压缩空气能量的度量基准探讨

　　少能量；是如何测定该能量的大小。

　　1压缩空气的能量分析气动系统中，压缩空气的流动是相当复杂的。

　　推动气缸运动的气动系统，当换向阀1复位时，气缸2无杆腔内为大气压力口而有杆腔内则为供给压力，8，整个气动系统内处于不流动状态，但无杆腔内静止的压缩空气己具有定的能量。阀1换向时，压缩空气向气缸无杆腔充气，同时，无杆腔压缩空气则通过收稿曰期控制的教学与研宄工作。

　　换向阀向外排气。充气开始，两端压力比也般小于气动充气回路的临界压力比故是以声速充气。直至缸内压力p与ps之比大于b值时，向缸内充气，才是亚声速充气。随，取增大直至充气才由亚声速充气变成低速充气直至停止充气。气缸无杆腔则是从开始的声速排气，逐渐变成亚声速排气低速排气，直至排气停止。在充排气过程中，沿流动方向，还存在由于流动而产生的压力损失即能量损失，机械能转化为热能。且在流动的任截面上，流动参数如速度压力等也不是均匀的。气缸在动作过程中，也存在对外作功和与外界存在热交换的现象。由以上分析可，气缸本身存在内部气体的热力学能，与外界进行热量交换和对外作功的能量守恒与转换。气动系统内的气体流动却是种非元不可压缩和可压缩流动都存在非理想流体存在压力损失非定常流动是充排气流动。要对这样复杂的流动进行各种能量如热力学能动能压力能热功交换等及其相互转化的分析是很困难的，但我们剖析静止压缩空气所具有的能量及流动的压缩空气在定时间内的总消耗能量是可以做到多工作了。

　　2气体无明显宏观运动的能量分析气动元件或系统内的气体无明显宏观运动时，即气体的流动速度远远小于微观的分子运动速度时，如气缸在动作过程中缸内的气体运动就是如此，缸内气体从热力学能为的状态变化至热力学能为的状态的变化过程中，外界向缸内气体传递了热量4同时，缸内气体对外界作功为按能量守恒与转换定律，有Q=IrIi+W1缸内气体对外作功，0；外界对缸内气体作功，以几种特定状态变化过程的热力学能变化过程功及过程热量等如1.

　　积。么和么分别单位质量气体的热力学能变化和焓的变化。是质量定压热容，是质量定容热容，让=！是热容比，也称作等熵指数。和9是单位质量气体的过程功和过程热量。，是比热容。

　　由1可，能量守恒与转换的具体现是与热力过程有关。如等容过程中，从外界吸收的热量，全部用来增加缸内气体的热力学能，现为温度上升等。而等温过程中，热力学能不变化。等温膨胀时，从外界吸收的热量全部用于对外作功；而等温压缩时，外界对气体作功，全部转化为气体向外界放出的热量。

　　谈论无明显宏观运动的气体能量，通常是指气体处于某状态而言，即热力过程的始末，也没有必要对状态变化过程中的能量去进行分析。我们知道，静止气体是单位质量的气体在流动时所具有的包括微观运动能量在内的能量。当1气体通过外界流入系统时，不仅将气体的质量势力学能1带进系统，同时，还把从后面获得的推动功也可称作压力能，因是压力，产生的推动功也带进系统，故有在热力变化的过程中，虽热力学能1与推动功可相互转化，但只有转化后的推动功才能作为机械能，即未转化为推动功的热力学能是不能作为机械能的。

　　故对质量为，体积为的气体而言，利用气体状态方程，=及丁，其总机械能1可以推出下式。

　　此总机械能就是该压缩气体具有作机械功的能力。总机械能就是该压缩空气的压力P与体积V的乘积。

　　应当注意，式3中的压力应以压力计。因为推动气缸运动必须克服外界己存在的大气压力的反作用力，故实际具有的总机械能必须扣除大气压力的影特定热力过程等容过程，=0等压过程等温过程丁绝热过程口=，状态方程色等辜户热力学能变化焓的变化过程功评=加讲御，2过程热量9=灯热力学第定律响。

　　还应当注意，按式3算出的压缩空气的总机械能，并不是压缩空气的总能量。质量为！1的压缩空气的总能量，从式2出发，应当是这个总能量是以气体分子完全停止运动为基准而算出的总能量，实际上当然不可能得到这个能量，因为气体分子不可能停止运动。我们这儿只是强调，按式3计算出的压缩空气的总机械能，并不是该压缩空气另外，也应注意，大气压状态的空气也是具有机械能的，因为相对于真空状态，大气压力的气体仍具有作机械功的能力。

　　例l已知3m3气罐中存储了压力为0.7MPa温度为293反的空气，问该气罐内的空气具有多少机械能，答由式3，气罐内空气的总机械能民0.7 3气体不可压缩流动时的能量分析对定常不可压缩两缓变流截面12之间建立的单位体积气体的能量守恒方程为间压力损失水头。

　　之和等于2截面上的静压，2动压+1和1至2截面之间若把10处的压力口。称为总压，可写出12上式中，总压不应含压力损失项，因压力损失已转化为热能，是不能再可逆转化为机械能的，故机械能只含有压力能和动能。且上式中的仍与，均应以压力计。

　　及均以绝对压力计，则有流动功率N.

　　将转化为标准状态下的体积流量则有=此。对不可压缩流动，可近似认为有压状态下的温度1与标准状态下凡相等，由式7可推出由式7或式8可以计算气动回路中任缓变流截面上的总流动功率N.此流动是由气源压力Ps提供可得到此流动由气源提供的*大总流动功率是例2已知某气动回路的气源压力为0.8屯测得入厌40系列减压阀连接口径为艮12，连接管内径为16的阀前压力为0.7厘3，阀后压力稳定在0.32碰3时，通过阀的流量是3000LminANR，设阀前后气体温度都是293氏问该阀前后气体的各自总流动功率是多少，若该阀稳定流动1气源应提供多少能量，通过减压阀降压，损失了多少能量，答设阀前为1截面，阀后为2截面，则知1=阀前总压口行+士训啊+士处犯父回路流动气源应提供的能量6=，失占输入能量的。1.

　　4气体可压缩流动时的能量分析气体在可压缩流动时，温度发生变化，热力学能要参与到能量守恒与转换中，故元定常绝热条件下，单位质量气体的能量守恒方程为压力能1与动能之和保持不变，并可相互转化。但P 2热力学能必须转化为机械能压力能动能后才能作机械功，故气体在可压缩流动时所具有的总流动功率应当是单位质量气体的压力能和动能之和与质量流量的乘积，故有在10处的压力巩称为总压，密度称为总密，温度称为总温且将质量流量如转化为标准状态下的体积流量4，则有上式中的已是绝对压力了。若已知通过回路在标准态下的体积流量并测得或算出某缓变流截面上的总压口。和总温丁。，便可由式10算出该截面上的总流动功率N.

　　当式13中的，和丁。是该气动回路的气源压力ps和温度Ts时5则式l3算出的N就是该回路的*大总流动功率。

　　例32吹气回路，己知气源压力01！为7，气源温度1为293氏减压阀的设定压力01为减压阀出口至喷嘴进口之间的有效截面积是4，2，喷嘴有效截面积32是2，问吹气的总流动功率是多少，吹气的*大总流动功率是多少，吹气53，回路损失多少能量，绝对压力，由下式在2作用下，喷嘴内可达声速吹气。设32是临界截面=根据气体动力学函数5由275，查得S1管路内的马赫数M1=0.165故i=1.0185 130.39953绝对压力。按下式2可计算通过喷嘴的流量心求得吹气的*大总流动功率5压缩空气能量的度量基准探讨由以上分析，本文提出以下度量压缩空气能量的计算公式。

　　用总机械能来度量静止压缩空气的能量。由式3可计算总机械能。

　　用总流动功率来度量流动的压缩空气具有的能量。由式8可计算不可压缩流动中，某缓变流截面上流截面上的总流动功率。由相邻两缓变流截面的总流动功率之差，可计算这两个缓变流截面之间的能量损失大小。

　　用*大总流动功率来度量气动回路或气动装置己使用掉的能量大小。由式9可计算不可压缩流动的*大总流动功率。由式14可计算可压缩流动的*大总流动功率。

　　有种观点认为，压力为体积为的压缩空气的有效能，可以用该压缩空气等温膨胀成大气压力所作功与其他过程如绝热过程相比，理论功*大。故认为压缩空气的有效能为且压缩空气流动时的有效功率为当压力为，体积为的压缩空气，压力由，等温膨胀至压力队的过程中，从外界吸收了热量，该热量又全部用来对外作功，其大小是由式15达，但式15并不是压力为，体积为，的压缩空气自身具有的有效能。像等容过程，虽对外作功为零，但并不意味该过程的气体没有有效能。所以，用式16来计算流动的压缩空气的有效功率也是不对的。

　　对例按式3计算，该压缩空气的总机械能为21刈05.若按式15计算，该压缩空气的有效能可达6压缩空气能量的测定静止的压缩空气具有的总机械能可用式3计算，故只要测得体积为的压缩空气的压力0便可。

　　要测定流动的压缩空气的总流动功率，除需测定标准状态下的体积流量外，还要测出缓变流截面上比较小，测定总压静压比较困难。作为工程问，而不作为研究课的话，可以不关心总流动功率的测定，只要测出*大总流动功率，便得知气动回路或气动装置使用了多少能量，从而可进步研宄节能措施和进行运行成本核算。

　　测量*大总流动功率，从式9和式14可知，只需测出气动回路或装置所使用的气源压力，和气源温度再测出通过该气动回路或装置的标准状态的体积流量便可。

　　压状态下的体积流量心或标准状态下的体积流量。

　　因如是在管路中压力为，的状态下的体积流量，故应同时测出0.己知，和可利用式17计算出1.

　　像1所不的充排气回路，其*大总流动功率是时间的函数，若测出风与时间1的变化4所。则在定时间周期丁内，该气动回路所消耗的总机械能，便是4曲线与时间轴线之间所包围的面积，用公式则是吴佰诗。大学物理1.西安西安交通大学出版社，1990.

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