08 第8章 压气机的热力过程
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）。
工程传热学-第八章 压气机的压气过程讲解
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 )
工程热力学思考题参考答案
第八章压气机的热力过程1、利用人力打气筒为车胎打气时用湿布包裹气筒的下部，会发现打气时轻松了一点，工程上压气机缸常以水冷却或气缸上有肋片，为什么答：因为气体在压缩时，以等温压缩最有利，其所消耗的功最小，而在人力打气时用湿布包裹气筒的下部或者在压气机的气缸用水冷却，都可以使压缩过程尽可能的靠近等温过程，从而使压缩的耗功减小。
2、既然余隙容积具有不利影响，是否可能完全消除它答：对于活塞式压气机来说，由于制造公差、金属材料的热膨胀及安装进排气阀等零件的需要，在所难免的会在压缩机中留有空隙，所以对于此类压缩机余隙容积是不可避免的，但是对于叶轮式压气机来说，由于它是连续的吸气排气，没有进行往复的压缩，所以它可以完全排除余隙容积的影响。
3、如果由于应用气缸冷却水套以及其他冷却方法，气体在压气机气缸中已经能够按定温过程进行压缩，这时是否还需要采用分级压缩为什么答：我们采用分级压缩的目的是为了减小压缩过程中余隙容积的影响，即使实现了定温过程余隙容积的影响仍然存在，所以我们仍然需要分级压缩。
4、压气机按定温压缩时，气体对外放出热量，而按绝热压缩时不向外放热，为什么定温压缩反较绝热压缩更为经济答：绝热压缩时压气机不向外放热，热量完全转化为工质的内能，使工质的温度升高，压力升高，不利于进一步压缩，且容易对压气机造成损伤，耗功大。
等温压缩压气机向外放热，工质的温度不变，相比于绝热压缩气体压力较低，有利于进一步压缩耗功小，所以等温压缩更为经济。
5、压气机所需要的功可从第一定律能量方程式导出，试导出定温、多变、绝热压缩压气机所需要的功，并用T-S图上面积表示其值。
答：由于压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机耗功应以技术功计，一般用w c 表示，则w c =-w t由第一定律：q=△h+w t ，定温过程：由于T 不变，所以△h 等于零，既q=w t ，q=T △s ，21lnp p R s g =∆，则有 多变过程：w c =-w t =△h-q 所以⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-111121n n g c p p T R n n w 绝热过程：即q=0，所以6、活塞式压气机生产高压气体为什么要采用多级压缩及级间冷却的工艺答：由于活塞式压气机余隙容积的存在，当压缩比增大时，压气机的产气量减小，甚至不产气，所以要将压缩比控制在一定范围之内，因此采用多级压缩,以减小单级的压缩比。
第八章 压缩机的热力过程
第八章 压缩机的热力过程 潘航波 070204228 轮机2班一．基本概念余隙容积：在活塞与汽缸盖之间留有一个很小的余隙，由这一余隙所形成的体积。
有效吸气体积：在进气过程中吸入的气体体积为V1-V4容积效率：有效吸气体积（V1-V4）与汽缸工作体积Vs 之比最佳增压比：多级压缩时，各级的增压比相同。
压气机的绝热效率：可逆绝热压缩时所消耗的机械功Wc,s 与不可逆绝热压缩时压气机所消耗的机械W c ′之比来衡量压气机中绝热压缩过程的不可逆程度，用符号η表示二．习题1．理想气体从同一初态出发，经可逆和不可逆绝热压缩过程，设耗功相同，试问它们的终态温度、压力和熵是否都不相同？不是终态温度 压力 熵 都相同因为 对于可逆即没有余隙容积 ，不可逆即有余隙容积，而对于相同质量的气体，不管是有余隙容积还是没有余隙容积，所消耗的功是相同的。
2．空气初态为p 1=1⨯105Pa 、t=20︒C 。
经过三级活塞式压气机后，压力提高到12.5MPa 。
假定各级增压比相同，压缩过程的多变指数n=1.3。
试求生产1kg 压缩空气理论上应消耗的功，并求(各级)气缸出口温度。
如果不用中间冷却器，那么压气机消耗的功和各级气缸出口温度又是多少(按定比热理想气体计算)?解：由最佳增压比可知：p2/p1=p3/p2=p4/p3 p 1=1⨯105Pa p4=12.5MPa求出 β1=β2=β3=p4/p1=5 p2=5⨯105Pa p3=25⨯105PaT2=T1(p2/p1) k k 1-=293*1.6=468.8KT3=468.8*1.6=750.08K T4=1200.128K不用冷却器 ：T2=468.8KT3= T3(p3/p1) k k 1-=293*2.6=761.8KT4=293*4.2=1230K3．轴流式压气机每分钟吸人p 1=0.1MPa 、t 1=20℃的空气1200kg ，经绝热压缩到p 2=0.6MPa ，该压气机的绝热效率为0.85。
8压气机的热力过程
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
工程热力学-08 压气机的压气过程
1 V
4－1：进气过程中气体的状态不变，随着活塞向 右移动，气体在压力下不断进入气缸。当活塞移 动到气缸最右端时，进气阀关闭，进气过程结束。
余隙容积
能源与动力工程学院 新能源与科学工程系
6
二、压气过程的轴功（按照示功图计算）
p
p2 3
2
(WS )c W12 W23 W34 W41
轴功和实际压气过程消耗的轴功之比称为定
温效率。
c,T
(ws )c,T (ws )c
T
p2
2’
2
p1
1 0
T p2
2’ 2
0
s
p1 1
s
能源与动力工程学院 新能源与科学工程系
13
p2 )(k 1) p1
k]
k
k
1
RgT1[1
(
p2 )(k 1) p1
k]
[理想气体，定值 比热容，可逆过程]
2、定温过程 3、多变过程
(wS )c,T
2
1 pdv RgT1 ln
p1 p2
RgT1
ln
v2 v1
(wS
)c,n
n
2 1
pdv
n
n 1
p1v1
p2v2
若压气机不采用冷却措施，则理想的压
气过程是定熵过程。定熵过程消耗的轴功与
实际绝热压气过程的轴功之比称为压气机的
绝热效率。
c,s
(ws )c,s (ws )c
h1 h2s h1 h2
T1 T2s T1 T2
若压气机采用冷却措施，则理想的压气
08压气机的热力过程
08压气机的热力过程压气机是一种将气体压缩增压的机械设备，常见的应用包括空气压缩机、汽轮机和涡轮增压器等。
压气机在工业生产中起着至关重要的作用，其热力过程主要包括吸入、压缩、排气和冷却等环节。
下面将详细讨论压气机的热力过程。
一、吸入过程压气机的吸入过程是指空气或气体通过进气口进入压气机的过程。
这个过程通常发生在大气压力下，空气在气缸内形成负压，从而使气缸内外压力差产生，空气会自动被吸入气缸。
在这个过程中，空气会受到大气压力和温度的影响，其状态方程为P1V1/T1=P2V2/T2，其中P1、T1分别为吸入前的大气压力和温度，P2、T2分别为压缩后的压力和温度。
二、压缩过程当空气被吸入气缸后，压气机开始进行压缩过程，使气体的压力和温度升高。
在这个过程中，压气机会通过活塞等运动部件产生压缩作用，将气体压缩至所需的压力水平。
压缩过程中，空气温度会急剧升高，压缩比的大小会影响压缩机的压力比功率。
三、排气过程压缩后的气体在排气过程中会被送出压缩机，以供后续使用或处理。
在这个过程中，气体的压力和温度会相应降低，同时会有一部分功率用于克服管道和其他系统的阻力损失。
排气过程通常会产生一定的能量损失，需要进行热力平衡计算和能量分析。
四、冷却过程在排气后，压缩机会对气体进行冷却处理，以减少气体的温度并提高设备的效率和稳定性。
压缩机通常会采用冷却器或冷凝器等设备对气体进行冷却，从而将气体的温度控制在合适的范围内。
冷却过程是压气机热力过程中不可或缺的环节，可以有效提高系统的性能和可靠性。
综上所述，压气机的热力过程主要包括吸入、压缩、排气和冷却四个环节，每一个环节都对压气机的性能和效率产生重要影响。
通过合理控制这些热力过程，可以有效提高压气机的工作效率和性能指标，从而更好地满足生产需求并保障设备运行的稳定性和可靠性。
希望这篇文章对您有所帮助。
热力学第08章压气机的热力过程解析
耗功大小与pa有关
令
pa
wC 0 p a
p1 p 2
pa p2 或 l h p1 p a
时
w C w C ,min
推广：若m级，
m
则： 1 2 m
p2 时 wC wC,min p1
讨பைடு நூலகம்：
1）按
i
m
p2 p1
选择各级中间压力，优点：
n 1 n 1 n n n n 1 p1V1 1 p V 4 4 n 1 n 1 n 1 n n p1 V1 V4 1 n 1
n 1 n n Ves p1 1 n 1
注意：压气机不是动力机 压气机中进行的是过程 不是循环
二.理论耗功
• 压缩过程耗功：
W1 2
1 2
pdV
2
压气机耗功：
WC p1V1 p d V p 2V2
1
V d p Wt
1
2
增压比：
1、绝热压缩
p2 p1
w C , s h2 s h1
p2 4.9 MPa T2 T1 290K 881.6 K p1 0.1 MPa T2 T1 (881.6 290) K T2act T1 881.6 K 986 K Cs 0.85
1
1.41 1.4
P P ' Ps 18 972.5 kJ/min 15 178 kJ/min 3 794.5 kJ/min 63.24 kW
例题2
' （4） T2 T1
第八章 压气机的热力过程
1
V1
V Wc
***p-V示功图与p-v压容图不同：后者的每一点都与1kg 工质的平衡态对应，而前者随着体积V的变化，工质的质 量变化。
Q≈?
图8-1 活塞式压气机示功图
p
P2 2T 2n 2s
•
•
两个极限的压气过程：即绝热压缩和等温压缩。
若过程进行极快而气缸散热较差，气体与外界换热 可以忽略，视为绝热压缩，如曲线1-2s所示。 若压缩过程进行得较慢，且气缸壁得到良好的冷却， 就接近于等温压缩，如曲线1-2T所示。 实际压缩过程是处于等温与绝热之间的多变压缩过 程（1<n<k），压缩过程有热量传出，气体温度也有 所升高。对单级活塞式压气机，通常n＝1.2～1.3。 等温压缩气体的终温及比体积比绝热压缩的终温及 比体积低。这对于安全（避免润滑油的烧结）及减 小储气筒的容积有益，因此，希望压缩过程尽量接 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， 很难实现等温压缩。
一、工作原理
f－1：进气过程； 1－2：压缩过程； 2－g：排气过程。
p
g P2 2
进气和排气过程f-1和2-g都不是热力过 f 程，气体的状态并不发生变化，只是缸 内气体数量发生变化。 H2 压缩过程1-2才是热力过程，气体的状 态发生了变化。 压缩过程的耗功用面积1-2-m-n-1表示 H
1
P1 V2 m n
8-3 多级压缩和级间冷却
多级压缩是把气体的压缩过程分
在两个或两个以上的气缸里依次 压缩，使气体的压力逐级上升。
定压冷却
中间冷却器
空 气 滤 清 冷却水 器
p2
p3
当气体在第一级气缸内被压缩到
工程热力学8压气机热力过程
有余隙容积压缩机示功图
压缩1kg 气体所消耗的功为： Wc,n
Wc,n m'
n
n 1
p1v1
1
(
p2 p1
)
n1 n
无余隙容积时，压缩1kg 气体所消耗的功为
：
Wc,n '
n n 1
p1v1 1 (
p2 p1
)
n1 n
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
p
3
2
解 单级多变压缩时排气温度为
T3
T1
(
p3 p1
)
n 1 n
290(
二、容积效率
余隙容积 clearance volume
产生原因： 布置进、排气结构 制造公差 部件热膨胀
1、有余隙容积存在时，对 Wc 的影响
Wc,n Wt,12 Wt,34
p
3
2
4
1
V
Vc
Vh V1-V4
有余隙容积压缩机示功图
n n 1
p1V11
(
p2 p1
)
n1 n
－
n
n
1
p4V4 1
第二节 单级活塞式压气机所消耗的机械功和容积效率
2
技术功
wt
1
vdp
压气机所需的功Wc，在 数值上等于压缩过程的
技术功。
2
WC p1V1 1 pdV p2V2
2
1 Vdp Wt
示功图 p-V 图所包围的面积表示压气机的耗功，可 以看出定温压缩耗功最少，排温最低，而绝热压缩所消耗 的机械功最大，排温最高。因此对压气机应加强冷却，不 仅减少耗功，而且保证润滑条件。
热工基础(机械)第8章
4―5：多变膨胀过程 （中速：n＝1.25－1.30；高速：n＝ 1.18－1.27）
5―0：排气过程 其中 5―1’为自由排气过程，接近定容过程； 1’―0：强制排气过程(接近定压)
实际循环为开式的不可逆循环, 进排气过程耗功。
2. 活塞式内燃机的理想循环图 简化方法:
3. 工作原理： 1—2：从蒸发器出来的干饱和蒸气在压缩机中定熵
压缩为过热蒸气；
2—3：过热蒸气在冷凝器中定压冷却为饱和液体；
3—4：饱和液体经节流阀绝热节流（不可逆），节
流后的工质 p↓、T↓ ； 4—1：制冷剂液体在蒸发器中定压吸热气化为干饱 和蒸气。 从而达到从低温吸热、向高温放热的目的。
二、制冷量、耗功量及制冷系数（均与焓有关）
作业：8.1，8.4，8.5，8.7（1冷吨=3.86 kW ）
第八章 热力循环
8－2 压气机循环
一、单级活塞式压气机的工作原理（理想工作过程）
二、压气机的耗功：
单级活塞式压气机一个循环的工作过程可分为吸 气、压缩、排气三个阶段（设均为可逆过程） 。 吸气过程中气缸吸入压力为 p1的气体，气体的质量 qm 和容积V 不断增加， 而气体的状态( p1 , v1 )不变， 相当于气体定压膨胀，该过程中系统作正功 p1V1； 压缩过程中气体的量不变，而气体的压力不断增加， 该过程中外界对系统作压缩功（负功）为：
煤气机—点燃式（现很少用）
• 按单循环冲程数分： 二冲程、四冲程 • 按进气压力分： 增压、非增压 • 按气缸布置分： 立式、卧式、V型、H型、星(X)型等
二、活塞式内燃机实际循环和理想循环
1. 实际循环工作过程（以四冲程混合加热循环柴油
第8章-压气机的热力过程
止推轴承
转子
支撑轴承
收缩器
进口导向叶片
机壳
扩压器
轴流式压气机结构示意图
离心式压气机结构示意图
出口扩压器 主轴 出气口 出口扩压器
离心式压气机结构示意图
进气室
扩压管
进气口
叶 轮 蜗壳
单级活塞式压气机结构示意图
单级活塞式压气机结构示意图
进气阀 空气滤清器
气 缸
活 塞
排气阀
a
1
v
p
一、工作原理
a－1：气体引入气缸
同14
a
1
v
p
一、工作原理
a－1：气体引入气缸
a
1
v
p
2
一、工作原理
a－1：气体引入气缸
a
1
v
p
2
一、工作原理
a－1：气体引入气缸 1－2：气体被压缩
同14
a
1
v
p
2
一、工作原理
a－1：气体引入气缸 1－2：气体被压缩
a
1
v
p
2
一、工作原理
a－1：气体引入气缸 1－降低了活塞排量的利
V3 V1 V3
是余隙与活塞排量的比值，称为余隙比，
通常为0.03～0.08。
p
2"
三、增压比对容积效率的影响
p2"
3'
2'
p2'
3
2
p2
4 4' 0 Ve V
1
p1
V
1 n V3 p2 V 1 1 p1 V1 V3
工程传热学-第八章压气机的压气过程
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：
(Ws )c
n n1
pV 11
1
p 2
p 1
n1 n
n n1
pV 44
1
p 3
p 4
n1 n
p1 p4
p2 p3 p1(V1 V4 ) p1Ve mRgT1
(Ws )c
n
n
1
mR
gT1
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
pv RgT
p
RgT
pV m RgT
N
RgT1
1
p3 p1
n1 n
1.25
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。
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。
《工程热力学》第八章 压气机的热力过程
n- 1
鼢鼢鼢鼢n
-
1-
n
n -
1
p4V 4
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-
鼢鼢鼢鼢n
1
-
1-
n
n -
1
p1V 4
轾犏犏骣p2 犏犏臌桫p1
n- 1
n
-1
=
n
n -
1
p1(V1
-
V4 ) 轾犏犏犏犏臌骣çççç桫pp12
n
p3 p2
n
2
f ( p2 )
wC 0 p2
p2
pHale Waihona Puke 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
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：
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
n -
工程热力学思考题答案,第八章
第八章压气机的热力过程1、利用人力打气筒为车胎打气时用湿布包裹气筒的下部，会发现打气时轻松了一点，工程上压气机缸常以水冷却或气缸上有肋片，为什么？答：因为气体在压缩时，以等温压缩最有利，其所消耗的功最小，而在人力打气时用湿布包裹气筒的下部或者在压气机的气缸用水冷却，都可以使压缩过程尽可能的234高，压力升高，不利于进一步压缩，且容易对压气机造成损伤，耗功大。
等温压缩压气机向外放热，工质的温度不变，相比于绝热压缩气体压力较低，有利于进一步压缩耗功小，所以等温压缩更为经济。
5、压气机所需要的功可从第一定律能量方程式导出，试导出定温、多变、绝热压缩压气机所需要的功，并用T-S图上面积表示其值。
答：由于压缩气体的生产过程包括气体的流入、压缩和输出，所以压气机耗功应以技术功计，一般用w c 表示，则w c =-w t由第一定律：q=△h+w t ，定温过程：由于T 不变，所以△h 等于零，既q=w t ，q=T △s ，21lnp p R s g =∆，则有 多变过程：w c =-w t =△h-q所以c w 6数n 7m2s 2’nm i=S T ∆0为图中的17nm1.8、如图8-13所示的压缩过程1-2，若是可逆的，则这一过程是什么过程？他与不可逆绝热压缩过程1-2的区别何在？两者之中哪一过程消耗的功大？大多少？图8-13答：若压缩过程1-2是可逆过程，则其为升温升压的吸热过程。
它与不可逆绝热过程的区别是：此过程没有不可逆因素的影响，在所有以1-2过程进行的压缩过程其耗功是最小的。
对于不可逆绝热压缩过程：q=△u+w，q=0，所以w=-△u，w c=△u可逆压缩过程1-2：q=△u+w，⎰=21Tdsq，所以⎰-∆=21Tdsuwc，所以不可逆绝热的耗功大，大了⎰21Tds。
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
第8章 压缩机的热力过程2016
5
概述
压气机:用来产生压缩气体的设备称为压气机。 压气机的分类: (1)按生产压缩气体的压力范围,可分为: 通风机（<0.01MPa表压) 鼓风机 (0.01MPa-0.3MPa表压) 压缩机 (>0.3MPa表压) (2)按构造和工作原理,可分为: 容积式(活塞、螺杆、涡旋) 叶轮式(离心、轴流)
C,T
wC,T w 'C
31
－为评价活塞式压气机性能优劣的指标
空气初态为p1= 0.1MPa、t1=20 ℃，经三级压缩， 压力达到12.5MPa。设进入各级气缸时的空气温 度相同，各级多变指数均为1.3，各级中间压力按 压气机耗功最小原则确定。若压气机每小时产出 压缩空气120kg，求： （1）各级排气温度及压气机的最小功率； （2）倘若改为单级压缩，多变指数n仍为1.3，压 气机耗功及排气温度是多少？
g
3
3’
e-1 低压气缸吸入气体
1-2 低压气缸内气体压缩过程 2-f 气体排出低压气缸 f-2 气体进入中间冷却器 2-2’气体在中间冷却器定压放热 2’-f 冷却后的气体排出中间冷却器 f-2’ 冷却后的气体进入高压气缸 2’-3 高压气缸中气体的压缩过程 3-g 气体压缩排出高压气缸
26
f
西安交大工程热力学 第八章 压气机的热力过程
n 1 p2 n n Wt p1V1 1 p1 n 1 n 1 p2 n n 3 1 p1 V 4 4 n 1 4 p1 热流中心
热流中心
5
热流中心
6
1
工程热力学
Engineering Thermodynamics
工程热力学
Engineering Thermodynamics
8-1 单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量
p g p2 2
目的：研究耗功，越少越好
指什么功
• f-1：吸气，m增加，状态不变 • 1-2：压缩，m不变，升压升温
T
p2
p1
2T 2n 2s
wcs wts
k p k 1 Rg T1[( 2 ) k 1] k 1 p1
p2
p1
2T 2n 2s
2s
2T 2n
p2 p1
1v
1
s
s
11
p wcT wtT Rg T1 ln 2 p1 wcT wcn wcs 工程上采用加气缸冷却水套、喷雾化水等措 2 施，使过程尽量接近于等温过程。另外一个 wc vdp wt 最小 重要启示 方法：多级压缩、级间冷却。 1
21pp1一定v?chvv??2和n一定21ppv?极限v0??1nv11????????????cv4121vv3v??p工程热力学engineeringthermodynamics热流中心18余隙容积vc对理论压气功的影响功面积12341设1?2和4?3两过程n相同12t111134441111nnnnnpwpvnppnpvnp????????????????????????????????????????面积12561面积4356423pp?14pp?2p1p1pv2311v3vv645cvp4工程热力学engineeringthermodynamics热流中心1912t11411????1nnnpwpvvnp?????????????????11gpv量耗功不影响mrt?121111nnnppvnp????????????????????1t2t1111nngwpnwrtmnp?????????????????????余隙对单位产气v2311v3vv645cvp1111nncgnwrtn???????????工程热力学engineeringthermodynamics热流中心2083多级压缩和级间冷却2p1p1t2n2s2pvctcncswww??n降低1v11n????????????工程热力学engineeringthermodynamics热流中心21多级压缩级间冷却储气罐冷却水高压缸低压缸进气口工程热力学engineeringthermodynamics热流中心22多级压缩级间冷却储气罐冷却水高压缸低压缸进气口123452p1ppv省功工程热力学engineeringthermodynamics热流中心23123452p1ppv省功ts1p2p4p123456工程热力学engineeringthermodynamics热流中心24ccclhwww??112cg1g311111nnnnaappnnwrtrtnpnp????????????????????????????????????????112g1121nnnnaappnrtnpp????????????????????????????耗功大小与中间压力pa有关理论耗功分析123452p1ppv省功1app有一个最佳增压比5工程热力学engineeringthermodynamics热流中心25c0awp???令21pp?pa??此时ccmin
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令
wc 0 时 p2
wc wc,min
p2 p1 p4
p2 p4 l = h p1 p2
推广：若N 级
wc wc,min
pN p终压 pN 1 p初压
p2 p3 1 2 N p1 p2
1 2
p N N 终压 时，wc wc,min p初压
p1
1
T
2T
2n
2s
p2
p1
1
v
s
二、 理论耗功
2T 2n 2s
1.绝热压缩—过程进行的非常快，产生 的热量来不及传出 1
wC,s
h2s h1 RgT1 1
1
2.等温压缩—压缩过程进行的非常慢， 或者冷却措施非常好，产生的热量可 以及时排出
1、等温压缩最省功； 2、出口温度最低，有利于设备安全； 3、出口比体积最小，有利于设备小型 化。
理想压缩过程是等温压缩
讨论：
b）通常为多变压缩, 1<n<κ
n
wCn T2 n v2 n
压气机工作过程改进方向：使工作过程尽可能接近等温压缩。
思考题：
自行车压力通常应维持在 0.25MPa 左右， 用手动打气筒向轮胎充气时用湿毛巾包在打 气筒外壁，会有什么后果？
p
VC
3
2 1
p1V mRT1
生产量(每周期)：
新气量 产气量 V3
4
V
V1
m生产量
V1 V4 V m1 m1 V1 V1
V
研究VC对产气量和耗功 的影响
一、余隙容积VC对生产量的影响
定义容积效率
V V1 V4 V3 V3 V Vh V1 V3
p VC
3
2 1
1 1 n 1 V 1 1 1 0.04 25 1 0.04
二级压缩
l h
p2 5 p1
1 0.04 5 1 0.706
1 1 2
V V ,lV ,h
8-2、余隙容积的影响
余隙容积：
活塞运行到上止点时，活
塞顶部与气缸盖间的空隙 容积。
布置进、排气结构，避免活塞与进排气阀碰撞 留有空隙
产生原因
制造公差 部件热膨胀
g
p 3
2
f
4 0 Vc V4
1 V1 V
1 2
2 压缩过程 3 排气，状态未变 4 残留气体膨胀 1 进新气，状态未变
3 4
余隙容积 VC V3 气缸排量 Vh V1 V3 有效吸气容积 V V1 V4
n 1 n p2 n Wt p1V1 1 n 1 p1
p 5 6
VC
3
2 1 V1
4 V3
V
V
n p 1 4V4 1 n 1
p2 3 p1 p 4
n 1 n
V1
V4 V3 V3 V4 1 1 1 V1 V3 V1 V3 V3
4 V3
V
令
VC Vh
V4 V3
余隙(容)比
V
工程上一般＝0.03~0.08
假设：压缩过程1-2和余隙容积 中气体的膨胀过程3-4均为多变 过程。
V 1 1
1 1 1 n n p p 3 2 n V 1 1 1 1 1 1 p4 p1
1 V n V 1 1 Vh
讨论：
1、虽然余隙容积对理论耗功无影响，但实际上由于余隙容积 会造成容积效率减小，使得生产相同质量气体所需要的活塞行 程增多（考虑摩擦阻力的存在，还是使实际耗功增大）或设备 体积增大。
2、余隙存在使 1）生产量下降 2）实际耗功增大或设备体积增大
可见余隙容积是有害容积。 减小余隙容积影响的两种方法： 1）设计时，尽可能减小余隙容积比； 2）使用时，尽可能减小压缩比。
讨论 容积效率 排气温度
单级压缩
25
0.525 0.716
0.801
T2=567.3K Ta=342.3K T2=493.8K
Ta=T2=411.1K
两级压缩
l 2、 h 12.5
两级压缩
l h 5
可见分级压缩，可以有效提高容积效率，同时减小排气温度； 而且按最佳中间压力设置的分级压缩方案地的效果最好。
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。 以p1=0.1MPa，p2=2.5MPa， =0.04 计算。 单级压缩
VC Vh
m生产量
V m1 m1V Vh / V1 V1
讨论： a) Vc，Vh 确定
V m生产量
极限 V 0
b) 一定
V m 生产量
二、余隙容积VC对理论耗功的影响
功＝面积12341
＝面积12561－面积43564
设12和3 4两过程n相同
wC,T RgT1 ln
3.多变压缩—居于上述两种极端情况之 间，工程上常见的压缩过程，都属于多 变过程
1 nn n wC,n RgT1 1 n 1
讨论：
a）wC,s wC,n wC,T
T2 s T2n T2T
v2s v2n v2T
分析并计算定量气体自相同的初态经不同途 径压缩到预定的终压时，压气机所耗的功; 探讨省功的途径。
8-1、单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量
一、工作原理
0-1：吸气过程，状态不变， 获得推动功p1v1 1-2：压缩过程，压力升高，
体积减小，耗外功
w12 pdv
1
2
2-3：排气过程，状态不变， 消耗推动功p2v2
若取 pa 0.2MPa
pa 0.2 MPa 2.5 MPa l 2、 h 12.5 p1 0.1 MPa 0.2 MPa
Ta T
n 1 n 1 l
342.3 K 69.3 C
T2 T
n 1 n 1 h
493.8 K 220.8 C
1 n V , L 1 l 1 0.970 V V ,LV ,H 0.716
1）省功 2）降低了排气温度 3）级数N
即为等温压缩过程
注意：起到省功作用的是中间冷却，没有中
间冷却的多级压缩不能省功。
省功大小与中间压力p2有关 存在一个最佳中间压力， 使得分级压缩省功最多，
即压缩机耗功最小。
问题：中间压力应如何确定？
2.最佳中间压力的分析
每生产1 kg压缩气体：wC
wC,l wC,h
p2 增压比： p1
目的：分析耗功、探讨省功途径 指什么功
压缩过程耗功
W1 2 pdV
1 2
压气机耗功
Q H Wt
WC Wt
Wt Vdp
1 2
压气机耗功：
WC p2V2 p1V1 pdV
1
2
Vdp Wt
1
2
wC取决于初、终态压力及过程特征， 过程不同，压缩机耗功也不同。
n qi cn T cV T n 1
q中，i h cp T
2）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。
3）定温效率(isothermal efficiency)
C,T
等温压缩过程耗功 wC,T 实际压缩过程耗功 wC
理想气体热力过程的p-v,T-s图
p T
p
nk
s v
T
s
n0
n0
n 1
1 n k
T p
n
nk
n 1
n
v
s
可能的压气过程
s nk (2)特别慢，热全散走 T n 1 (3)实际压气过程 n 1 n k
(1)特别快，来不及换热
p 2 T 2 n 2s p2
第八章 压气机的热力过程
8－0 概述
基本内容
8－1 活塞式压气机的工作原理和理论耗功量
8－2 余隙容积的影响
8－3 多级压缩、中间冷却
8－4 叶轮式压气机工作原理
8-0、概述
1. 压气机
用来提高气体压力的设备称为压气机。
生活中：自行车打气、吹风机。 工业中：
制 电 汽 冷：压缩机 厂：锅炉供风 车：车闸，气动开、关门
p2 p3
p1 p4
n 1 n p2 n VC Wt p1 (V1 V4 ) 1 p1 p n 1 3 5
2
n 1 n p2 n p1V 1 p1 1 6 n 1 4 V n 1 n p2 Wt n V1 V V3 wt RgT1 1 p1 m n 1 n 1 余隙对单位产气 p1V mRgT1 n n wc RgT1 1 量耗功不影响 n 1
n 1 n 1 n n p p n n wc RgT1 2 1 RgT3 4 1 p3 p1 n 1 n 1