工程热力学-第八章 压气机的热力过程

可见压气机耗功以技术功计。
➢ 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）。
✓ 与活塞式压气机相比，叶轮式压气机结构紧凑， 输气量大，输气均匀且运转平稳，效率高；
1
n
1 1
1
n
1
V
1 Vc Vh
1 n
1
1
1 n
1
讨论：
a) Vc，Vh确定
V m生产量
当π增加到一定值时，容积效率为零。
b) 一定
Vc V V m 生产量
➢ 理论耗功量：
余隙容积中剩余气体膨 胀可利用，因此耗功是两者 之差：
WC = A12gf 1 - A43gf 4
n
p3 p2
n
2
希望最小
➢ 最佳增压比
n1
n1
wC
n
n 1
RgT1
p2 p1
n
p3 p2
Байду номын сангаас
n
2
f ( p2 )
wC 0 p2
p2
p1 p3
或
p2 p3 p1 p2
1 2
wC wC,L wC,H
n
n
1
RgT1
p2 p1
n1
n
1
n n 1
RgT2
p3 p2
n1
n
一、工作原理
f－1：气体引入气缸 1－2：气体在气缸内进行压缩 2－g：气体流出气缸，输向 储气筒
➢ f-1和2-g过程 不是热力过程，只是气体的移动过程，气体状
态不发生变化，缸内气体的数量发生变化
➢ 1－2过程
热力过程，气体的参数发生 变化。
过程耗功量可由图中过程线 1－2与V轴所包围的面积表 示。
容积效率：
有效吸气容量 V hV = 气缸排量 = Vh
V1 V1
V4 V3
V1
V3 (V4 V1 V3
V3 )
1 V4 V3 V1 V3
1 V3 V1 V3
V4 V3
1
余隙容积百分比： V3 Vc
V1 V3 Vh
V4
(
p3
)
1 n
(
p2
)
1 n
1
n
V3 p4
p1
V
1 Vc Vh
-
1÷÷÷÷
可见有余隙容积后，如果增压比相同，理论 上所消耗的功与无余隙容积时相同。
8－3 多级压缩和级间冷却
✓避免单级压缩因增压比太高而影响容积效率 ✓省功（减少压缩过程的多变指数）
一、两级压缩、中间冷却压气机
(1)??
(2)??
二、两级压缩、中间冷却分析
➢ 耗功量
n
p
n
1
2
2’
3
低压缸 中冷器 高压缸
C,S
wC , S wC
h2S h1 h2 h1
若为理想气体，比热容为定值：
hC ,S =
wC ,S wC¢
= T2S - T1 T2¢ - T1
缸盖间留有一定的空隙，为余隙容积Vc
布置进、排气结构 产生原因 制造公差
部件热膨胀
Vh为气缸排量：
Vh V1 V3
因为3－4为余隙容 积中剩余气体的膨胀过 程（多变过程），所以 4－1表示有效进气。
有效吸气容积：
V V1 V4
二、余隙容积的影响
➢ 生产量：
由于为余隙容积中剩余 气体的膨胀过程（ 3－4过 程），有效吸气容积小于气 缸排量。
=
n
n
-
1
p1V1
轾犏犏犏犏臌骣珑珑珑珑桫pp12
n- 1
鼢鼢鼢鼢n
-
1-
n
n
-
1
p4V4
轾犏犏骣p3 犏犏臌桫p4
n- 1 n
-
1
p1 = p4、p3 = p2
WC
=
n
n
-
1
p1V1
轾犏犏犏犏臌骣珑珑珑珑桫pp12
n- 1
鼢鼢鼢鼢n
-
1-
n
n
-
1
p1V4
轾犏犏骣p2 犏犏臌桫p1
n- 1
n
-1
=
有两种极限情况： 绝热过程1－2s（过程快、散热差） 定温过程1－2T（过程慢、散热好） 实际压缩1－2n
二、压气机的理论耗功量
➢ 压气机耗功 压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩
和气体的流出，所以压气机耗功应等于压缩过程 耗功与进、排气过程推动功的代数和：
wC [w12 ( p2v2 p1v1)] wt
每生产1 kg压缩气体：
wC wC,l wC,h
无级间冷却时：
n
1
3’
耗功量：wC'
wC' wC
设两级压缩的多变指数相
同，且 T2 T1
wC wC,L wC,H
n1
n1
n
n
1
RgT1
p2 p1
n
1
n n 1
RgT2
p3 p2
n
1
n1
n1
n
n
1
RgT1
p2 p1
1
2
n
n 1
RgT1
n1 n
1
wC , L
＝ wC,H
同理，对于m级压缩、级间冷却：
m
i
pm1 i 1,2, , m p1
wC
m
wC,i
i 1
m
n
n 1
RgT1
n1 n
1
若分级m，则趋于定温压缩但由于体积庞
大，系统复杂，可靠性下降，一般2-4级。
m
i
pm1 i 1,2, , m p1
wC
m
wC,i
i 1
m
n
n 1
RgT1
n1 n
1
➢ 该设计特点
✓每级压气机所需的功相等，有利 于压气机曲轴的平衡
✓每个气缸中气体压缩后所达到的 最高温度相同
✓每级向外排出的热量相等
✓各级气缸容积按增压比递减
➢ 压气机定温效率
活塞式压气机无论是单级或多级压缩都应尽 可能采用冷却措施，力求接近定温过程。
按压缩气体压力范围： 通风机（＜110 kPa) 鼓风机（110~400 kPa) 压气机（>400 kPa)
本章主要内容：
以活塞式压 气机为重点，分 析压缩气体生产 过程的热力学特 性
从热力学观点出发，尽管活塞式和叶轮式的结构 和工作原理都不同，但压缩过程中气体的状态变 化本质上是一致的。
8-1 单级活塞式压气机的工作原理 和理论耗功量
第八章 压气机的热力过程
一、叶轮式
PW 6000 压气机叶片
离心压气机
鼓风机
二、活塞式
螺杆式压缩机
三、引射式
压气机：
压气机是生产压缩气体的设备，它不是动力 机，而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工 作机。
压气机的分类：
按工作原理和构造： 活塞式压气机 叶轮式压气机 特殊引射式压缩器
n n-
1 p1(V1 -
V4
)
轾犏犏犏犏臌骣çççç桫pp12
n-
÷÷÷÷ n
1
-
1
=
n n-
1 p1V
轾n- 1 犏犏p n 臌
1
=
n n-
轾n- 1
1 mRgT1 犏犏臌p n -
1
对于1kg压缩气体耗功：
wC = A12gf 1 - A43gf 4
=
n
n
-
1
骣n- 1
RgT1 çççç桫p n
✓ 缺点：增压比小，需要级数多；气流速度高，造 成摩擦损失。
✓ 叶轮式压气机分为离心式与轴流式两种型式。
➢ 轴流式
➢ 离心式
高转速 中小流量压气机
气流撞击动叶，获得动能，进入静子通道，迫使气 流减速拐弯，从而实现增压
由于排量大，运转快，难冷却，可作绝热压缩考虑。