工程传热学-第八章 压气机的压气过程讲解
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工程热力学：9第八章 压气机的热力过程
压气机简述
按工作原理及构造分： H2
活塞式 叶轮式 引射式
H1
罗茨式
按压缩气体压力范围：
通风机（＜110 kPa)
鼓风机（110～300 kPa)
压气机（>300 kPa)
8-1 单级活塞式压气机的工作原理 和理论耗功量
单 级 活 塞 式 压 气 机
一、工作原理
p
f－1：进气过程；
p
3
2
g
程中，为避免活塞与气缸塞撞击，也便于安
排进、排气阀，必须留有余隙。
图8-3为具有余隙容积的压气机理论示功图，
4-1：有效进气。
f6
4
1
1-2：压缩过程； 2-3：排气过程；
0 Vc V4-V6 V=V1-V4· V
H2
Vh=V1-V3
图中容积Vc就是余隙容积；
Vh＝V1－V3，是活塞从上死点运动到下死点 时活塞扫过的容积，称为气缸的排量。 H1
P3
1
近等温过程。为此，活塞式压气机都采取冷却措施。
但对于实际压缩过程说，无论采取什么冷却措施，
P1
很难实现等温压缩。
s
图8-2 压缩过程的p-v图和T-s图
二、压气机的理论耗功
p
P2
2T 2n 2s
按热力学的约定，压气机消耗的轴功应为负值，工 程上常令压气机耗功为技术功的负值，即：
P1
wC [w12 ( p2v2 p1v1)] wt
用多级压缩；
1 p1 而当增压比一定时，余隙比Vc/Vh加
V
大，也将使容积效率ηV降低。 显然，当π或Vc/Vh增大到某一值时，
可能使ηV＝0。
<2> 理论耗功 余隙容积为 Ve V3
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）。
➢ 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）。
第八章 压气机的热力过程
的耗功之比，
C ,T
理想 1 wC 实际
wC ,T
可以用来判断活塞式压气机性能的优劣。
8-2 余隙容积的影响
1、余隙容积 Vc (clearance volume)
■定义
活塞式压气机中，因为各种需要，当活塞运
动到上死点时，活塞顶部和气缸之间仍留有一定
的空隙，称为余隙容积。
■工作过程
由于余隙容积的存在，排气终了时仍然有残 留的高压气体，必须等残留气体膨胀到进气压力
例8-1：活塞式压气机活塞往复一次生产0.5kg，压力为 0.35MPa的压缩空气。空气进入压气机时的温度为17℃， 压力为0.098MPa，若压缩过程为 n 1.35 的可逆多变过 程，余隙容积比为0.05，试求压缩过程中气缸内空气的质 量。（余隙容积） 解：排气终了时的状态3与压缩终了时的状态2相同。
PC , s qm wC ,s qm h qm c p (T2s T1 ) 252.97kW
（2）实际功率
PC ,s / C ,s 316.21kW PC
（3）多耗功率
PC , s 63.24kW PC PC
（4）作功能力损失
T2 T1
中冷却到吸气温度，再进入下一级气缸继续压
缩。
e1：低压气缸吸气；
12：低压气缸压缩； 22′ ：冷却器中定压放热， 冷却到吸气温度， T2 T1 ； 2′3 ：高压气缸压缩； 3g：高压气缸排气。
2、理论耗功
wC ,多 wC , L wC , H Se12 fe S f 23 gf
p3 p2 0.35MPa T3 T2 T1 ( p2 / p1 )( n 1)/ n 403.4K
工程传热学-第八章压气机的压气过程
可逆）的绝热过程，压气机 的绝热效率为0.8。空气的初 始温度为17℃，试求压缩终 了的温度。
•2 •2 s
•1
•s
作业
8-1 8-4 8-5
•82
8-3
8-6
工程传热学-第八章压气 机的压气过程
2020年5月23日星期六
按能量转变的观点看，各种压气机的压 气过程都基本上相同，在稳定工况时，都可 按稳态稳流进行分析。 q＝△h＋ws
•ws＝-∫vdp为图 中过程线左侧 面积
轴功计算
1．定熵压缩(过程1-2s)
2．定温压缩(过程1-2T)
3．多变压缩(过程1-2n)
8-2 活塞式压气机的压气过程
1．进气过程4-1 2．压缩过程1-2 3．排气过程2-3 4．膨胀过程3-4 有效容积（active volume）：
工作容积（stroke volume）：
余隙容积（clearance volume）： V3
压气功计算
设单级活塞压气机中压缩过程与膨胀过程的多 变指数n相同。
•2 •2 s
•1
•s
如果压气机采用冷却措施，则可以假想理想的 压气过程是可逆定温过程，并定义压气机的 定温效率为：
只要知道压气机定温效率便可利用可逆定温过 程的轴功计算实际采用冷却措施的压气机所 消耗的轴功。
功率： 质量流量：
功率计算
例8-2有一台活塞式空气压缩机，其余隙比为 0.05，进气压力0.1MPa、温度25℃，压缩后 压力为0.6MPa。设压缩过程的多变指数为 1.25，试求压气机的容积效率。又若压缩终了 压力提高到1.6MPa，问此时容积效率为多少 ？
余隙容积对压气功的影响
设单级活塞压气机中压缩过程与膨胀过程的多 变指数n相同：
•2 •2 s
•1
•s
作业
8-1 8-4 8-5
•82
8-3
8-6
工程传热学-第八章压气 机的压气过程
2020年5月23日星期六
按能量转变的观点看，各种压气机的压 气过程都基本上相同，在稳定工况时，都可 按稳态稳流进行分析。 q＝△h＋ws
•ws＝-∫vdp为图 中过程线左侧 面积
轴功计算
1．定熵压缩(过程1-2s)
2．定温压缩(过程1-2T)
3．多变压缩(过程1-2n)
8-2 活塞式压气机的压气过程
1．进气过程4-1 2．压缩过程1-2 3．排气过程2-3 4．膨胀过程3-4 有效容积（active volume）：
工作容积（stroke volume）：
余隙容积（clearance volume）： V3
压气功计算
设单级活塞压气机中压缩过程与膨胀过程的多 变指数n相同。
•2 •2 s
•1
•s
如果压气机采用冷却措施，则可以假想理想的 压气过程是可逆定温过程，并定义压气机的 定温效率为：
只要知道压气机定温效率便可利用可逆定温过 程的轴功计算实际采用冷却措施的压气机所 消耗的轴功。
功率： 质量流量：
功率计算
例8-2有一台活塞式空气压缩机，其余隙比为 0.05，进气压力0.1MPa、温度25℃，压缩后 压力为0.6MPa。设压缩过程的多变指数为 1.25，试求压气机的容积效率。又若压缩终了 压力提高到1.6MPa，问此时容积效率为多少 ？
余隙容积对压气功的影响
设单级活塞压气机中压缩过程与膨胀过程的多 变指数n相同：
《工程热力学》第八章--压气机的压气过程
5
三种压气方式能量转换比较: (WS)C,S >(WS)C,n(WS)C,T
P P2 b
2T 2n 2S
T
2S p2
2n
p1
2T
P1 a
1
1
V
(WS)C,S=P-V图面积1-2s-b-a-1
=T-S图面积1-2s-2T-c-e-1
c
d eS
(WS)C,n=P-V图面积1-2n-b-a-1 =T-S图面积1-2n-2T-c-e-1
T 2T T1
3、压气机耗功计算与比较
(wt )c.s
k
k 1
R g T1 1
(
p2 p1
) ( k 1) / k
( wt ) c.n
n n 1
R g T1 1
(
p2 p1
)
(n
1)
/
n
( w ) 2021/4/9 t c .T
R g T1
ln
v2 v1
R g T1 ln
p2 p1
(W2021S/4)/9C,T=P-V图面积1-2T-b-a-1 =T-S图面积1-2T-c-e-1 6
ξ7.2 活塞式压气机的压气过程（针对单 级活塞压气机压缩过程而言）
一、概述：压气机压气过程特点简介
概念：最大容积V1；余隙容积V3；工作容积VH 二、．压气机轴功计算
三、容积效率ηv 1、定义：有效吸气容积与汽缸工作容积之比表明压
2021/4/9
10
ξ7.4 压气机效率
一、衡量压气机不可逆程度---- 压气机效率 二、绝热压缩过程压气机效率 三、采用级间冷却的定温压缩过程压气机效率计
算
2021/4/9
工程传热学-压气机的压气过程培训课件(共31张PPT)
p n 2 ( w ) vdp R T 1 s c , n g 1 1 n 1 p 1
2
3．多变压缩(过程1-2n)
n 1 n
n k q c T T c ( T T ) n 2 1 v 1 0 2 n 1
V V3 Vh V V e 4 1 V 4 v Vh Vh Vh V3 V 4 1 1 Vh V3
p3 p2 V 4 p p V 3 4 1
1 n
1 n
V3 p2 v 1 1 Vh p 1
k 1 1 . 4 1 k . 4 p 0 . 8 1 2 T T 290 525 K 2 1 p 0 . 1 1
Hale Waihona Puke T T 525 290 2 s 1 T T 290 584 K 2 1 0 . 8 c , s
2 4
p p p p v v v v 1 4 2 3 2 3 1 4
m m m m 1 2 3 4
( W m ( pdv p v p v ) s) c 1 1 1 2 2 1 m ( pdv p v p v ) 3 1 1 2 2 4
3 2
设单级活塞压气机中压缩过程与膨胀过程的多 变指数n相同。
余隙容积（clearance volume）： p1 p4 p2 p3 v2 v3 v1 v4 V3
m1 m2 m3 m4
压气功计算
( W ) W W W W s c 1 2 2 3 3 4 4 1 pdV p ( V V ) pdV p ( V V ) 2 3 2 1 1 4 1 3
工程热力学课件8压气机的热力过程
108.5 1.2 1 2 0.287 290 [1 7.746 1.2 ] 3600 1.2 12.24kw
1.2 1
第四节
叶轮式压气机
优点：流量大、气体能无间歇地连续流进流出 径流式（即离心式）
轴流式
机械能——增加动能—压力增加 离心式压气机中，气流沿轴向进 入叶轮，受高速旋转的叶轮推动， 依靠离心力的作用而加速。然后 在涡壳型流道（相当于扩压管） 中降低流速提高压力。
n 1 p2 n n ' p1v1 1 ( ) n 1 p1 m
Wc ,n
无余隙容积时，压缩1kg 气体所消耗的功为 ： n 1 p2 n n ' Wc , n p1v1 1 ( ) n 1 p1 有余隙容积和无余隙容积时，压缩1kg 气体所消耗的功是相同的
wc wt h2 h1
T 2’ 2 P2
任意工质、任意绝热过程 1—2：理想p (T2 T1 )
P1
1—2’：不可逆绝热压缩
wc h2' h1 c p (T2' T1 )
1 s
压气机的绝热效率
c ,s
wc,s h2 h1 t2 t1 wc h2' h1 t2 t1
各级的排气温度为
p2 T2 T1 ( ) p1
n 1 n
1.2 1 p2 nn1 T3 T2 T1 ( ) 290 7.746 1.2 407.92 K =134.77 C p1
两级压缩时压气机消耗的总功率为 n 1 Wc ,n m n p2 n N 2 RT1[1 ( ) ] 3600 3600 n 1 p1
2、可逆绝热压缩
8压气机的热力过程
Wt理论 k p2 kk-1 mRT1[1 ( ) ] k 1 p1
Wt实际 mcp (T1 T2' )
Wt理论 Wt实际
太低，则压气机报废或修理
压气机的设计计算
需要压气机，想设计一台
已知 ：
p2 ，T1、p1，m(V ) p1 要求：配马达功率， 出口温度。
v
所以，一般采用 2 ~ 4 级压缩
§8-4
叶轮式压气机的工作原理
• 叶轮式压气机分径流式（离心式） 和轴流式两种型式
例. 空气压力0.1MPa，温度 27℃，压缩到1MPa，压缩过程为 两级绝热压缩，级间冷却到温度与 初温度相等。 • ①. 最佳中间压力；②.绘出过程 的p-v图； ③. 过程中消耗的技术 功。
1
v
s
三种压气过程功的理论耗功
n p2 wtn RT1[1 ( ) n 1 p1
n 1 n
]
p1 wtT RT1 ln p2
最小
2s
2T 2n
1
k p2 wts RT1[1 ( ) ] k 1 p1 p 2 2 2 T n T s p2
p1
1
k 1 k
p2
p1
v
s
三种压气过程的参数关系
s ？ n ？
假定 s ，理论功
根据经验，有无冷却水套
Wt理论
k p2 mRT1[1 ( ) k 1 p1
k -1 k
]
第八章 压气机的热力过程
压气机的作用 生活中：自行车打气。 工业上：锅炉鼓风、炼钢、燃气 轮机、制冷空调等等
型式 结构 压 力 范 围
活塞式(往复式) 离心式 ，涡旋 连续流动 轴流式，螺杆 通风机 鼓风机 压缩机
Wt实际 mcp (T1 T2' )
Wt理论 Wt实际
太低，则压气机报废或修理
压气机的设计计算
需要压气机，想设计一台
已知 ：
p2 ，T1、p1，m(V ) p1 要求：配马达功率， 出口温度。
v
所以，一般采用 2 ~ 4 级压缩
§8-4
叶轮式压气机的工作原理
• 叶轮式压气机分径流式（离心式） 和轴流式两种型式
例. 空气压力0.1MPa，温度 27℃，压缩到1MPa，压缩过程为 两级绝热压缩，级间冷却到温度与 初温度相等。 • ①. 最佳中间压力；②.绘出过程 的p-v图； ③. 过程中消耗的技术 功。
1
v
s
三种压气过程功的理论耗功
n p2 wtn RT1[1 ( ) n 1 p1
n 1 n
]
p1 wtT RT1 ln p2
最小
2s
2T 2n
1
k p2 wts RT1[1 ( ) ] k 1 p1 p 2 2 2 T n T s p2
p1
1
k 1 k
p2
p1
v
s
三种压气过程的参数关系
s ？ n ？
假定 s ，理论功
根据经验，有无冷却水套
Wt理论
k p2 mRT1[1 ( ) k 1 p1
k -1 k
]
第八章 压气机的热力过程
压气机的作用 生活中：自行车打气。 工业上：锅炉鼓风、炼钢、燃气 轮机、制冷空调等等
型式 结构 压 力 范 围
活塞式(往复式) 离心式 ，涡旋 连续流动 轴流式，螺杆 通风机 鼓风机 压缩机
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p2 p1 p3 0.1106 1.6106 0.4106 Pa
v
V 1 3
V h
p2 p1
1
n
1
1
1 0.05 (41.25
1)
0.898
两级：(ws )c
2
n n1
RgT1
1
p2 p1
525 290 0.8
584K
作业
8-1 8-4 8-5
8-2
8-3
8-6
8-7
p1 p4 p2 p3 p1(V1 V4 ) p1Ve mRgT1
(Ws )c
n
n
1
mRgT1
1
p2 p1
n1 n
(ws )c
n n1
RgT1
1
p2 p1
n1 n
设单级活塞压气机中压缩过程与膨胀过程的多 变指数n相同。
12 pdv 43 pdv
(Ws )c (m1 m3 )(12 pdv p1v1 p2v2 )
(ws )c 12 pdv ( p2v2 p1v1 ) 12 pdv 12 d ( pv)
2
1
12 pdV p2 (V3 V2 ) 34 pdV p1(V1 V4 )
p1 p4 p2 p3 v2 v3 v1 v4
m1 m2
m3 m4
(Ws )c m1(12 pdv p1v1 p2v2 )
m3 (43 pdv p1v1 p2v2 )
如果压气机不采用冷却措施，可以认为压气过 程是绝热过程，定义压气机的绝热效率为：
c,s
(ws )c,s (ws )c
h1 h2s h1 h2
T1 T2s T1 T2
一般，轴流式及离心式 T 压气机的绝热效率在 0.80—0.90之间。
2s 2
1
s
如果压气机采用冷却措施，则可以假想理想的
n1 n
2
1.25
0.2871
290
1
0.4
1.251 1.25
1.25 1
0.1
266kJ / kg
单级：(ws )c
n
n
1
RgT1
1
p3 p1
n1 n
1.25
Ve V1 V4
工作容积（stroke volume）：
Vh V1 V3
余隙容积（clearance volume）： p1 p4 p2 p3
V3
v2 v3 v1 v4
m1 m2 m3 m4
压气功计算
(Ws )c W12 W23 W34 W41
解：
1 n
v
V 1 3
V h
p2 p1
1
当p2=0.6Mpa时：ηv=0.84 当p2=1.6Mpa时：ηv=0.59
例8-3 上例中为把0.1MPa、25℃的空气压缩到 1.6MPa，现采用一个有中间冷却器的两级压 气机。设压缩过程多变指数为1.25，余隙比为 0.05，试求容积效率及压气机消耗的轴功。
k
k
k
1
RgT1
1
T2 T1
k
k
1
RgT1
1
p2 p1
k 1 k
2．定温压缩(过程1-2T)
(ws )c,T
q
RgT1 ln
p1 p2
3．多变压缩(过程1-2n)
(ws )c,n
2
vdp
1
n n1
RgT1
RgT
pV m RgT
N
n
n
1
m RgT1
p2 p1
n1
n
1
例8-2有一台活塞式空气压缩机，其余隙比为 0.05，进气压力0.1MPa、温度25℃，压缩后 压力为0.6MPa。设压缩过程的多变指数为 1.25，试求压气机的容积效率。又若压缩终了 压力提高到1.6MPa，问此时容积效率为多少？
(ws )c
2
n
n
1
RgT1
1
p2 p1
n1 n
8-4 压气机效率
实际压气机的压气过程中总是存在摩擦、 扰动等一些不可逆因素。因此实际压气机的 压气过程要比理想的可逆压气过程消耗更多 的功。通常用压气机效率来说明实际压气机 中不可逆因素的影响。
V1 V4 Vh
V3
Vh Vh
V4
1 V3 Vh
V4 V3
1
1
1
V4 V3
p3 p4
n
p2 p1
n
1 n
v
V 1 3
V h
p2 p1
1
结论：当多变指数n一定时，容积效率取决于 余隙比和增压比（ The volumetric efficiency depends on the clearance ratio and compression ratio ）。所以应尽 量减小余隙比，同时单级压缩增压比不宜过高，一 般不超过10-12，同时， 从压缩终了温度考虑增压
0.2871
290
1
1.6
1.251 1.25
1.25 1
0.1
308.5kJ / kg
例8-4 有一台轴流式压气机， 把空气从0.1MPa压缩到 T 0.8MPa。设压缩过程为（不
可逆）的绝热过程，压气机 的绝热效率为0.8。空气的初 始温度为17℃，试求压缩终 了的温度。
2s 2
1
s
c,s
(ws )c,s (ws )c
h1 h2s h1 h2
T1 T2s T1 T2Biblioteka k 11.41T2
T1
p2 p1
k
290 0.8 1.4 0.1
525K
T 2
T1
T2s T1
c,s
290
n1 1
(ws )c
n1 n1 1
RgT1 1
p2 p1
n1
n2 1
n2 n2
1
RgT2' 1
p3 p2
n2
当 n1=n2=n, T1=T2’
p2
p1 p3
p2 p1
p3 p2
比也不宜过高。
n1
T2
T1
p2 p1
n
8-3 多级压缩(multistage compression)
理论上级数越多，越趋于近于定温压缩，耗功 越少，但级数太多，机构复杂，造价高，阻 力大，故一般不超过四级。
目的：获取高增压比的高压气体时，增压比不会 过高，压气机有较高的容积效率；出口温度降 低；耗功减少。
1
p2 p1
n1
n
q
cn T2
T1
nk n1
cv0 (T2
T1 )
n1
T2
T1
p2 p1
n
8-2 活塞式压气机的压气过程
1．进气过程4-1
2．压缩过程1-2
3．排气过程2-3
4．膨胀过程3-4
有效容积（active volume）：
第八章 压气机(gas compressor)的压气过程
8-1 压气机的压气过程
压气机从结构上可分为两大类，一种是 直接对气体做功，使其v减小，p增高，如活 塞式（pistontype）、转子式（rotor type）压气 机就属于此类，另一种是先使气体流速提高 再利用扩压管进行扩压，达到使气体压力提 高的目的，离心式（centrifugal type）、轴流式 （axial flow ）压气机即属于这一类型的压气机。
结论：将相同数量的气体压缩到同一压力，压 气机消耗的功量与无余隙时相同。或者说压 气机压气功量在有无余隙时都相同。
(ws )c
n n1
RgT1
1
p2 p1
n1 n
余隙容积对排气量的影响
容积效率（volumetric efficiency）：
v
Ve Vh
压气过程是可逆定温过程，并定义压气机的
定温效率为：
c ,T
(ws )c,T (ws )c
只要知道压气机定温效率便可利用可逆定温过 程的轴功计算实际采用冷却措施的压气机所 消耗的轴功。
功率计算
功率： N m ws
质量流量：m
Ac f v
Ac f
V