压气机的理论压缩功
压气机性能实验报告
天津市高等教育自学考试模具设计与制造专业热工基础与应用综合实验报告（一）压气机性能实验主考院校:专业名称：专业代码：学生姓名：准考证号：一、活塞式压气机概述1.活塞式压气机结构及工作原理（1）活塞式压气机结构压气机在现代工业以及现代人的生活中被越来越多的广泛应用，不论是汽车上的涡轮增压系统还是航空航天发动机中的涡喷应用，随着技术的不断革新，其结构、性能也在不断的优化、提高。
本实验旨在通过对简单形式的压气机，进行结构、工作原理以及性能的实验，以达到验证并深刻理解、掌握热工学课程中所学得的知识并应用于实际生产实践中。
本次实验所用压气机为“活塞式压气机”，现就其结构及特点作简要说明。
活塞式压气机是通用的机械设备之一，是一种将机械能转化为气体势能的机械。
图1.1 活塞式压气机机构简图图1-2 三维仿真示意图（2）活塞式压气机工作原理：电机通过皮带带动曲柄转动，由连杆推动活塞作往复移动，压缩汽缸内的空气达到需要的压力。
曲柄旋转一周，活塞往复移动一次，压气机的工作过程分为吸气、压缩、排气三步。
具体为：在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力pa ，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。
当缸内压力高于输出空气管道内压力p后，排气阀打开。
压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。
这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。
在下一次吸气时，剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸人的空气量，降低了效率，增加了压缩功。
且由于剩余容积的存在，当压缩比增大时，温度急剧升高。
特别的是，单级活塞式空压机，常用于需要 0 . 3 — 0 . 7MPa 压力范围的系统。
压力超过 0 . 6MPa ，各项性能指标将急剧下降。
故当输出压力较高时，应采取分级压缩。
分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排气量。
活塞式空压机有多种结构形式。
按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。
工程热力学12---气体的压缩知识分享
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）。
工程热力学-第八章 压气机的热力过程
➢ 三种压缩过程耗功量
（1）可逆绝热压缩
wC,s wt,s
k 1
k
k
1
RgT1
1
p2 p1
k
（2）可逆多变压缩
wC,n wt,n
n1
n
n
1
RgT1
1
p2 p1
n
（3）可逆定温压缩
wC,T wt,T
RgT1
ln
v2 v1
RgT1 ln
wC h2s h1 Aj2T 2s m
定压线
✓实际压缩过程
不可逆绝热压缩1－2’
wC h2 h1 Aj2T2n wC wC,S h2 h2 Am2S2nm
✓压气机的绝热效率
可逆绝热压缩时压气机所需的功与不可逆绝热 压缩时所需的功之比称为压气机的绝热效率，也 称为压气机的绝热内效率：
p1 p2
压缩过程中气体终压和初压之比，称为增压比，
即：
p=
p2 p1
wC,s wC,n wC,T
T2,s T2,n T2,T
采用绝热压缩后，比体积较大，需要较大储气罐； 温度较高，不利于机器安全运行。
因此要尽量接近定温过程，所以采用水套冷却。
8-2 余隙容积的影响
一、余隙容积
当活塞运动到上死点位置时，活塞顶面与气
工程上采用压气机的定温效率来作为活塞式 压气机性能优劣的指标：
即：可逆定温压缩过程消耗的功与实际压缩
过程消耗的功之比
C ,T
wC ,T wC
9－4 叶轮式压气机的工作原理
✓ 活塞式压气机缺点：单位时间 内产气量小（转速不高，间隙 性的吸气和排气，以及余隙容 积的影响）。
压气机的热力过程概述和工作原理
1
0.525
二级压缩，中间冷却
若取 pa 0.2MPa
l
pa p1
0.2 0.1
MPa MPa
2、h
2.5 0.2
MPa MPa
12.5
n1
Ta T1l n 342.3 K 69.3 oC
1
V ,L
1
n l
1
0.970
n1
T2 T1 h n 493.8 K 220.8 oC
C,T
等温压缩过程耗功 实际压缩过程耗功
wC,T wC
课后思考题
思考题： 1. 如果采用气缸冷却水套以及其他 冷却措施，使气体在压气机中已经 能够按等温压缩过程进行，这时是 否还需要采用多级压缩，为什么？
需要，虽然实现等温压缩后耗功最小，但由于余隙容积的存
在，若压比过大， V会很小，分级后有助于提高 V。
2）求实际耗功量
P Ps 15 178 kJ/min 18 972.5 kJ/min 316.21 kW
C,s
0.8
3）由于不可逆而多耗功
P P ' Ps 18 972.5 kJ/min 15 178 kJ/min 3 794.5 kJ/min 63.24 kW
m1
V1
V4 V1
研究VC对产气量和耗功
的影响
3
4 V3
2
1 V
V1 V
一、余隙容积VC对生产量的影响
定义容积效率
p 32
V
V
Vh
V1 V4 V1 V3
V3 V3
VC
1 V4 V3 V1 V3
1 V3 V1 V3
V4 V3
1
1 4V
理想气体热力过程及气体压缩
过程方程依据：过程方程线 p=f(v)2．确定初终 状态参数依据：状态方程 3．p-v 图与 T-s 图分 析 4．求传递能量，依据能量方程：Q-W=U 二、 参数关系式及传递能量（见下表）4．2 多变过程 已知某多变过程任意两点参数 ，求 n 一、多变过
轴功全部转化成热能向外放出.=2． 定熵压缩轴 功的计算,按稳态稳流能量方程 ，绝热压缩消耗 的轴功全部用于增加气体的焓 ， 使气体温度升 高 ，该式也适用于不可逆过程 3． 多变压缩轴功 的计算按稳态稳流能量方程 ， 多变压缩消耗的轴 功部分用于增加气体的焓 ，部分对外放热 ，该式 同样适用于不可逆过程结论 :可见定温过程耗功 最少 ，绝热过程耗功最多 4．4 多级压缩及中间 冷却由即：压力比越大 ，其压缩终了温度越高 ， 较高的压缩气体常采用中间冷却设备 ，称多级压 气机.最佳增压比： 使多级压缩中间冷却压气机
出和吸收热量相等.4．5 活塞式压气机余隙影响 一 、余隙对排气量的影响余隙：为了安置进 、排 气阀以及避免活塞与汽缸端盖间的碰撞 ，在汽缸 端盖与活塞行程终点间留有一定的余隙 ，称为余 隙容积 ，简称余隙活塞式压气机的容积效率：活 塞式压气机的有效容积和活塞排量之比 ，结论： 余隙使一部分汽缸容积不能被有效利用 ，压力比 越大越不利 。二 、余隙对理论压缩轴功的影响式 中： 为实际吸入的气体体积 。结论：不论压气机 有无余隙 ，压缩每 kg 气体所需的理论压缩轴功 都相同 ，所以应减少余隙容积 。本章重点结合热
p1=1bar ，t1=5℃ 。若对 A 中的气体缓慢加热（电 热），使气体缓慢膨胀 ，推动活塞压缩 B 中的气 体，直至 A 中气体温度升高至 127℃ 。试求过程 中 B 气体吸取的热量 。设气体 kJ/(kmol·K)， kJ/(kmol·K) 。气缸与活塞的热容量可以忽略不 计。
燃气轮机复习题(新)
电站燃气轮机课程复习思考题1. 词语解释：（1）循环效率：当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为机械功l c的百分数。
（2）装置效率（发电效率）: 当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为电功l s的百分数。
（3）净效率（供电效率）: 当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q转化成为净功l e的百分数。
（4）比功:进入燃气轮机压气机的1kg的空气，在燃气轮机中完成一个循环后所能对外输出的机械功（或电功）l s（kJ/kg）,或净功l e（kJ/kg）.（5）压气机的压缩比: 压气机的出口总压与进口总压之比。
（6）透平的膨胀比: 透平的进口总压与出口总压之比。
（7）压气机入口总压保持系数:压气机的入口总压与当地大气压之比。
（8）燃烧室总压保持系数:燃烧室的出口总压与入口总压之比。
（9）透平出口总压保持系数:当地大气压与透平的排气总压之比。
（10）压气机的等熵压缩效率:对于1kg同样初温度的空气来说，为了压缩达到同样大小的压缩比，等熵压缩功与所需施加的实际压缩功之比。
（11）透平的等熵膨胀效率:对于1kg同样初温度的燃气来说，为了实现同样的膨胀比，燃气对外输出的实际膨胀功与等熵膨胀功之比。
（12）温度比:循环的最高温度与最低温度之比。
（13）回热循环:在简单循环回路中加入回热器，当燃气透平排出的高温燃气流经回热器时，可以把一部分热能传递给由压气机送来的低温空气。
这样，就能降低排气温度，而使进到燃烧室燃料量减少，从而提高机组的热效率。
（14）热耗率：当工质完成一个循环时，把外界加给工质的热能q，转化成机械功（或电工）Ic,Is或Ie 的百分数。
（15）最佳压缩比（16）燃烧效率：一个小于1的参数，用来描写燃烧过程中燃料能量的实际利用程度。
（17）间冷循环：采用为了减少压气机的耗功量，把气体稍微加压后，就引出来冷却降温，然后再使之增压，从而提高比功的这种分段冷却、逐渐加压方法的燃气轮机热力循环，就叫做间冷循环。
工程热力学第四章
2、研究热力过程的一般方法
实际过程是一个复杂过程，很难确定其变化 规律，一般需要作些假设： (1) 根据实际过程的特点，将实际过程近似地概括为 几种典型过程：定容、定压、定温和绝热过程； (2)不考虑实际过程中不可逆的耗损，视为可逆过程； (3)工质视为理想气体； (4)比热容取定值。
3、分析热力过程的一般步骤
1 可知在p 由过程方程得 p ∝ κ 可知在p-v图上是一高次双曲线 v
定熵过程曲线的斜率是 ∂p = −κ p v ∂v s 定温过程曲线的斜率是
p ∂p =− v ∂v T
为什么？ 为什么？
问题： 问题：定熵过程曲线 和定温过程曲线哪根 更陡？ 更陡？
如
二、多变过程分析
1.多变过程的p 图和T 1.多变过程的p—v图和T-s图 p
n=＋∞ n= —∞
T
n=1 n=0 n=0
n=1
n= —∞
v
s
2.内能、 2.内能、焓的变化量 内能 内能变化量 焓的变化量 3. 功和热 量 容 积 功
多变过程中容积功的计算
∆u = u2 − u1 = cv ∆T ∆h = h2 − h1 = c p ∆T
p
T2 T1
T2 > T1
pv = R T
1
2
T2 v2 = T1 v1
v
在p-v图上，等温 线的右上侧为温 度升高的方向。
4、在p-v图上熵增加的方向
p
s1
s2
s2 > s1
p2 v2 ∆s = cv ln + c p ln p1 v1 v2 ∆s = c p ln v1
1
2
v
在p-v图上，等熵 线的右上侧为熵 线的右上侧为熵增 加的方向。
第十章气体的压缩
下面分析余隙容积对压气机的耗功量和增压比的影响。
由于余隙容积的存在，使压气机的产气量减少，但压气机的耗功量亦减少，如图10–6中面积12341所示。面积12341等于面积12ab1与面积34ba3之差。假定1–2和3–4两过程的多变指数n相同，则压气机的耗功量为
由于p1=p4、p3=p2，因此
10．1．4 引射器
引射器是一种简单而使用方便的压缩设备，常被应用在喷射制冷装置、冷凝器的抽气器及小型锅炉给水设备等方面。
图10–4引射器
引射器的构造简图如图10–11所示。
压力为p1的高压工作流体经喷管1膨胀加速。在喷管出口处，压力降低到被引射流体压力p2之下，从而将被引射的流体引入混合室2。在混合室中，高速的工作流体与被引射流体相混合，得到某一平均速度。然后，混合流体进入扩压管3，在其中减速增压，使压力提高到p3而自引射器排出。
通常，用引射系数来表征引射器的工作性能。引射器中，工作流体从喷管中射出的速度越高，则被引射的流体也越多。引射系数以工作流体的质量流量与被引射流体的质量流量的比值来表示，即
从热力学角度来看，引射器的工作过程中有很大的损耗，特别是流体的混合是典型的不可逆过程。引射器的计算可参阅有关的设计手册。
10．2 压缩过程的ห้องสมุดไป่ตู้力学分析
在活塞式压气机的工作过程中，吸气和排气是间歇性的，且其转速不如叶轮式压气机高，故其排量小，但增压比可达很高的范围。因此，工程上活塞式压气机被用于高压、小排量的场合。轴流式压气机在工作过程中连续吸气和排气，并且转速很高，故其排量大。但轴流式压气机每级的增压比很小，为1.15~1.30。若要获得较高压力的压缩气体，需用很多级。例如，要获得0.4~0.6MPa的压缩气体需经十级压缩。因此，在工程上轴流式压气机适用于低压、大排量的场合。此外，轴流式压气机中气流速度甚大，形成较大的摩擦损耗，因此压气机的效率较低，故在设计和制造方面要求很高。
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第9章压气机
一、教案设计
教学目标:使学生熟悉压气机热力过程，活塞式压气机工作原理，耗功量计算；余隙容积对压气机性能的影响；多级压缩与级间冷却；叶轮式压气机的工作原理。
知识点：活塞式压气机工作原理，耗功量计算；余隙容积对压气机性能的影响；多级压缩与级间冷却；叶轮式压气机的工作原理。
重点：压气机耗功量的计算方法，提高压气机效率的方法和途径。
难点：多级压缩过程中各级增压比的确定，提高压气机效率的方法和途径。
教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论
师生互动设计：提问+启发+讨论
问：余隙容积的存在使压气机产气量下降，对实际耗功有没有影响？。
问：活塞式压气机为什么应采用隔热措施？
问：为什么若实施定温压缩产生高压气体，可不必分级压缩、中间冷却？
问：为什么活塞式压气机适用于高压比、小流量；叶轮式压气机适用于小压比、大流量？
学时分配：2学时
二、基本知识
第一节气体的压缩及压气机的耗功
一、气体压缩
1压气机:用来压缩气体的设备
2.。
压气机的分类
1）压气机按其产生压缩气体的压力范围,习惯上常分为：
①通风机（pg<0.01MPa）;
②鼓风机（0.01MPa<pg<0.3MPa）;
③压缩机（pg>0.3Mpa）。
2）按压缩原理和结构分压气机分为:
活塞式、叶轮式（离心式和轴流式）及引射式。
三、压气机的实际耗功（压气机的效率）21
'2'1
cs cs cs w h h w h h η-==
-21
'2'1
cs cs cs w T T w T T η-=
=
-1.压气机的实际耗功
对于理想气体
1
2s
p 1
p 2
s
T
22.压气机的绝热效率
'2'1
cs w h h =-压气机的实际耗功
第二节 单机活塞式压气机
一、单机活塞式压气机工作过程
吸气过程、压缩过程、排气过程。
理想化为可逆过程、无阻力损失
.
1．定温压缩轴功的计算
st w =⎰-=2
1vdp w t 1
2
11ln
p p v p - 按稳态稳流能量方程，压气机所消耗的功，一部分用于增加气体的焓，一部分
转化为热能向外放出.
对理想气体定温压缩,表示消耗的轴功全部转化成热能向外放出. st w =T Q 2．定熵压缩轴功的计算,
⎰-=21vdp w t s k k kw p p k kRT =⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-1
12
111 按稳态稳流能量方程，绝热压缩消耗的轴功全部用于增加气体的焓，使气体温度升高，该式也适用于不可逆过程
3．多变压缩轴功的计算
⎰-=21vdp w t s n n nw p p n nRT =⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-1
12111 按稳态稳流能量方程，多变压缩消耗的轴功部分用于增加气体的焓，部分对外放热，该式同样适用于不可逆过程
结论: ss
sn st w w w -<-<- T sn s T T T 22>> 可见定温过程耗功最少，绝热过程耗功最多
第三节 活塞式压气机余隙影响
一、余隙对排气量的影响
余隙：为了安置进、排气阀以及避免活塞与汽缸端盖间的碰撞，在汽缸端盖与活塞行程终点间留有一定的余隙，称为余隙容积，简称余隙
活塞式压气机的容积效率：活塞式压气机的有效容积和活塞排量之比，
3
13
41V V V V v ---
=λ
结论：余隙使一部分汽缸容积不能被有效利用，压力比越大越不利。
一、 余隙对理论压缩轴功的影响
⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-n n s
n p p V V p n n w 1
122111)(1 式中：41V V V -=为实际吸入的气体体积。
结论：不论压气机有无余隙，压缩每kg 气体所需的理论压缩轴功都相同，所以
应减少余隙容积。
1) 如果气体压缩机在汽缸中采取各种冷却方法后，已能按定温过程进行压缩，
这时是否还要采用分级压缩，为什么。
第四节 多级压缩及中间冷却
由
k
k p p T T 1
1212-⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛= 即：压力比越大，其压缩终了温度越高，较高的压缩气体常采用中间冷却设备，
称多级压气机.
最佳增压比：使多级压缩中间冷却压气机耗功最小时，各级的增压比称为最佳增压比。
压气机的效率：在相同的初态及增压比条件下，可逆压缩过程中压气机所消耗的功与实际不可逆压缩过程中压气机所消耗的功之比，称为压气机的效率。
特点:
1．减小功的消耗,由p-v 图可知 2．降低气体的排气温度,减少气体比容 3．每一级压缩比降低,压气机容积效率增高
中间压力的确定: 原则：消耗功最小。
以两级压缩为例,得到：2312//p p p p = 结论:两级压力比相等，耗功最小。
推广为Z 级压缩
z z p p 1121/.......+===ββ 推理:
1．每级进口、出口温度相等.
2．各级压气机消耗功相等.
3．各级气缸及各中间冷却放出和吸收热量相等.
三、本章总结
多级压缩、级间冷却采用最佳的中间压力或各级的最佳压比，不仅可以使压气机总耗功最小，而且还可以使压气机各级压缩耗功量相同，各级气体的升温相同，各中间冷却器的的放热量相等。
这些对于压气设备的设计和运行是很有利的。
上述多级压缩、级间冷却的原理也适用于叶轮式压气机。
四、作业与讨论
作业：思考题1、2；习题9-2
讨论
活塞式压气机无论是单机还是多级压缩都应尽可能采用冷却措施，力求接近定温压缩。
压气机的定温压缩效率是在压缩前气体的状态相同、压缩后气体的压力相同时，可逆压缩过程所消耗的功和实际过程所消耗的功之比。
叶轮式压气机一般在不冷却情况下工作，所以常采用绝热效率来衡量其工作的优劣。