律，無(wú)法證明，但卻為人們義無(wú)反顧地所接受。它既不能被創(chuàng )造也不會(huì )被消滅。熱力學(xué)第二規律說(shuō)：熱是永遠無(wú)法靠“自身作用”，從一個(gè)冷源轉移到一個(gè)熱源中去。這就是說(shuō)，能量只有從高溫轉移到低溫量，才可以用來(lái)作功。因此，例如在一個(gè)熱發(fā)電機中，熱量與機械功的轉換只有在其中一部分熱量保留下來(lái)，不轉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(m3)，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。當一個(gè)參數發(fā)生變化，至少會(huì )導致到其它兩個(gè)參數中的一個(gè)參數的變化。關(guān)系式如下：
(P×V)/T=R=氣體常數
式中：
P=絕對壓力Pa，V=比容(m3/kg)，
T=絕對溫度(K)
R=R/M=氣體常數(J/kg×K)
常數R稱(chēng)為氣體常數，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=絕對壓力(Pa)，V=容積(m3)，
m=莫爾質(zhì)量（kmo1）-
R=通用氣體常數=8314(J/KMO1×K)，
T=絕對溫度（K）
3．傳熱
物體內或不同物體之間的熱量差，終究會(huì )導致熱的傳遞，從而達到溫度平衡。這種熱傳遞有三種方式：傳導、對流與輻射實(shí)際上熱傳遞是以三種方式同時(shí)進(jìn)行的。
傳導發(fā)生在兩固體之間和液體或氣體兩薄層之間，運動(dòng)著(zhù)的分子將其能量釋放到鄰近的分子。
所有溫度大于K的物體都會(huì )產(chǎn)生熱輻射，當熱輻射到達一個(gè)物體時(shí)，部分的能量被吸收，并轉變?yōu)闊?。沒(méi)有被吸收的輻射，或穿透過(guò)物體，或被反射，只有絕對黑體在理論上會(huì )完全吸收所有的輻射能。
實(shí)際上傳熱是由熱傳導，對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(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?？偟膫鳠嵯禂等Q于隔板的導熱系數及相關(guān)兩側的傳熱系數。對于光潔平板，可用下述關(guān)系式：
1/k=1/α1+d/λ+1/α2
式中：
α=隔板相關(guān)兩側的傳熱系數(W/m2×K)，
d=隔板的厚度（m）
λ=隔板的導熱系數(W/m×K)，
k=總傳熱系數(W/m2×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的函數。傳熱面積可用下式表示：
Q=k×A×υm
式中：
Q=傳熱量(W)，
K=總傳熱系數(Wm2×K)
A=傳熱面積，
υm=對數平均溫差(K)
對數平均溫差定義為冷卻器兩連接測溫差的關(guān)系，用下式表示：
υm=υ1-υ2/1n(υ1/υ2)
式中：
υm=對數平均溫差(K)，
υ=根據圖1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，對于變量p、V和T，實(shí)際上需要三個(gè)坐標。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)單的數學(xué)函數表示）。
4.1等容過(guò)程
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×cv×(T2-T1)
q=熱量（J）
m=質(zhì)量（kg）
cv=等容比熱（J/kg×K）
T=絕對溫度（K）
4.2等壓過(guò)程
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×cp×(T2-T1)
q=熱量（J）
m=質(zhì)量（kg）
cp=等壓比熱（J/kg×K）
T=絕對溫度（K）
4.3等溫過(guò)程
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，因為這么慢的過(guò)程無(wú)法實(shí)現。
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（J/kg×K）
T=絕對溫度（K）
V=容積（m3）
p=絕對壓力（Pa）
4.4絕熱過(guò)程
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)α
式中：
a=k/(k-1)，p=絕對壓力（Pa）
V=容積(m3)，T=絕對溫度(K)，k=cp/cv
4.5 多變過(guò)程
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
式中:
p=絕對壓力(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)一步降低噴嘴后的壓力，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（K）。當噴管最小截面上的流速達到音速時(shí)，就出現臨界壓力比。
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=α×Y×p1×105×A×√(2/（R×T1）)
式中：
G=質(zhì)量流量（kg/s），
α=噴管系數，
Y=流量系數，
A=最小通流量面積（m2）
R=氣體常數（J/kg×K），
T1=噴管前絕對溫度（K），
P1=噴管前絕對壓力（bar）
6．通過(guò)管道的流量
雷諾數是一個(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×η/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)
η=流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)力粘度(pv×s)
v=η/ρ=流動(dòng)介質(zhì)的運動(dòng)粘度(m2/s)
原則上說(shuō)，管內流動(dòng)有兩種形式。當Re＜2000，流體介質(zhì)內粘性力起主導作用，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動(dòng)。層流層斷面速度分布通常呈拋物線(xiàn)形狀。當Re≥4000，慣性力在介質(zhì)中起主導作用，流動(dòng)成為紊流形。流動(dòng)橫截面上流體微團成無(wú)規則運動(dòng)。紊流層斷面的流速分布成為漫散形。
在過(guò)渡區，Re≥2000與Re＜4000之間，流態(tài)是不穩定的。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(cháng)、管子形狀以及表面光潔度和雷諾數。
7．節流
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，內能轉換成動(dòng)能，這就是溫度下降的原因。對于實(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。溫度的變化就等于通過(guò)節流截面的壓力變化乘以焦耳湯姆遜系數。
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。
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材料學(xué)、機械設計等等。而熱力學(xué)就屬于極為重要的一部分，從業(yè)者不可不知。本文將對空壓機中涉及到的熱力學(xué)相關(guān)知識進(jìn)行分享，希望對大家起到參考作用。
1．基本定律
熱力學(xué)第一基礎定律是一個(gè)自然界的規律，無(wú)法證明，但卻為人們義無(wú)反顧地所接受。它既不能被創(chuàng )造也不會(huì )被消滅。熱力學(xué)第二規律說(shuō)：熱是永遠無(wú)法靠“自身作用”，從一個(gè)冷源轉移到一個(gè)熱源中去。這就是說(shuō)，能量只有從高溫轉移到低溫量，才可以用來(lái)作功。因此，例如在一個(gè)熱發(fā)電機中，熱量與機械功的轉換只有在其中一部分熱量保留下來(lái)，不轉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(m3)，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。當一個(gè)參數發(fā)生變化，至少會(huì )導致到其它兩個(gè)參數中的一個(gè)參數的變化。關(guān)系式如下：
(P×V)/T=R=氣體常數
式中：
P=絕對壓力Pa，V=比容(m3/kg)，
T=絕對溫度(K)
R=R/M=氣體常數(J/kg×K)
常數R稱(chēng)為氣體常數，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=絕對壓力(Pa)，V=容積(m3)，
m=莫爾質(zhì)量（kmo1）-
R=通用氣體常數=8314(J/KMO1×K)，
T=絕對溫度（K）
3．傳熱
物體內或不同物體之間的熱量差，終究會(huì )導致熱的傳遞，從而達到溫度平衡。這種熱傳遞有三種方式：傳導、對流與輻射實(shí)際上熱傳遞是以三種方式同時(shí)進(jìn)行的。
傳導發(fā)生在兩固體之間和液體或氣體兩薄層之間，運動(dòng)著(zhù)的分子將其能量釋放到鄰近的分子。
所有溫度大于K的物體都會(huì )產(chǎn)生熱輻射，當熱輻射到達一個(gè)物體時(shí)，部分的能量被吸收，并轉變?yōu)闊?。沒(méi)有被吸收的輻射，或穿透過(guò)物體，或被反射，只有絕對黑體在理論上會(huì )完全吸收所有的輻射能。
實(shí)際上傳熱是由熱傳導，對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(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?？偟膫鳠嵯禂等Q于隔板的導熱系數及相關(guān)兩側的傳熱系數。對于光潔平板，可用下述關(guān)系式：
1/k=1/α1+d/λ+1/α2
式中：
α=隔板相關(guān)兩側的傳熱系數(W/m2×K)，
d=隔板的厚度（m）
λ=隔板的導熱系數(W/m×K)，
k=總傳熱系數(W/m2×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的函數。傳熱面積可用下式表示：
Q=k×A×υm
式中：
Q=傳熱量(W)，
K=總傳熱系數(Wm2×K)
A=傳熱面積，
υm=對數平均溫差(K)
對數平均溫差定義為冷卻器兩連接測溫差的關(guān)系，用下式表示：
υm=υ1-υ2/1n(υ1/υ2)
式中：
υm=對數平均溫差(K)，
υ=根據圖1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，對于變量p、V和T，實(shí)際上需要三個(gè)坐標。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)單的數學(xué)函數表示）。
4.1等容過(guò)程
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×cv×(T2-T1)
q=熱量（J）
m=質(zhì)量（kg）
cv=等容比熱（J/kg×K）
T=絕對溫度（K）
4.2等壓過(guò)程
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×cp×(T2-T1)
q=熱量（J）
m=質(zhì)量（kg）
cp=等壓比熱（J/kg×K）
T=絕對溫度（K）
4.3等溫過(guò)程
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，因為這么慢的過(guò)程無(wú)法實(shí)現。
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（J/kg×K）
T=絕對溫度（K）
V=容積（m3）
p=絕對壓力（Pa）
4.4絕熱過(guò)程
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)α
式中：
a=k/(k-1)，p=絕對壓力（Pa）
V=容積(m3)，T=絕對溫度(K)，k=cp/cv
4.5 多變過(guò)程
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
式中:
p=絕對壓力(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)一步降低噴嘴后的壓力，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（K）。當噴管最小截面上的流速達到音速時(shí)，就出現臨界壓力比。
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=α×Y×p1×105×A×√(2/（R×T1）)
式中：
G=質(zhì)量流量（kg/s），
α=噴管系數，
Y=流量系數，
A=最小通流量面積（m2）
R=氣體常數（J/kg×K），
T1=噴管前絕對溫度（K），
P1=噴管前絕對壓力（bar）
6．通過(guò)管道的流量
雷諾數是一個(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×η/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)
η=流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)力粘度(pv×s)
v=η/ρ=流動(dòng)介質(zhì)的運動(dòng)粘度(m2/s)
原則上說(shuō)，管內流動(dòng)有兩種形式。當Re＜2000，流體介質(zhì)內粘性力起主導作用，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動(dòng)。層流層斷面速度分布通常呈拋物線(xiàn)形狀。當Re≥4000，慣性力在介質(zhì)中起主導作用，流動(dòng)成為紊流形。流動(dòng)橫截面上流體微團成無(wú)規則運動(dòng)。紊流層斷面的流速分布成為漫散形。
在過(guò)渡區，Re≥2000與Re＜4000之間，流態(tài)是不穩定的。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(cháng)、管子形狀以及表面光潔度和雷諾數。
7．節流
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，內能轉換成動(dòng)能，這就是溫度下降的原因。對于實(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。溫度的變化就等于通過(guò)節流截面的壓力變化乘以焦耳湯姆遜系數。
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。
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