压气机的热力过程概述和工作原理

二、余隙容积VC对理论耗功的影响
功＝面积12341 ＝面积12561－面积43564
p 5
VC
3
2
设12和3 4两过程n相同
6
Wt
n n 1
p1V1
1
p2 p1
n1 n
4 V3
1 V
V1 V
n n 1
p14V4
1
p23 pp14
n1
n
p2 p3 p1 p4
Wt
n n 1
理想气体热力过程的p-v,T-s图
pT s v
T
sv
n0
p
n0 T
n 1
n 1
1 n k
p
nk
n
nvBiblioteka nk s可能的压气过程
(1)特别快，来不及换热 s n k
(2)特别慢，热全散走 T n 1 (3)实际压气过程 n 1 n k
p
p2
2T
2n
2s
p1
T
2n 2T
1 v
2s p2
p1
1 s
二、 理论耗功
以p1=0.1MPa，p2=2.5MPa， =0.04 计算。
单级压缩 二级压缩
1
1
V 1 n 1 1 0.04 251 1 0.04
l h
p2 5 p1
1 2
V V ,l V ,h 1 0.04 51 1 0.706
例题1
活塞式压气机把0.1MPa，298K的空气加压到2.5MPa。 试
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。
工程上需要高压气体，但压缩过程中随p升高，T 升高， 耗功增大。为此采取：
二、理论耗功分析
n
p
n
1
2
3
4
低压缸 中冷器 高压缸
1.定性分析
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。
n n 1 RgT1
n1 n
1
讨论：
a）wC,s wC,n wC,T
T2s T2n T2T v2s v2n v2T
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
wCn
n T2n
V
1
V4
V3
1
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
p3 p4
1
n
1
1
p2 p1
1
n
1
1
1 n
1
V
V Vh
1
1
n
1
VC
Vh
m生产量
V m1 V1
m1VVh
/ 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
i
n1 n
1
，c
c,i
有利于曲轴平衡。
n 1
b）各缸终温相同
T2 T1 i n
有利于润滑油工作，使可靠性增加。
c）各级散热相同
qi
cnT
n
n 1
cV T
d）各中冷器散热相等 q中，i h cpT
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)
v2n
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？
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。
产生原因
布置进、排气结构，避免活塞与进排气阀碰撞 留有空隙
1
V ,H
1
n h
1
0.738
V V ,L V ,H 0.716
若取
pa 0.5MPa
l h
p2 2.5MPa 5 p1 0.1MPa
n1
Ta T2 T1 l n 411.1 K 138.1 oC
1
V ,L
V ,H
1
n l
1
0.895
V V ,L V ,H 0.801
8-4 叶轮式压气机工作原理和理论耗功量
轴流式压气机 axial-flow compressor
一、简介
离心式压气机 centrifugal compressor
叶轮式压气机(turbo-compressor) ： 原理：入口初步加速、导向叶片扩压、叶片加速，再扩压，
…逐级升压 优点：转速高；吸、排气过程连续，运转平稳；排气量大，没有余隙影响； 缺点：每级压比不高。
l
p2 p1
p4 p2
= h
wc wc,min
推广：若N 级
1 2 L
N
p2 p1
p3 L p2
pN p终压 pN 1 p初压
1 2 L
N
N
p终压 p初压
时，wc wc,min
讨论
1）按 i N
p终压 p初压
选择各级中间压力，优点：
a）各级耗功相等
w Nw wc，i
n
n 1
RgT1
实际耗功 wC ' h2 ' h1
1
绝热效率
CS
wCs wC '
h2s h1 h2 ' h1
理想气体
Cs
T2s T1 T2 ' T1
T2
'
T1
T2s
Cs
T1
p2 p1
s
2I T0S
理论耗功 wC,s h2s h1
实际耗功 wC ' h2 ' h1
实际多耗功 wC h2 ' h2s 面积mn2 ' 2s m 实际多消耗的功，并不等于有效能损失。
例题2
叶轮式压缩机，氮气进口参数p1 = 0.0972MPa，t1= 20℃， 出口 压力p2 = 311.11kPa，进口处氮气流量 qV 113.3m3 / min 。
压气机绝热效率C,s= 0.80，略去进出口动能差和位能差，
求： 1）压气机定熵压缩的耗功量; 2）实际耗功量; 3）由于不可逆而多耗功wt; 4）作功能力损失I。t0=20 ℃ 。
讨论
单级压缩
25
两级压缩
l 2、 h 12.5
两级压缩
l h 5
容积效率 0.525 0.716 0.801
排气温度 T2=567.3K
Ta=342.3K T2=493.8K Ta=T2=411.1K
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。
已知氮气：
cp 1.038 kJ/(kg K) Rg 0.297 kJ/(kg K)
1.4
1）压气机定熵压缩的耗功量
解：
1
1.41
T2
T1
p2 p1
311.11 kPa 1.4
(20 273.15) K
97.2 kPa
408.5 K
v1
RgT1 p1
297
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
2
w12 1 pdv
2-3：排气过程，状态不变， 消耗推动功p2v2
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
wC,s
h2 s
h1
1
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
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
wC,n
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。
8-3、多级压缩和级间冷却
一、 减少压气机耗功的几种方法
1）夹层冷却（外部冷却） 2）喷水冷却（内部冷却） 3）多级压缩，中间冷却
J/(kg K)293 97.2 kPa
K 0.895
m3/kg
qm
qV v1
113.3 m3/min 0.895 m3/kg
126.6
kg / min
Ps qmcp t1 t2 126.6 kg/min 1.038 kJ/(kg K) 293 408.5 oC
15 178 kJ/min 252.97 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
令
VC
Vh
余隙(容)比
V3
V1 V
工程上一般＝0.03~0.08
压气机的热力过程 概述和工作原理
基本内容
8－0 概述 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 冷：压缩机 电 厂：锅炉供风 汽 车：车闸，气动开、关门 涡轮机：空气压缩
p1 (V1
V4
)
1
p2 p1
n1 n
p 5
VC
3
2
n1
n n 1
p1V
1
p2 p1
n
6
1 4V
wt
Wt m
n
n
1
RgT1
1
p2 p1
n1 n
wc
n n 1 RgT1
n1 n
1
V3
V1 V
余量隙p耗1V对功单不m位影R产g响T1气
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）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
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
n1
n1
wc
n
n
1
RgT1
p2 p1
n
1
n
n
1
RgT3
p4 p3
n
1
n1
n1
n
n
1
RgT1
p2 p1
n
p4 p2
n
2
令
wc 0 p2
时
wc wc,min
p2 p1 p4
轴流式压气机
离心式压气机
二、叶轮式压气机热力学分析
由于排量大，运转快，难冷却，可作绝热压缩考虑。
绝热压缩过程
wc
2
1 vdp wt
理论耗功 wC,s h2s h1
q h wt T2'
T
T2 s
然而，由于流速高，摩擦的影响不可忽略， 因此其压缩过程是不可逆过程，引入压气机 绝热效率：
2.压气机分类
1)工作原理 及构造
活塞式 叶轮式
活塞式—压力高，流量小， 间隙生产 叶轮式—压力低，流量大， 连续生产
2)压力范围
通风机 —表压0.01MPa以下 鼓风机 —表压0.1~0.3MPa 压缩机 —表压0.3MPa 以上
空分、空气制冷
压缩蒸汽制冷
工业通风机、鼓风机
3.压气机热力分析的任务
制造公差
部件热膨胀
p 32 g
f
1
4
1 2 压缩过程 2 3 排气，状态未变
0 Vc V4
V1 V
3 4 残留气体膨胀 4 1 进新气，状态未变
余隙容积 VC V3
p
气缸排量 Vh V1 V3
VC
有效吸气容积 V V1 V4
p1V mRT1
生产量(每周期)：
新气量 产气量
m生产量
V m1 V1
增压比： p2
p1
目的：分析耗功、探讨省功途径 指什么功
压缩过程耗功
W12 pdV 1 2
压气机耗功
Q H Wt
WC Wt
2
Wt Vdp 1
压气机耗功：
2
WC p2V2 p1V1 1 pdV
2
1 Vdp Wt
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。
分别按单级压缩和二级压缩，中间冷却，计算压气机容积效率
及各缸终温。已知 Vc 0.04 n 1.25
解：单级压缩
Vh
1.251
T2
T1
n1 n
298K
2.5 0.1
MPa MPa
1.25
567.3 K 294.3 oC
V
1
1
n
1
1
0.04
2.5 0.1
MPa MPa
1
1.25