《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 -
1
p1V1
轾犏犏犏犏臌骣珑珑珑珑桫pp12
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；
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。
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。
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
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。
理想压缩过程
定压线
定熵压缩过程1－2s
wC h2s h1 Aj2T 2s m
实际压缩过程
不可逆绝热压缩1－2’
wC h2 h1 Aj2T2n
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。
容积效率：
hV
=
有效吸气容量 气缸排量
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
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
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
n- 1
÷÷÷÷ n
-
1
=
n
n -
1
p1V
轾n- 1 犏犏p n 臌
1
=
n
n -
1 mRgT1
轾n- 1 犏犏p n 臌
-
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
-
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。
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
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
wC' wC
设两级压缩的多变指数相
同，且 T2 T1
wC wC,L wC,H
n n 1
RgT1
p2 p1
n1
n
1
n n 1
RgT2
p3 p2
n1
n
1
n1
n1
n
n
1
RgT1
p2 p1
n
p3 p2
n
2
希望最小
最佳增压比
n1
n1
wC
n
n
1
RgT1
p2 p1
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
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
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。
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
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 低压缸
2 中冷器
2’ 高压缸
3
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'
1
p2 p1
k 1 k
（2）可逆多变压缩
wC,n wt,n
n
n
1
RgT1
1
p2 p1
n1 n
（3）可逆定温压缩
wC,T wt,T
RgT1
ln
v2 v1
RgT1 ln
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
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
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)
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
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 k 1 RgT1
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：
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
w
¢
C
= T2S - T1 T2¢ - T1
=
V Vh
V1 V1
V4 V3
V1
V3 (V4 V1 V3
V3 )
1 V4 V1
V3 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
n
1 1
1
n
1
V
1 Vc Vh