第四章矿山空气压缩设备

Nj 1n 0 jL 0 i60 0 n 1A j0 im p0 m 6V 0 0kW
L ji —第I级气缸在一个实际工作循环中所消耗的指示功。
Lji AjimpmV
理论功率与指示功率之比，叫做指示效率 j
j
Nl Nj
等温 j 为0.72～0.8；绝热
j 为0.9～0.94。
四、空压机的排气量和供气效率
W y
＝ V2 pdV ＝ V1 pdV
V1
V2
其压缩规律为等温、绝热、 多变三种情况。
二、一级活塞式空压机的工作循环
（一）一级活塞式空压机的理论工作循环
1)按等温规律压缩
压缩功：
Wy 2.30p31V1l
gp2 p1
终了温度：
T2＝T1＝T＝常数
二、一级活塞式空压机的工作循环
（一）一级活塞式空压机的理论工作循环
1)按绝热规律压缩
压缩功：
k1
Wjy k11p1V1pp12 k
1
式中 k——绝热指数，k=1.4。
终了温度：
k1
T2
T1
p2 p1
k
k1
T1 k
二、一级活塞式空压机的工作循环
（一）一级活塞式空压机的理论工作循环
1)按多变规律压缩
压缩功：
n1
Wdy n11p1V1pp12 n
1
式中 n—多变指数，在冷却条件较好时，l<n<k。
T2
T1 (
p2 p1
n 1
)n
得：
(T2
)
n n 1
T1
三、活塞式空压机的两级压缩
2、压缩比受气缸润滑油温的限制 （2）单级压缩的极限压缩比
取吸气温度：T1=273+20=293K 极限排气温度：T2=273+190=463K 取n=K=1.4
(463)11.4.41 4.96
293
因此大型空压机的压缩比，一般限制在5左右， 当需要压力较高时，一般采用两级或多级压缩。
Wp p2V2
4．理论循环功
WW xW yW p
二、一级活塞式空压机的工作循环
（一）一级活塞式空压机的理论工作循环 按等温规律压缩时循环总功：
W p 1 V 1p 1 V 1ln p p 1 2p 2 V 2p 1 V 1ln p p 1 2
按绝热规律压缩时循环总功：
Wp1V1
1
K1p1V1(
p2 p1
综上所述，空压机实际工作循环主要受余隙容 积，吸、排气阻力，吸气温度，漏气和空气湿度等 因素的影响。除余隙容积外，其余因素都将使空压 机的循环功增加，且所有因素都使排气量减少。
四、空压机的排气量和供气效率
（一）排气量的计算 排气量是指空压机最末一级排气端在单位时间
内所排出的气体体积，然后再换算到第1级的进气压 力和温度时的气体体积值，
的经济性优劣的重要指标。
三、活塞式空压机的两级压缩
（一）采用两级压缩的原因 1、压缩比受余隙容积的限制
三、活塞式空压机的两级压缩
2、压缩比受气缸润滑油温的限制 （1）限制油温的原因
《煤矿安全规程》第404条规定：“单缸空 气压缩机的排气温度不得超过190℃，双缸不得 超过160℃。”
（2）单级压缩的极限压缩比
W Xp1A Lp1V 1
吸气线O-1下的面积 011/O/可以表示吸气功。
二、一级活塞式空压机的工作循环
（一）一级活塞式空压机的理论工作循环 2、压缩过程
当活塞返回行程时，吸气阀呈封闭状态，
空压机进入压缩过程，随着活塞向左移动，
气缸的容积不断减小，气体压力逐渐升高。
此时属于热力过程，压缩过程的功为
第四章矿山空气压缩设备
第4章 矿山空气压缩设备
§4—1 概 述 一、空气压缩机的用途
现代企业中，使用压缩气体的机愈来愈多，例 如：化工、石油、冶金、轻工、纺织及采矿等，许 多工业中无不广泛使用各种各类的气体压缩机。因 此，气体压缩机是近代工业生产中不可缺少的通用 机械。
一、空气压缩机的用途
压缩空气一直是矿山所采用的原动力之一，用 以带动凿岩机、风镐及其它风动机械工作。由于像 凿岩机这类风动工具的冲击力强，适用于钻削坚硬 的岩石，而且风动工具结构简单、重量轻、操作方 便，尤其在有瓦斯和煤层爆炸危险的矿井里，使用 这种动力比电力安全。虽然整个气力系统（包括压 缩空气的生产和输送，以及在风动机具中的使用） 的效率很低，成本较高，但目前矿山采掘工作，仍 然普遍采用风动工具来凿岩和落煤。
所以，等温压缩的循环功最小，压缩终了温度
最低。
二、一级活塞式空压机的工作循环
（一）一级活塞式空压机的实际工作循环
1、实际工作循环图
实际工作循环和理论工作循环区别：
1)比理论工作循环多一个膨胀
过程。
2)吸气线低于理论吸气线，排
气线高于理论排气线，且实际
的吸、排气线呈波浪状，在吸、
k
排气的起始处有凸峰。
K1
)K
1
p2V2
K K1p1V1(
p2 p1
K1
)K
1
二、一级活塞式空压机的工作循环
（一）一级活塞式空压机的理论工作循环
按多变规律压缩时循环总功：
Wp1V1
1 n1p1V1(
p2 p1
n1
)n
1
p2V2
nn1p1V1(
p2 p1
n1
)n
1
三种压缩比较：
W等温 W多变 W绝热 Tjr TdbTdw
3.轴功率Ｎ 轴功率是指原动机传递给空压机主轴的功率。
N Nj m
式中 m ——机械效率，小型空压机 m0.85~0.9
对于大、中型空压机 m0.9~0.95
理论功率与轴功率的比值，叫做空压机的工作
效率或全效率，即
Nl Nl
N Nj
Nj N
jm
全效率是衡量空压机本身经济性的一个重要指标。
四、空压机的排气量和供气效率
终了温度：
n1
T2
T1
p2 p1
n
n1
T1 n
二、一级活塞式空压机的工作循环
（一）一级活塞式空压机的理论工作循环 3．排气过程
在压缩过程终了，气体压力达到排气压力时，排 气阀打开，空压机进入排气过程。依据假设条件，排 气时气体压力不变，在示功图上用一水平直线2-3表 示排气压力与容积的变化规律，线下的面积230/4表 示排气功。
§4-3 活塞式空压机的结构
3－3
§ 4－2 空压机的工作循环
一、热力学基本参数
用压力ｐ、比容 v 、温度Ｔ来描述气体所处 的状态，所以称ｐ、v、Ｔ为气体的状态参数。
1、压力ｐ：容器内气体分子对器壁单位面积上的
垂直作用力，指的是气体的绝对压力。
2、比容：单位质量的气体所占有的容积。
v V
m3 / kg
M
3、温度Ｔ：温度是标志物体的冷热程度。
3)压缩线l—2与绝热压缩线
1/—2/相交于ｋ点，线段l—k比
1/—2/陡，而线段k—2比1/—2/
缓。可见，实际的压缩指数n在
整个压缩过程中是变化的。
4－5
三、影响空压机实际工作循环的因素分析
1.余隙容积的影响
余隙容积是排气终了时，未排净的剩余压气所 占有的容积。它是由活塞处 于外止点时，活塞外端面与
空气压缩设备是指压缩和输送气体的整套设备。 包括空气压缩机（简称空压机）、输气管路和附属 设备。
二、矿山空压机站的组成
矿山空压机站主要包括：空压机、电动机 及电控设备、中使用的压缩机种类很多，按其结构型 式不同，分类如下：
三、空压机的分类
目前矿山最广泛使用的是低压（p≤106Pa）活塞 式压缩机，近年来螺杆式和滑片式压缩机的使用也逐 渐增多。常见的活塞式压缩机有以下几种：
1、按气缸中心线的相对位置分：有立式、卧式、角 式（可分为V型、L型、W型）三种。
2、按压缩级数分：有单级、双级、多级三种。 3、按活塞往复一次作用次数分：有单作用、双作用 4、按冷却方式分：有水冷式、风冷式。
三、空压机的分类
四、活塞式空压机的工作原理
1、吸气过程；2、压缩过程；3、排气过程；4、膨胀过程
压缩比的分配原则是使空压机循环总功为最小，
即最省功。按最省功所取的中间压力，称为最有利
的中间压力。 一级压缩循环总功
n1
L
nn1p1V1
p2 p1
n
1
两级空压机的总循环功
n 1
n 1
LL 1L 2nn 1p1 V 1 p p1 z n
1 nn 1pzV z p p2 z n
耗,两级压缩比应相等,并等于总压缩比的平方根。
然而在实际设计时，压缩比的分配除考虑最省功 原则外，还要根据排气量、温度等因素作适当调整。 通常，为了增加排气量而又不使气缸尺寸过大，往往 使第一级压缩比较第二级约低(5～10)％，即
1(0.9~0.9)5
三、活塞式空压机的两级压缩
（四）两级活塞式空压机的实际工作循环
Tt273 K
二、一级活塞式空压机的工作循环
（一）一级活塞式空压机的理论工作循环 几点假设： 1）无余隙容积； 2）在整个吸气过程，气缸内空气的状态保持不变并 与周围大气状态相同； 3）在整个排气过程，气缸内空气的状态保持不变并 与风包中的空气状态相同； 4）气缸不漏气，气阀、吸排气管道无阻力； 5）压缩过程为等温过程、绝热过程或多变过程，但 压缩指数保持不变。
1
三、活塞式空压机的两级压缩
（三）压缩比的分配
若 T1 Tz
n1
n1
Lnn1p1V1pp1z n
pp2z n
2
取 dL 0
dp z
经推导可得：
pz2 p1p2 或
pz p2 p1 p z
即 1 2
三、活塞式空压机的两级压缩
（三）压缩比的分配
即
1 2
p2 p1
由此可知,在两级压缩的空压机中,为获取最小功
三、活塞式空压机的两级压缩 （二）两级压缩的工作系统
4－6
4－7
三、活塞式空压机的两级压缩
（三）两级压缩的优点 1、节省功耗； 2、降低排气温度； 3、提高空压机的排气量； 4、可以降低活塞力； 5、中间冷却器可以分离一部分油和水，提高压气 的质量。
三、活塞式空压机的两级压缩
（三）压缩比的分配
在上述假设条件下，空压机的工作循环称为理论 工作循环。它由吸气、压缩和排气三个基本过程组成， 只有压缩过程是热力过程。
理 论 工 作 循 环 示 功 图
3－4
二、一级活塞式空压机的工作循环
（一）一级活塞式空压机的理论工作循环 1、吸气过程
吸气阀开启，吸气管中的气体以 p1 的压力进入
气缸，依据假设条件，吸气压力不变，在示功图上 吸气过程为一水平直线0—l，0—1线表示吸气过程 中压力与容积的变化规律。
4.漏气的影响
漏气使空压机无用功耗增加；也使实际排气量 减少。
三、影响空压机实际工作循环的因素分析
5.空气湿度的影响 含有水蒸汽的空气称为湿空气。 同温同压下，湿空气的气体密度小于干空气，
且湿度越大，气体密度越小。这样，和吸入干空气 相比，空压机吸入空气的湿度越大，以质量计的排 气量就越小。这既减少了空压机的实际排气量，又 增加了功耗。
压力，需进行预压缩，相
当于空压机的有效吸气容
k
积减小，即使空压机的排
气量减小。
由于吸、排气过程阻
力的影响，使压缩相同体
积气体的循环功增加。
4－5
三、影响空压机实际工作循环的因素分析
3.吸气温度的影响 在吸气过程中，由于吸入气缸的气体的温度较
低，而缸内残留压气、缸壁和活塞温度较高，使吸 入气缸内的空气的温度升高，从而降低吸入空气的 密度，减少了空压机以质量计算的排气量。吸气温 度的升高，对压缩质量为1kg的空气所需的循环功 增大。
1.理论排气量 Q l 理论排气量是指单位时间内活塞从外止点到
内止点所扫过的容积 1)单作用空压机的理论排气量：
Ql nVg 4D2an m3 / min
2)双作用空压机的理论排气量：
Ql 42D2d2 an m3 / min
四、空压机的排气量和供气效率
2.实际排气量 Q p
Qp Ql
m3 / min
4.电动机功率 N d
Nd
(1.05~1.15) N c
kW
式中 1.05～1.15——功率储备系数；
c ——传动效率。皮带传动 c 0.96~0.99
直接传动
5.比功率 N b
c 1
指在一定的排气压力下，压缩1m3空气所消耗的功率
Nb
N Qp
kW minm/3
比功率是评价工作条件相同，介质相同的空压机
气缸盖之间的容积和气缸与 气阀连接通道的容积所组成。
余隙容积的存在，减
k
少了空压机的排气量。但
是对压缩1空气的循环功没
有影响，而且它的存在能
够避免曲柄连杆机构受热
膨胀时，活塞撞击气缸盖
而引起事故。
4－5
三、影响空压机实际工作循环的因素分析
2.吸、排气阻力的影响
由于吸气压力低于理
论吸气压力，欲达到理论
式中 ——排气系数，其值小于1，对于L型空压
机λ=0.72~0.82。
（二）功率和效率的计算
1.理论功率 N l
理论功率是指空压机按理论工作循环所消耗 的功率。
Nl Nli
LVQ i l 100600
kW
四、空压机的排气量和供气效率
2.指示功率 N j 指示功率是指空压机按实际工作循环所消耗的功率