第09章 压气机的热力过程
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
工程热力学第章 压气机热力过程
工程热力学第章压气机热力过程压气机简介压气机是一种能够将气体压缩到一定压力的机械设备，以提高气体的密度，降低气体体积，增加气体的能量密度。
压气机广泛应用于工业、航空、航天、能源等领域，其热力过程是压气机运行过程中最为关键和复杂的部分之一。
压气机的热力过程是指在压气机运行过程中所涉及的热力学性质和过程，包括压缩过程、加热过程、冷却过程等。
这些过程对于压气机的工作效率、能量损失等方面均有重要影响，因此对于研究和了解压气机的热力过程具有十分重要的意义。
压缩过程及其热力学特性压气机的压缩过程是指将气体从低压缩到高压的过程，这个过程中，气体被压缩，气体能量被转换为压缩机的机械能。
在压缩过程中，混合气体中的温度也会相应地上升，因此需要进行冷却和加热来控制温度。
在压缩过程中，气体的压力和温度随着时间的推移而变化，可以用热力学基本公式进行分析。
对于多级压缩机系统，每一级的压缩过程都会产生一定的温度升高和熵增，因此需要进行冷却，以避免温度升高过快和热损失。
加热过程及其热力学特性压气机的加热过程是指在压缩过程中，由于气体被压缩，使得气体的温度升高，这个过程中，需要将气体冷却至温度不致过高。
在加热过程中，气体通过加热流程，将气体热量转换为机械能。
在压缩过程中，加热的温度也是相对较高的，它需要在多级压缩机系统中进行非常复杂和严密的控制。
在实际的生产和应用中，可以通过改变加热温度、空气流量等多个参数来控制加热过程。
冷却过程及其热力学特性冷却是压缩机系统中非常重要的一个环节，它可以有效降低气体的温度，提高压缩机效率。
一般情况下，采用多级压缩机系统，同时进行冷却和加热的过程。
冷却的过程可以通过多种方式来实现，比如自然冷却、水冷却、空气冷却等。
其中空气冷却是一种比较常见的方式，它可以通过强制通风等方式来实现，从而将气体的温度降低到合理水平。
，压气机的热力过程是压缩机系统中非常重要的一部分，它涉及到气体的压缩、加热和冷却等多个方面，同时需要进行严密的控制和协调，以达到最佳的效果和效率。
工程热力学(第三版)习题答案全解可打印第九章
π
pV 400 ∴ q m = 400 × 1 es = × R g T1 60
可逆定温功压缩功率为：
Wc ,T = − p1V1 ln =−
p2 p1
400 8 π × 0.1 × 10 6 × 0.786 × × 0.3 2 × 0.2 × ln = 15.4 × 10 3 J = 15.4kW s 60 4 1
n = 3× p1 v1 (π n −1 t1 = 20°C
n −1 n
p4 12.5 =3 =5 p1 0 .1
（1） wc = 3wc , L
Q p1 = 0.1MPa
− 1) ∴v =
1 1.3−1 1.3
R g T1 p1
=
287 × 293.15 0.1× 10
6
= 0.8413 m
3
kg kg
− 1] =
1.4 × 0.1× 10 6 × 140 × [6 1.4 − 1
1.4 −1 1.4
− 1] = 327.9 × 10 5 J
h
327.9 ×10 5 = 9108.3W = 9.11KW 3600 p n p1V1 [( 2 ) n −1 p1
n −1 n
（3）多变压缩
Wt , n = Nn = − 1] = 1 .2 × 0.1×10 6 × 140 × [6 1 .2 − 1
V h = 0.009m 3
π =7
1 n
σ = 0.06
1 n
n = 1.3
1
（1） η v = 1 −
Vc (π Vh
− 1) = 1 − σ (π
− 1) = 1 − 0.06 × (7 1.3 − 1) = 0.792
第九章压气机的热力过程详解
在T—S图上可见， 等温压缩不仅耗功少，而且终温低，故气体 压缩应尽可能在等温条件下进行（压缩终 温低可避免润滑油的烧结）。
3 例1：理想的活塞式压气机吸 入 p1 0.1MPa, t1 20℃空气 1000 m h
并将其压到
p2 0.6MPa,设压缩指数为n=1,n=1.25,n=k=1.4
理论压气功(可逆过程)
v
可能的压气过程
(1)、特别快，来不及换热。 s (2)、特别慢，热全散走。 T (3)、实际压气过程是
nk n 1 1 n k
2s
n
T
2T
p 2 2 2 n T s p2
p1
1
p2
p1
2n
1
v
s
定熵过程→压气过程进行快，来不及与外界进行 热交换； 定温过程→有冷却，或压气过程进行的较慢，与 外界有充分的热交换； 多变过程→一般压气过程； 实际的压气过程为介于绝热和定温两过程之间的 多变过程：
wnet ,t , R wnet , I
——等温效率
为可逆等温压缩的耗功与不可逆放热压缩的耗功之比。 等温效率用于评价活塞式压气机性能的主要参数。
例2 压气机压缩空气，初态
p1 0.1MPa 3 v 0 . 052 m 1 0 t 40 C 1
3
可逆多变压缩至 p2 0.565MPa, v2 0.013m 然后排出，求：多变指数、压缩终温、压 缩 过程与外界交换的热量和功量 分析： pv m 0.058kg ①气缸中空气质量 RT
⑤气体与外界交换的容积功
m R w (T1 T2 ) 8.58kJ n 1
⑥压气机消耗轴功
wt n w 1.25 (8.58) 10.7kJ
压气机的热力过程
第九章 压气机地热力过程 一、目地及要求了解压气机地热力过程,掌握压气机地理论耗功地计算方法；掌握余隙容积对理论耗功及生产量地影响；掌握多级压缩、级间冷却地原理及用途. 二、内容：9.1 单级活塞式压气机地工作原理和理论耗功量 9.2 余隙容积地影响 9.3 多级压缩和级间冷却 9.4叶轮式压气机地工作原理三、重点及难点：9.1 掌握活塞式压气机和叶轮式压气机地工作原理.9.2 掌握不同压缩过程（绝热、定温、多变）状态参数地变化规律、耗功地计算,以及压气机耗功地计算.9.3 了解多级压缩、级间冷却地工作情况.了解余隙容积对活塞式压气机工作地影响. 四、主要外语词汇：Compressor, Multi-Level Compression, Inter-cooling, I impaired volume 五、本章节采用多媒体课件 六、复习思考题及作业：思考题： 1、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？2、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？3、压气机所需要地功也可以由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地功,并用T-s 图上面积表示其值. 作业：9－2,9－4,9－5,9－7第九章 压气机地热力过程压气机是用来压缩气体地耗能设备,而不是动力机.压气机地用途很广泛,由于使用场合及工作压力范围不同,压气机地结构型式及工作原理也有很大差异.按工作原理及构造压气机可分为：⎪⎩⎪⎨⎧引射式压气机心式叶轮式压气机 离复式活塞式压气机 往按其产生压缩气体地压力范围⎪⎩⎪⎨⎧表压以上）压气机 （表压）～鼓风机 （表压以下）通风机 （MPa MPa MPa 3.03.01.001.0 活塞式压气机和叶轮式压气机在结构上及工作原理上不同,但从热力学观点来看,气体状态变化过程并没有本质地不同,都是消耗外功,使气体压缩升压地过程.在正常工况下均可视为稳定流动.因此,本章以活塞式压气机为例来分析压缩气体生产过程地热力特征.§9－1 单级活塞式压气机地工作原理和理念耗功量1、工作原理活塞式压气机由进气、压缩、排气三个过程组成,其中进气和排气过程不是热力过程,只是气体地迁移过程,缸内气体数量发生变化,而热力学状态不变.从右图中可看出, a －1及2－b 为引入和输出气缸,1－2为气体在压气机中进行压缩地热力过程.在此过程中,压气机中气体数量不变,而气体状态方程变,压缩过程地耗功可由右图中过程线1－2及v 轴所围地面积所示.在压气中可分为两种极限情况和一种实际情况：一、绝热过程：当压缩过程快,且气缸散热较差时,可视为绝热过程.二、等温过程：当压缩过程十分缓慢,且气缸散热条件良好时,可视为等温过程. 三、界于两者之间地实际过程. 在p-v 及T-s 图上可表示为：2、压气机地理论耗功用c w 表示压气机地耗功： 由热力学第一定律t w Δh q +=得： h q -w w t c ∆+==)(-根据第四章地内容,对1所述三种过程（定熵、定温及多变过程）,若为定值比热容,则有：（1）定熵过程：（s t-j-n-s-w c 222面积=）1])[(1)(1)(1)(112111221212-p p RgT k-kv -p v p k-k -RgT RgT k-k -T T c h -w w k k-p t,s c,s ====∆== （2）定温过程：（t t-j-n-i-w c 22面积=）121121121111ln ln ln v v -RgT p p RgT p p v p dp p v p vdp -q -w w t,T c,T =======⎰⎰ （3）可逆多变过程：（n -T-j-n-n-w c 2122面积=） 1])[(1)(1)(11121112212-p p RgT n-nv -p v p n-n -RgT RgT n-n h -w w nn-t,n c,n===∆==耗功大小可从1中给出地p-v 图中看出：c ,Tc ,n c ,s w w w >> c ,T c ,n c ,s T T T >> c ,T c ,n c ,s v v v >> 这就是说,把一定量地气体从相同初态压到相同终态时,定温过程所消耗地功最少,绝热过程最多,多变过程介于两者之间,且随n 减小而减少；且绝热过程中气体地温升及比体积也较大,这对机器地运行也是不利地,所以在压气过程中,应昼减小n ,使之接近定温过程,对于单级活塞式压气机,通常多变指数n = 1.2～1.3.§9－2 余隙容积地影响在实际过程中,由于制造公差及材料地受热膨胀等因素地影响,当活塞运动到死点位置上时,在活塞顶面与气缸盖间有一定地空隙,该空隙地容积称为余隙容积,用c V 表示,并用h V 表示排气量,它是活塞从上死点运动到下死点时活塞扫过地容积.在上图中,我们可以看到：1－2为压缩过程,2－3为排气过程,3－4为余隙中气体地膨胀过程,4－1为有效进气过程.余隙容积地影响主要是两个方面： （1）对生产量地影响由于余隙容积地影响,活塞在右行之初,由于气缸内压力大于外界压力而不能进气,直到气缸内气体容积由3V 膨胀到4V ,此时1p p =时才开始进气,气缸内实际进气容积V 称为有效进气容积,所以有：41-V V V =,所以,由于余隙容积c V 地存在,其本身不起压力作用,而且使另一部分气缸容积也起不到压缩作用.用V η表示有效吸气容积V 与气缸排量h V 之间地比,称容积效率,∴有：1)-(-11)-(-1 )(-1)(-)(343431331343134313141V V V V V V-V V V -V V -V V -V V -V V -V V -V V -V V V V ηh c h V ======其中：hc V V-V V V =313称为余隙容积百分比,简称余隙容积比或余隙比. 而：n n n p pp p V V 111214334)()(π===∴ 1)-(-11]-)p p [(1n1n 112πhc h c V V V V V -η== （9－1）此时12p p =π,称为增压比. 由上式可看出：① 当气缸一定时,则c V 、h V 一定,要使V η增大,则需减小π值；且当π达到一定数值时,V η为零.②当增压比π一定时,余隙比越大,则V η越低. （2）对理念耗功地影响]1)[(11]-)[(1 43fg4-12fg1W 1434411211c -p p V p n-n-p p V p n-nnn-nn-==面积面积又∵ 41p p = 32p p = ∴上式简化为：1)-(11)-V(1)-1](-)[(1W 1111411121c nn-nn-nn-mRgT n-n p n-nV V p p p n-nππ===m 是压气机生产地压缩气体地质量.若生产1kg 压缩气体,则： 1)-(1w 11c nn-RgT n-nπ= （9－2）由（9－1）及（9－2）两式得：活塞式压气机余隙容积地存在,虽对压缩宣气体时地理念耗功无影响,但容积效率V η降低,即单位时间内生产地压缩气体量减少.§9－3 多级压缩和级间冷却从上节分析中可看出,当增压比π增大时,容积效率V η降低；且由于2p 增大,导致压缩过程中2T 增大,这是对压气机地安全运行不利地,为了达到使2p 增大,而不影响压气机工作效率地目地,目前常采用地办法是多级压缩、级间冷却.1、工作原理将气体逐级在不同气缸中被压缩,每经过一次压缩后,就在中间冷却器中定压冷却到压缩前地温度,然后进入下一级气缸继续被压缩.图9－5（P261）中给出了两级压缩、中间冷却地示意过程.采用分级压缩时消耗地功比单级压缩所消耗地功少.∵1)]-)[(11)]-)[(1 1232'1121nn-nn-c,Hc,L c p p RgT n-np p RgT n-n w w w +=+= 又∵ 'T T 21=∴ 2)]-)()[(11231121nn-nn-c p p p p RgT n-nw += 而在单级压缩中 1]-)[(1w 1131c nn-p p RgT n-n=对二级压缩c w 中地2p 求导,并令其导数等于零（求当2p 为多少时c w 取最小值）得：当： 312p p p =或2312p p p p =时 在这时c w 取得最小值为： 1]-)[(12w 1121minc nn-p p RgT n-n=，若为m 级压缩,各级压力分别为121+m m , p p , p p ,每级中间冷却器都将气体冷却到最初温度,则此时若使压气机消耗地总功最小,必须满足：π=====+mm m-m p p p p p p p p 112312 且 )1(1111-πR g T n-nm w w n n-mi c,i c ⋅==∑=综上所述得,采用分级压缩,各级增压比相同地好处可归纳为： （1） 消耗地总功最小；（2） 每级压气机消耗功相等,有利于曲轴力地平衡；（3） 每级压缩后,气体地初、终温相等,这样每个气缸地温度条件相同,可利用同样材质；（4） 每级向外排出热量相等,且每一级中间冷却器向外排出地热量也相同； （5） 各级气缸容积按增压比递减； （6） 有利于容积效率V η地提高.但无论是分级压缩或单级压缩,都应尽可能采用冷却措施,力求接近等温过程.工程中常采用压气机地定温效率c,T η来作为活塞式压气机性能优劣地指标.'w w 'w w ηc c c c c ,T==实际过程耗功定温过程耗功§9－4 叶轮式压气机地工作原理1、工作原理如图9－6（P263）,轴流式压气机,总地工作原理为：使高速流动地气体通过扩压管地作用后,使动能变成压力,并在扩压管地作用下,压力进一步升高,从而达到使气体压缩地目地.叶轮式压气机克服了活塞式压气机中：单位时间内产气量小、转速不高、间隙性吸气、排气及余隙容积地影响.它转速高,能连续不断地吸气及排气,没有余隙容积,所以机体紧凑且产气量大. 缺点：（1） 增压比小,若要得到较高所压,则需级数甚多.（2） 因气速较大,所以易造成较大地摩擦损耗,故在制造及设计上地技术水平要求甚高.2、叶轮式压气机地分类从结构上,叶轮式压气机可分⎩⎨⎧轴流式径流式（离心式）径向压气机借助输入地功率来带动转轴,利用高速旋转地叶轮来推动气体,然后再利用叶片之间空间所形成地变截面通道（起扩压作用）,使高速气流降速,动能减少,压力增加,从而达到对气体进行压缩地目地. 3、热力学分析从热力学观点分析,其气体状态变化过程,完全与活塞式压气机相同.由于叶轮式压气机一般不在冷却情况下工作,所以常采用绝热效率来衡量其工作优劣.在压缩气体状态相同,压缩后压力也相同地情况下,我们用压气机绝热效率或称压气机绝热内效率c,s η表示叶轮式压气机工作优劣,则：''c ,s c ,s c ,s c ,s c ,sw w w w ==功不可逆绝热下压气机耗可逆绝热下压气机耗功η∴ 1212'-hh -h h ηs s c,s =若为理想气体地定比热容,则： 1212'-TT -T T ηs s c,s =例：轴流式压气机从大气吸入MPa .p 101=、C t o 171=地空气,经绝热压缩至MPa .p 902=.由于摩阻作用,使出口空气温度为C t o 3072=.若此不可逆绝热过程地初、终态参数满足n n v p v p 2211=,且质量流量为min 720kg/,试求：（1）多变指数n ；（2）压气机地绝热效率；（3）拖动压气机所需地功率；（4）由于不可逆多耗地功量t W ∆；（5）若环境温度C t t o o 171==,求由于不可逆引起地有效能损失I ；（6）在T －s 图上用面积示出t w ∆和I. 解：（1）求多变指数n ：不可逆绝热压缩过程地初、终态参数满足多变过程地关系：n n-p p T 'T 11212)(= ∴315.0)0.10.9ln(]237)(17273)(307ln[)p p ln()T 'T ln(n 1-n 1212=++== 则：多变指数 4611.n = （2）求压气机地绝热效率：∵ (K )3.543)0.10.9(290)( 1.41-1.411212=⨯==n n-p p T T ∴ 压气机地绝热效率为：%3.872905802903.543'-T T T -T 1212s c,=--==η（3）求压气机所耗功率：)( 3490)290580(100460760)(12KW '-T T c q W P p m t =-⨯⨯=== （4）求由于不可逆多耗地功量：)( 2.4433490)873.01()(1KW -ηW η-W W W c,s t c,s t t t =⨯-==⋅=∆ （5）有效能损失I ：)( 4.228543.3580ln 004.129060720ln22KW T 'T c T q s T q I p o m g o m =⨯⨯⨯==∆=（6）不可逆过程多耗功量如图中面积2’－2－5－4－2’,不可逆引起地有效能损失如图中1－3－4－5－1所示.。
压气机热力过程-PPT课件
余隙容积VC对产气量的影响
1 n p2 V V 1c 1 p Vh 1
VC c Vh
p （2） c 和n一定， p
极限 V 0
讨论： p 2 （ 1） 一定，c p1
p
2 1
V
3
2
V
V
C
4
3
V
V
1
1
V
V
余隙影响例题
n 1 n
C
3
2
4
V
V
1
1
V
V
3
n 1 n p W n t 2 w R T t 1 1 p m n 1 1
余隙对单位产气 pV R T 1 m 1 量耗功不影响
余隙容积VC对产气量的影响
定义容积效率
V V 1 V 4 V3 V3 V V V h 1 V 3
活塞式压气机的结构
流量小，升压幅度可以很大。 普遍使用在汽车，电冰箱, 化工。
储 气 罐
离心式风机的结构
升压幅度小，结构简单。
风机实体照片
大型离心式风机的结构
涡旋式压缩机的结构
小型设备，性能可靠，不怕液击。
轴流式压气机的结构
流量大，结构复杂。 普遍使用在航空，轮船， 化工。
螺杆压缩机
§9-1 单级活塞式压气机的工作原 理及压缩过程分析
第九章 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、出口引风、 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) 出口当连续流动 离心式 ，涡旋 连续流动 轴流式，螺杆 通风机 鼓风机 压缩机
PHNIX压气机的热力过程基础学习
a
1
v
p
一、工作原理
a
1
v
p
2
一、工作原理
a
1
v
p
2
一、工作原理
同14
a
1
v
p
2
一、工作原理
a
1
v
p
2
一、工作原理
同 1 4
a
1
v
p
2
一、工作原理
a
1
v
同14
p
2
一、工作原理
a
1
v
同14 p b p2 2
一、工作原理
a－1：气体引入气缸 1－2：气体在气缸内进行压缩 2－b：气体流出气缸，输向储气筒
9－3 多级压缩和级间冷却
省功（减少压缩过程的多变指数） 避免单级压缩因增压比太高而影响容积效 率
一、两级压缩、中间冷却压气机
中间冷却器
冷却水
多级压缩、级间 冷却压气机装置 系统
p
p
3
2
p
1
高压缸
低压缸
多 级 压 缩 、 级 间 冷 却 压 气 机 装 置 系 统 图
多级压缩级间冷却的压气机
可见压气机耗功以技术功计。
对于理想气体:
Wp 11 V d Vp V c 22 p
1 2
活塞式压气机的理论压缩耗功
p b p2 2
1 ' 1 a 0 1 ' 1 2 2 ' 1 ' 1 2 b 0 2 ' 1
( 1 2 2 ' 1 ' 1 2 b 0 2 ' 1 ) 1 ' 1 a 0 1 '
工程热力学第9章压气机的热力过程
635.17kJ2
m ' p1V 0.566kg RT1
wt
' Wt m
115kJ
/ kg
m 0.489kg1 4V
Vw3t
115kJ /
V1
kg
V
9-3 多级压缩和级间冷却
9-3-1单级压缩的不足及多级压缩的便利 对升于压单比级越压大气，机则， 终压 温缩T2终亦温越大T，2 于T1(是pp12会) nn影1 响气缸润滑油性能，对压缩不利。且如图 所示12’3’为等温线，
（等温）
若过程可逆，则
wnet,R h1 h2
（绝热）
若过程不可逆，则 wnet,I h1 h2 q
定义
wnet,t,R
t ,c o wnet,I
——等温效率
为可逆等温压缩的耗功与不可逆放热压缩的耗功之比。
等温效率用于评价活塞式压气机性能的主要参数。
例2 压气机压缩空气，初态
18
二.工作过程
1-2 质量m1气体压缩：p1p2 2-3 气体排向储气罐
3-4 气体膨胀p2 p1
4-1 气体吸入气缸
生产量(每周期)：
m生产量
m1
V1 V4 V1
19
三.余隙容积对生产量的影响
1、几个概念
余隙容积 Vc=V3
活塞排量 Vh=V1–V3 有效吸气容积 Ves=V1–V4
如假定每级压缩多变指数相同，中间冷却后 T2’=T1
由于每级压缩的吸气温度一样，则
p1v1 p2v2 RgT
缩
，于是，多级压
总功耗为
n1
n1
wt ,n
九压缩机的热力过程
§9-4 叶轮式压气机
• 一叶轮式压气机工作原理：
• 由外界功源输入机械能使气体压力增加经历二次 能量转换（通过叶片将机械能传给气流使其增加
动能，通过扩压管动能降低使其压力增加）。 • 二、理论绝热压缩机械功wc,s
• wc,s=h1-h2=cp(T1-T2)
WC ,S
K K 1
• 定温压缩过程是最有利的，耗功最小， 排气温度最低；而定熵压缩最为不利。
• 但在定温压缩过程中需要有充分冷却措 施，在工程实践中是难以实现的。因此 实际压气机的压气过程均是多变压缩。
• 其中ｎ值越接近于１即压气过程越接近 于定温过程，说明压气机的性能越好。
• ⑵功相越同大升。压比β时，Ｔ１越高，压气机耗
•
Ｗ c＝∫21－Ｖｄｐ
• 显然，Ｗc与压缩过程的性质有关。一般 压气过程有三类：
• ⑴定温压缩（气缸充分冷却） • Ｗc,T＝ｍＲＴ1ln（ｐ1／ｐ2）
• ⑵定熵压缩（气缸绝热） • Ｗc,s=k(ｐ1Ｖ1-ｐ2Ｖ2)/(k-1)
=kmRT1/(k-1)[１-(ｐ2/ｐ1)(k-1)/k]
• ⑶多变压缩（有一定的冷却措施，处于 充分冷却和绝热之间）
二、容积效率
（一）.对排气量的影响
• １气缸容积的有效利用程度减小 • 余隙容积Ｖ３的存在使得压气机气缸容积
有效利用程度下降。气缸有效容积由(Ｖ １－Ｖ３)减少至(Ｖ１－Ｖ4)。
２容积效率（Volumetric Efficiency）
• 引入容积效率λv来描述气缸容积的有效利 用程度。
• λv =(有效吸气容积)/(工作容积) • =(V１－V4)/(Ｖ１－Ｖ３) • =1－δ [(p2/p1)1/n－１] • =1－δ [β 1/n－１]
工程热力学WORD版第9章 压气机
第9章压气机一、教案设计教学目标:使学生熟悉压气机热力过程，活塞式压气机工作原理，耗功量计算；余隙容积对压气机性能的影响；多级压缩与级间冷却；叶轮式压气机的工作原理。
知识点：活塞式压气机工作原理，耗功量计算；余隙容积对压气机性能的影响；多级压缩与级间冷却；叶轮式压气机的工作原理。
重点：压气机耗功量的计算方法，提高压气机效率的方法和途径。
难点：多级压缩过程中各级增压比的确定，提高压气机效率的方法和途径。
教学方式：讲授+多媒体演示+课堂讨论师生互动设计：提问+启发+讨论问：余隙容积的存在使压气机产气量下降，对实际耗功有没有影响？。
问：活塞式压气机为什么应采用隔热措施？问：为什么若实施定温压缩产生高压气体，可不必分级压缩、中间冷却？问：为什么活塞式压气机适用于高压比、小流量；叶轮式压气机适用于小压比、大流量？学时分配：2学时二、基本知识第一节气体的压缩及压气机的耗功一、气体压缩1压气机:用来压缩气体的设备2.。
压气机的分类1）压气机按其产生压缩气体的压力范围,习惯上常分为：①通风机（pg<0.01MPa）;②鼓风机（0.01MPa<pg<0.3MPa）;③压缩机（pg>0.3Mpa）。
2）按压缩原理和结构分压气机分为:活塞式、叶轮式（离心式和轴流式）及引射式。
压气机的实际耗功第二节 单机活塞式压气机一、单机活塞式压气机工作过程吸气过程、压缩过程、排气过程。
理想化为可逆过程、无阻力损失.1．定温压缩轴功的计算st w =⎰-=21vdp w t 1211lnp p v p -按稳态稳流能量方程，压气机所消耗的功，一部分用于增加气体的焓，一部分转化为热能向外放出.对理想气体定温压缩,表示消耗的轴功全部转化成热能向外放出. st w =T Q 2．定熵压缩轴功的计算,⎰-=21vdp w t s k k kw p p k kRT =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-112111 按稳态稳流能量方程，绝热压缩消耗的轴功全部用于增加气体的焓，使气体温度升高，该式也适用于不可逆过程3．多变压缩轴功的计算⎰-=21vdp w t s n n nw p p n nRT =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=-112111 按稳态稳流能量方程，多变压缩消耗的轴功部分用于增加气体的焓，部分对外放热，该式同样适用于不可逆过程结论: ss sn st w w w -<-<- T sn s T T T 22>> 可见定温过程耗功最少，绝热过程耗功最多第三节 活塞式压气机余隙影响一、余隙对排气量的影响余隙：为了安置进、排气阀以及避免活塞与汽缸端盖间的碰撞，在汽缸端盖与活塞行程终点间留有一定的余隙，称为余隙容积，简称余隙活塞式压气机的容积效率：活塞式压气机的有效容积和活塞排量之比，31341V V V V v ---=λ结论：余隙使一部分汽缸容积不能被有效利用，压力比越大越不利。
工程热力学(压气机的热力过程)解析
一、基本概念
止（死）点：活塞左 气阀 右移动的极限位置 储气罐
行程L：活塞移动的距离
行程容积Vh：一次行程 活塞扫过的体积
气缸 活塞 连杆 曲轴
吸气压力p1与 排气压力p2
外止点 余隙
余隙与余隙容积Vc 避免活塞与进排气阀
碰撞，留有空隙
行程 内止点
二、工作原理
1、工作原理
气阀 气缸 活塞 连杆 曲轴
的进气温度相同 若每一级均是完全 回冷，则此时：
各级进气温度相等
储气罐
中 冷 器 冷却水
高压缸 低压缸
进气口
三、多级压缩的优点
1、省功
4、降低可活见塞，所级数受越的多，
多级压缩达到无穷多级
气体力越接近等温过程，
有利T于改越善省运功动。件的受力
但是，这是不可能实现的 并且状级态数，越提多高，运结行构寿复命杂
n 1
3、过程实际压气过程是
n 1 n k
p p2
2T
2n
2s
T
2s p2 p1
2T 2n
p1
1
1
v
s
二、对压气机气缸冷却的作用
压气功为过程曲线所包围的面积 可见，等温压缩12T341功耗最少。 应该对压气机气缸进行冷却，
力使工质充分冷却使其尽量接近等温压缩 如气缸上设置翅片
气缸夹套内通水冷却等
p p2
ηv
Vc Vh
α达一定值时,ηv=0,压缩机不能吸
气,无气排出,只是机内气的循环
单级压缩， 最大压力比为
m
ax
1
1
n
故单级压缩所能达到的压力比是有限的。
§9-5 多级压缩与级间冷却
一、多级压缩
工程热力学课件压气机热力过程
解 单级多变压缩时排气温度为
T 3T 1(p p1 3)nn 129 (0 6 .0 1)1.1 2 .2 157 .73 K 9
t3=300.790c 单级压缩时压气机消耗的功率为
N
Wc,n 3600
mn 3600n1RT1[1(
p3 p1
n1
)n ]
108.51.210.287290[1(
6
1.21
nn 1p 1 V 1 1 (p p 1 2)n n 1 － nn 1p 4 V 4 1 (p p 4 3)n n 1
p1p4,p2p3
W c,nnn 1p1(V1V4)1(p p1 2)nn 1
Wt,34＝－ Wt,43
p3Βιβλιοθήκη 241Vc
Vh V1-V4
W c,nnn 1p1(V1V4)1(p p1 2)nn 1
V
式中，V1 - V4= m’v1 , m’为有余隙 容积时进入气缸的气体质量
有余隙容积压缩机示功图
压缩1kg 气体所消耗的功为： W c,nW m c,'n nn 1p1v11(p p1 2)nn 1
无余隙容积时，压缩1kg 气体所消耗的功为：
W' c,n
nn1p1v11(pp12)nn1
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
1V Vh c(p p1 2)1 n111 n1
1V Vh c(p p1 2)1 n111 n1
Vc Vh
p2 p1
称为压缩机的余隙比 称为压缩机的增压比
1
容积效率： V 1(n 1)
增大时，容积效率降低； 提高时，容积效率也降低。
3、增压比对容积效率的影响
p
压气机的热力过程
3。试分析，在增压比相同时，采用定温压缩和采用绝热压缩的 压气机的容积效率何者高？
4。试说明余隙容积对实际压气机消耗的轴功是否有影响？
8.983kJ/Kmin
IT0sis
oT0sN 2s298 3 .982 36.93k1 J min
4.8 3k7W
思考题
1。 如果多级压缩的分级越多，且每两级之间均设置中间冷却措 施，则压气机消耗的轴功将减少的越多，试问压气机消耗的轴功 是否存在最小的极限值？
p2
p2 p1p4
p2
2
3
p1
1
v
w 分 级nn 1RT 1[2(p p1 2)nn -1(p p2 4)nn -1]
最佳增压比的推导
w分级最小值，
p2 p1p4
p2 p1
最佳增压比
p2 p1
p4 p1
பைடு நூலகம்
p1 p4 p1
p终 p初
p4 p
p2
p4
p2
p1
可证明 若m级
1
Image
讨论：
a)当Vc，Vh确定 ;
v m生产量
b)当一定;
VcVcs vm生产 量
三.余隙容积对理论耗功的影响
W CW t12W t34
No n nn n 1 1p p1 V 11 V 1n V n 1 4 1 nn 1n n 11 p 4 V 4 n n 1 1 Imagenn1Vesp1nn11
采用中间冷却器，可降低压缩过程中气体的温度， 使压缩终了温度不致过高。也可以减少压气机所消耗
工程热力学-ch9 压气机的热力过程
第一节 单级活塞式压气机的工作原理
和理论耗功量 (可逆条件下)
一、工作原理（过程）
◆ 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
◆ 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，只是缸内 的气体发生数量变化。 ◆只有1→2是热力过程。
1
可见，如果增压比相同，有余隙容积的理论 消耗功与无余隙容积时的相同，即：余隙不影 响理论功量。
但是余隙容积影响容积效率，浪费空间。
第三节 多级压缩和级间冷却
由前所述，等温压缩最有利，因设法使n接近1。 使用“水套冷却”和“多级压缩级间冷却”方法， 就是上述目的。
一、“多级压缩+级间冷却”压气 机
高压气缸中气体压 缩2’-3
压缩后气体排出高压 气缸进入储气筒3-g
冷却后气体排出冷 却器2’-f；
冷却后气体进入高 压气缸f-2’
二、两级压缩、中间冷却分析 耗功量:
设两级压缩的多变指数相同，则
低压缸
高压缸
wC wC ,L wC ,H
n n 1
RgT1
p2 p1
n1
n 1Biblioteka n n 1RgT2
p3 p2
n1
n
1
n1
n1
n n 1
RgT1
p2 p1
n
p3 p2
n
2
最佳增压比
n1
n1
wC
n n 1
RgT1
p2 p1
n
p3 p2
n
2
f ( p2 )
令： wC 0
p2
p2
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缩功；（4）压缩过程中传出的热量。 解： （1）多变指数
Q p1v1n = p2v2 n
p
ln( 2 p )
∴n =
1=
ln 0.32 0.1
= 1.186
ln(V1 V2 )
ln 0.032 0.012
（2）空气终温
T2
= T1 (
p2 p1
n −1
)n
=
(273.15
+
50)
×
(
0.32
)
1.186−1 1.186
p1 = 0.1MPa, t1 = 20°C ，压缩过程多变指数 n=1.25。若压气机的定温效率为ηc,T = 0.77 ，试计算
压气机生产量（ kg h ）及带动该压气机所需的原动机的功率（压气机的外部磨擦损失忽略不
计）。 解：
题意σ = Vc = 0.05 π = p2 = 8
Vh
p1
n=1.25
κ −1
)κ
−1] =
1.4 × 0.1×106 1.4 −1
1.4−1
×140 ×[6 1.4
−1] = 327.9 ×105
J
h
Ns
=
327.9 ×105 3600
= 9108.3W
= 9.11KW
（3）多变压缩
Wt , n
=
n n −1
p1V1[(
p2 p1
n −1
)n
−1] =
1.2 × 0.1×106 1.2 −1
1
1
Qηv = 1− σ (π n −1) = 1− 0.05× (81.25 −1) = 0.786
∴qm
= 400×
p1Ves Rg T1
=
400 60
×
0.1×10 6
× 0.786× π × 0.32 4
287 × 293.15
×
0.2
=
0.088
kg
s
可逆定温功压缩功率为：
Wc,T
= − p1V1 ln
RgT1
(π
n −1
n )+
n
n −
1
R
g
T2
(π
n −1 n
− 1) +
n
n −
1
RgT3
(π
n −1 n
− 1)
=
n n −1
Rg (π
n −1 n
− 1)(T1
+ T2
+ T3 )
=
1.3 × 287 1.3 − 1
1.3−1
× (5 1.3
− 1) × (293.15
+
425.0 +
616.25)
n −1
（3） T2 = T1 ⋅π n = 425.0K
n−1
1.3−1
T3 = T2 ⋅π n = 425.0 × 5 1.3 = 616.25K = 343.10°C
n−1
1.3−1
T4 =T 3⋅π n = 616.25× 5 1.3 = 893.56K = 620.41°C
wc
=
n
n −
1
Qw
=
qm,W c∆t
=
465 × 4.187 ×14 3600
=
7.5715kW
q m,a
=
p1V1 Rg T1
=
0.1×106 × 250 3600× 287 × 293.15
= 0.08254 kg s
Q QW = −Qa
∴q =
QW q ma
=
− 7.5715 0.08254
=
−91.73
kJ
0.5
)
1.25−1 1.25
0.1
=
400.33K
（3）每小时吸气量
t2 = t3 = 127.18°C
V1′ =
nRT1 p1
=
500 22.4
×
8314.5 × 290.15 0.1 × 10 6
= 538.49 m3
v1
=
Rg T1 p1
=
287 × 293.15 0.1 × 10 6
= 0.08413 m3
kg
qm
=
Ves v1
=
0.00713 × 750 × 60 0.08413
=
3813.56 kg
h
（3） wc
=
n n −1
p1v1 (π
n−1 n
−1) = 1.3 × 0.1×106 1.3 −1
1
× 0.08413× (7 1.3
解：
按耗功最小原则， π 1 = π 2 = π 3 = 3
p4 p1
= 3 12.5 = 5 0.1
（1） wc
= 3wc,L
= 3×
n n −1
p1v1 (π
n−1 n
− 1)
Q p1 = 0.1MPa t1 = 20°C
∴v 1
=
Rg T1 p1
=
287 × 293.15 0.1× 10 6
= 0.8413 m3
消耗的总功 W；
115
第九章 压气机的热力过程
（5） 空气在中间冷却器及两级气缸中放出的热量（ kJ h ）。 解： （1）中间压力 p2
p2 = p1 p3 = 0.1× 2.5 = 0.5MPa （2）压气机中空气被压缩后最高温度
T2
= T3
= T1 (
p2 p1
n −1
)n
=
290.15
×
(
准状态下），两个气缸中的压缩过程均按多变指数 n=1.25 进行。以压气机所需要的功量最小作 为条件，试求：
（1） 空气在低压气缸中被压缩后所达到的压力 p2 ； （2） 压气机中气体被压缩后的最高温度 t2 和 t3； （3） 设压气机转速为 250rpm，每个气缸在每个进气冲程中吸
入的空气体积 V1 和 V2; （4） 每级压气机中每小时所消耗的功 W1 和 W2，以及压气所
wc
=
n
n −
1
RgT1[(
p2 p1
n −1
)n
−1] =
1.2
×
287
×
293.15
×
[(
0.9
)
1.2−1 1.2
1.2 −1
0.1
−1] =
2.23 × 10 5
J
kg
N = qm,a ⋅ wc = 0.0825× 2.23×105 = 18.4kW
9-4 三台空气压缩机的余隙容积比均为 6%，进气状态均为 0.1MPa,27°C ，出口压力为 0.5MPa ，
0.1
= 387.82K
（3）压缩功
Wn
=
1 n −1
p1V1[(
p
2
)
n −1 n
p1
− 1]
=
1
1.186−1
× 0.1× 106 × 0.032 × (3.2 1.186 − 1) = 3442.8J = 3.443kJ
1.186 − 1
112
第九章 压气机的热力过程
（4）过程热量cn= Nhomakorabean −κ n −1
第九章 压气机的热力过程
第九章 压气机的热力过程
9-1 某单级活塞式压气机每小时吸入的空气量 V1 = 140m3/h ，吸入空气的状态参数是
p1=0.1MPa、t1=27℃，输出空气的压力 p2 = 0.6MPa 。试按下列三种情况计算压气机所需要
的理想功率（以 kW 表示）：①定温压缩；②绝热压缩（设κ =1.4）；③多变压缩（设 n=1.2）。 解： （1）定温压缩
+
273.15
)
1.2 1.2−1
293.15
=
0.90MPa
（2） q = ∆h + wt
∴ wc = −wt = ∆h − q = c p (T2 − T1 ) − q = 1.004 × (150 − 20) + 91.73 = 222.25 kJ kg
∴ N = qm,a ⋅ wc = 0.08254 × 222.25 = 18.3kW 或
解 由题意 Vh = 0.009m3 π = 7 σ = 0.06 n = 1.3
（1） η v
= 1− Vc Vh
(π
1 n
−1) = 1−σ (π
1 n
1
−1) = 1− 0.06 × (7 1.3
−1)
= 0.792
（2）Ves = ηV ⋅Vh = 0.792 × 0.009 = 0.00713m3
1.2−1
×140 ×[6 1.2
−1] =
292.3 × 10 5
J
h
Nn
=
292.3 × 10 5 3600
= 8.12×103W
= 8.12KW
9-2 某单级活塞式压气机吸入空气参数为 p1 = 0.1MPa, t1 = 50°C,V1 = 0.032m3 ，经多变压缩
p2 = 0.32MPa,V2 = 0.012m3 （1）压缩过程的多变指数；（2）压缩终了空气温度；（3）所需压
1
η v,2 = 1 − 0.06 × (51.25 − 1) = 0.843 ηv,3 = 1 − 0.06 × (5 − 1) = 0.76
113
第九章 压气机的热力过程
9-5 某单级活塞式压气机，其增压比为 7，法塞排量为 0.009m3 ，余隙比为 0.06 转速为
750r/min(每分钟转数)，压缩过程多变指数为 1.3。求（1）容积效率；（2）生产量（ kg h ）；（3） 理论消耗功率（kW）；（4）压缩过程中放出的热量。已知吸入空气参数为 p1 = 0.1MPa, t1 = 20°C 。