压气机的理论耗功
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：9第八章 压气机的热力过程
压气机简述
按工作原理及构造分： H2
活塞式 叶轮式 引射式
H1
罗茨式
按压缩气体压力范围：
通风机（＜110 kPa)
鼓风机（110～300 kPa)
压气机（>300 kPa)
8-1 单级活塞式压气机的工作原理 和理论耗功量
单 级 活 塞 式 压 气 机
一、工作原理
p
f－1：进气过程；
p
3
2
g
程中，为避免活塞与气缸塞撞击，也便于安
排进、排气阀，必须留有余隙。
图8-3为具有余隙容积的压气机理论示功图，
4-1：有效进气。
f6
4
1
1-2：压缩过程； 2-3：排气过程；
0 Vc V4-V6 V=V1-V4· V
H2
Vh=V1-V3
图中容积Vc就是余隙容积；
Vh＝V1－V3，是活塞从上死点运动到下死点 时活塞扫过的容积，称为气缸的排量。 H1
P3
1
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，
P1
很难实现等温压缩。
s
图8-2 压缩过程的p-v图和T-s图
二、压气机的理论耗功
p
P2
2T 2n 2s
按热力学的约定，压气机消耗的轴功应为负值，工 程上常令压气机耗功为技术功的负值，即：
P1
wC [w12 ( p2v2 p1v1)] wt
用多级压缩；
1 p1 而当增压比一定时，余隙比Vc/Vh加
V
大，也将使容积效率ηV降低。 显然，当π或Vc/Vh增大到某一值时，
可能使ηV＝0。
<2> 理论耗功 余隙容积为 Ve V3
工程热力学第8讲-第4章-2典型过程装备中的热力过程
h2s h1 h2 ' h1
若为理想气体，且比热容为定值时
C , s
T2s T1 T2' T1
叶轮式压气机的实际效率
t 0.80 ~ 0.90
4.7 膨胀机中的热力过程
膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气 体温度降低的原理以获得冷量的机械。 膨胀机常用于深低温设备中。
1 nn n p1 V1 V4 1 n 1 1 nn n m生产量 v1 p1 1 n 1
1 nn WC n wC v1 p1 1 m生产量 n 1
1 nn n wC,n p1v1 1 n 1
pa p1 p2
时 wC wC,min
pa p2 或 l h p1 pa
最佳增压比
采用最佳增压比进行双级压缩 的优点： T2 1、省功
T1
T
p3
p2
p1
1
3’
3 2’
2
2、各缸负荷均匀 3、终温相同，各缸散热量相等
qH
qL
s
双级压缩中间冷却T-s图
分级压缩的级数
省功
有余隙容积的压气机工作过程
工作过程： 基本概念：
4-1 1-2 2-3 3-4
余隙容积 气体吸入气缸（质量m1） 气体压缩：p1p2 活塞排量 气体排向储气罐 有效吸气容积 气体膨胀：p1p2 余隙容积比 容积效率
Vc=V3 Vh=V1–V3 Ve=V1–V4 α=Vc/Vh ηv =Ve/Vh
多级压缩和级间冷却
多级压缩和级间冷却是指 气体依次在几个气缸中连 续压缩，同时为了避免过 高的温度和减少气体的比 容以降低下一级所消耗的 功，在前一级压缩后，将 气体引入中间冷却器进行 定压冷却至初始温度，然 后进行下一级继续压缩， 直到所需要的压力为止。 作用：降低排气温度，节 省功耗，增大容积效率。
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）。
第八章压气机的热力过程资料重点
余隙容积中的质量：m3
p3Vc RgT3
0.0695kg
气缸内的总质量： m m1 m3 0.5695kg
8-3 多级压缩和级间冷却
1、工作过程 为了避免单级压缩
增压比过大，同时为了 使过程接近定温压缩， 可以采用多级压缩、级 间冷却的方法：每经过 一级压缩，就在冷却器 中冷却到吸气温度，再进入下一级气缸继续压 缩。
●容积效率 V (volumetric efficiency) 有效吸气容积与气缸排量之比，V V / Vh
●余隙容积百分比 （余容比）
余隙容积与气缸排量之比， Vc / Vh
■容积效率
V4 / V3 ( p3 / p4 )1/n ( p2 / p1)1/n 1/n
V
V
Vh
V1 V4 V1 V3
2、理论耗功 对于理想气体（定值比热容）的可逆过程：
■绝热压缩
wC , s
wt , s
k
k
1
(
p2
v2
p1v1 )
k
k
1
RgT1[(
p2 p1
)(k 1) / k
1]
■多变压缩
wC ,n
wt ,n
n
n
1
(
p2v2
p1v1 )
n
n 1RgT1[(p p1)(n1) / n
1]
■定温压缩
wC ,T
气作用，吸气量（生产量）减小。即生产相同数
量的压缩气体，需要更大的气缸。
3、余隙容积对理论耗功的影响
假设压缩过程12和膨胀过程34的多变指数相等：
WC
n n 1
p1V1[(
p )2 (n1)/n p1
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.。
热工基础-5-(3)-热工基础的应用-压气机
工作原理：
气体从进口流入 压气机，经收缩
器时流速得到初
步提高，进口导 向叶片使气流改 为轴向，同时还 起扩压管作用，
使压力有提高。
转子由外力带动，作高速转动，固装其上的工作叶 片(亦称动叶片)推动气流，使气流获得很高的流速。
工作原理（续）：
高速气流进入固装在机壳 上的导向叶片(亦称定叶片)
间的通道，使气流的动能
余隙容积的影响可从以下两个方面讨论:
(1) 生产量：
由于有余隙容积Vc的影响，缸 内气体从V3膨胀到V4才开始进 气。气缸实际进气容积V称有效 吸气容积， V=V1-V4。余隙容 积本身不起压气作用，且使另 部分缸容积也不起压缩作用。V 小于气缸排量Vh ，两者之比称 为容积效率，以ηV表示，即:
需级数甚多。其次，因气流速度相当高，容易造成较
大的摩擦损耗，故对叶轮式压气机的设计和制造的技 术水平要求甚高。
分类：
叶轮式压气机分：径流式(即离心式)与轴流
式两种型式。
离心式压气机适用于中、小型生产量，高转
速，但效率稍低。
轴流式压气机则结构紧凑，便于安排较多的 级数，且效率较高，适宜于大流量的场合。
二、压气机的理论耗功
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。通常用符号Wc表
示压气机的耗功，则：
对定值比热容理想气体，据第三章 计算理论耗功： (1)可逆绝热（定熵）压缩
二、压气机的理论耗功（续）
(2)可逆多变压缩
(3)可逆定温压缩
上述各式中，P2/P1是压缩过程中气体终压和初压 之比，称为增压比，用 表示。
这时，各级的增压比相同，各级压气机耗功相同，且：
因此，按此原则选择中间压力可得以下有利结果： (1)每级压气机需功相等，有利于压气机曲轴的平衡； (2)每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同，这 样每个气缸的温度条件相同； (3)每级向外排出的热量相等，而且每一级的中间冷却 器向外排出的热量也相等； (4)各级的气缸容积按增压比递减。 (5)分级压缩对容积效率的提高也有利。余隙容积的有 害影响随增压比的增加而扩大。分级后，每一级的增 压比缩小，故同样大的余隙容积对容积效率的有害影 响将缩小，使总容积效率比不分级时大。
工程热力学(压气机)
1
RgT1
p2 p1
1
多变过程：
n1
wc,n
n
n
1
RgT1
p2 p1
n
1
等温过程：
wc,T
RgT1 ln
p2 p1
1
T2s
T1
p2 p1
n1
T2n
T1
p2 p1
n
T2T T1
工程热力学 Thermodynamics
叶轮式压气机的耗功计算
wC
h2
理想气体
1.4 1
1)
429.1 kJ/kg
工程热力学 Thermodynamics
因 T1 T2 T3 ，且各级压缩比相等，故各级压气机排气温度相等
p
T2
T3
T4
T1
1
1.41
293 4 1.4
435 K
(2) 单级压气机的排气温度
κ1
T5
T1
p5 p1
κ
O
0.4
293
6.304 106 98.5 103
一、概述
工程热力学 Thermodynamics
工程热力学 Thermodynamics
二、耗功计算
理想气体
wC h2 h1 cp (T2 T1)
1
T2
T1
p2 p1
理想气体
wC h2 h1 cp (T2 T1)
T2 T2 ,C,s
h2 h2 ,C,s
C,s
wC wC
-
Rgln
p2 ) p1
T
2
471.5
2
6 (1.004ln 0.287ln4) 0.336 ( kW K )
热工基础第八章
第八章热力循环学习指导：1、学习目标熟悉几种典型热工设备（或装置）的基本构成和工作原理；掌握将实际循环抽象简化为理想循环的一般方法；能够熟练分析计算各种循环；了解内燃机循环各种特性参数及其对热效率的影响，掌握提高各种循环能量利用经济性的方法和途径。
2、学习建议（1）学习时间：4-6小时（2）学习方法A．仔细阅读教材第八章B．点播学习网络课程第八章C．完成习题3、学习重难点A．掌握活塞式压气机的工作原理、不同压缩过程（定温、多变、定熵）的特点；了解余隙容积、压力比对活塞式压气机容积效率的影响；了解多级压缩、级间冷却的工作情况；掌握压气机的耗功计算及压气机的省功方法和途径。
B．掌握活塞式内燃机的工作原理；了解实际循环抽象为理想循环的简化条件；掌握定容加热、定压加热、混合加热理想循环的p-v图和T-s图，并能对各种循环的吸热量、放热量、循环功、热效率进行分析计算；了解循环特性参数及其对热效率的影响。
C．掌握蒸气压缩制冷循环的工作原理及理论循环的T-s图和lg p-h图；掌握利用制冷剂的lg p-h图计算制冷量q2、耗功量w0、制冷系数ε的方法；了解提高制冷系数ε的方法。
第一节压气机循环使气体升压的设备称为压气机。
压气机的应用非常广泛，如锅炉通风、物料传送、增压柴油机、燃气轮机、制冷工程中制冷剂气体的压缩等，都要用到压气机，生活中使用的电风扇也是一种压气机。
压气机按其产生压缩气体的压力范围，可分为通风机（<110 kPa）、鼓风机（110～400 kPa）和压缩机（>400 kPa）；按其结构及工作原理分，主要可分为活塞式和叶轮式（叶轮式又可分为离心式和轴流式）两大类。
压气机是耗功设备，研究压气机的主要目的是分析其耗功，从而寻求省功的方法和途径。
虽然活塞式压气机与叶轮式的结构和工作原理不同，但其基本的热力学原理都一样。
本节重点以活塞式压气机为例，介绍压气机的一般工作原理及分析计算。
一、单级活塞式压气机的工作原理如果忽略活塞与气缸盖之间的间隙，并假定压气机的工作过程为可逆过程，活塞式压气机的理想工作过程由以下3个过程组成：1. 吸气过程当如图8.1（a ）所示活塞由上止点向右移动时，进气阀A 开启，排气阀B 关闭，压力为p 1的气体被吸入气缸。
工程热力学第八章 压气机的热力过程
压气机分类： 工作原理 活塞式—压头高，流量小， 间隙生产 叶轮式—压头低，流量大， 连续生产
通风机—表压0.01MPa以下 压头高低 鼓风机—表压0.1~0.3MPa
压气机—表压0.3MPa以上
另有罗茨式压气机(Roots blower)等等
压气机不是动力机，压气机中进行的过程 不是循环
8-1 单级活塞式压气机的工作原 理和理论耗功量
wC,s wt,s
k 1
k k 1
RgT1
p2 p1
k
1
二、压气机的理论耗功量
➢ 三种压缩过程耗功量
（2）可逆多变压缩
wC,n wt,n
n n 1 RgT1
p2 p1
n1
n
1
二、压气机的理论耗功量
➢ 三种压缩过程耗功量
（3）可逆定温压缩
wC,T wt,T
RgT1
ln
v2 v1
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
➢ 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。
有两种极限情况： 绝热过程1－2s 定温过程1－2T
wC h2s h1 Aj2T 2s m
✓实际压缩过程 不可逆绝热压缩1－2’
wC h2 h1 Aj2T 2n
wC wC,S h2 h2 Am2S2nm
二、叶轮式压气机分析
✓压气机的绝热效率
C,S
wC , S wC
h2S h1 h2 h1
p
n
1
a
3
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
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
压气机耗功 单位
压气机耗功单位
压气机耗功的单位通常用千瓦、焦耳等表示。
压气机是一种用于压缩空气的设备，其耗功量与多种因素有关，例如空气密度、压气机转速、压力比和效率等。
根据压气机功率的计算公式$P=ρ\times N\times Q\times η$（其中，P为发动机压气机功率，单位为千瓦；ρ为空气密度，单位为千克/立方米；N为发动机压气机转速，单位为转/分；Q为发动机压气机压力比，单位为千帕；η为发动机压气机效率，单位为百分比），可以计算出压气机的耗功量。
在实际应用中，需要根据具体的工况和需求来确定压气机的型号和参数，并进行相应的计算和测试，以确保压气机能够高效、稳定地工作。
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-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
压气机的理论耗功
令
wc 0 p2
p3 时 p1
p2 p3 p p p 或 ,即1 2 则有 2 1 3 p1 p2
wC wC,min
m
推广：若m级，则 1 2 m
讨论： 1）按
m
p2 时wC wC,min p1
(9-6) (8-8)
总的增压比
i
技术功
二、压气机的理论耗功 定义：（1）压气机耗功（习惯上取正值）
wc wt vdp
1
2
（2）增压比
p2 p1
wC取决于初、终态及 过程特征（三种压缩过程）
1.绝热压缩（活塞运动很快，保温良好）
wC , S h2, S h1 c p (T2,S
理想气体，定比热容 (9-1) (8-1)
8-7 (2)各级进口温度均为T1
18
理想的压缩是 等温压缩
f
p1
1 p2 2s 2n V p2
T
b）通常为多变压缩, 1<n<k
n
wCn T2 n v2 n
2T 1
j
m
n
s
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？
一、余隙容积—clearance volume
1-2：压缩，耗外功
w12 pdv
1 2
2-3：排气，传输推动功
w23 p2v23 p2 (v3 v2 ) p2v2
图9-1 活塞式压气机示功图 图8-1
压缩循环消耗的功：
w p1v1 pdv p2v2 vdp wt 0
1 1 2 2
单级活塞式压气机工作原理及理论耗功
等温压缩耗功 ws,T mRgT1 ln p1 p2
绝热过程耗功
ws , s
K K 1 mRg
(T1 T2 )
多变过程耗功
ws , n
n
n
1
m
Rg
(T1
T2 )
T—S图
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 注：压缩终温低可避免润滑油的烧结。
定熵过程 压气过程进行非常快，来不及与外界进行热交 换；（n=k）
定温过程 压气过程进行非常慢，气缸冷却效果很好，机 械功转变的热能随时从气缸壁传出，气体温度 不变；（n=1）
压气机压缩过程分析
压气机工作条件不同，其压缩过程也不同，压缩过程的性质与气体冷却的情况有关。
p-V图
多变过程 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（1<n<k）
结论：a）理想压缩是等温压缩
wC,s wC,n wC,T
T2s T2n T2T v2s v2n v2T
结论： b）通常为多变压缩，1<n<κ
பைடு நூலகம்wCn
n T2n
v2n
感谢聆听
在此条件下的压气过程称为理论压气过程。压气过程中，压缩终态与初态的 压力之比称为增压比，用符号β表示
p2 p1
理论压气轴功的计算
显然，压气机的轴功即为技术功：
2
wt
1
pdv S12341
压气机压缩过程分析
压气机工作条件不同，其压缩过程也不同，压缩过程的性质与气体冷却的情况有关。
p-V图
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p2 k1 k1 T1 ) R T ( ) 1 RgT1 1 1 g 1 p1 1
2.等温压缩 （活塞运动很慢，散热良好）
wC ,T wt vdp p1v1
1 1 2 2
p dp RgT1 ln 2 RgT1 ln p p1
3.多变压缩（实际情况）
n 1 n wC RgT1 ( n 1) n 1
(9-3) (8-3) (9-2) (8-2) 单级压缩时， n=1.2,T a）
T2 s T2n T2T
s
2T 2n p2
2s
v2s v2n v2T
—multistage compression and intervening cooling 一、多级压缩 •工程上需要高压气体 •压缩过程中随p升高， T升高， v 下降 •分级压缩，级间冷却 1 n 2 p 中冷器 2’ n 高压缸 3
多级压缩演示
低压缸
•理论上，中间冷却到初温，即T2’ = T1
产生原因 几个名词： 布置进、排气结构 制造公差 部件热膨胀
9–2 余隙容积的影响 8-2
自学
•余隙容积Vc（=V3） •气缸工作容积(活塞排量) Vh (=V1–V3) •有效吸气容积V（=V1–V4） •余隙容积比 •容积效率 =Vc/Vh= V1/(V1-V3 ) ηV =V /Vh
§9–3 (8-3) 多级压缩和级间冷却
第九章 压气机的热力过程 第八章 压气机的热力过程
概
述
• 工业上大量需要压缩气体 • 压气机生产压缩气体 • 压缩气体的用途： 动力机、风动工具、制冷工程、 化学工业、潜水作业、 医疗、休闲等
活塞式—压头高，流量小，间隙生产 压气机分类： 叶轮式—压头低，流量大，连续生产 工作原理 引射式—利用已有压缩气体气源 其他型式 通风机—表压0.01MPa以下 压头高低
n 1 n i
qi
n cV T n 1
q中，i c p T
d）各缸按比例缩小 e）对提高整机容积效率v有利 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，一般取2-4级 3）定温效率—isothermal efficiency
C,T
wC,T wC
鼓风机—表压0.1~0.3MPa 压气机—表压0.3MPa以上
•压气机的热力学原理都一样 •压气机靠消耗外功来对气体进行压缩
•以活塞式压气机为例，分析压气机的一般工作原理， 研究影响压气机耗功及流量的因素
9–1 单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量 8-1
一、工作原理 4-1：吸气，传输推动功
w41 p1v41 p1 (v1 v4 ) p1v1
wCs h h1 2s wC ' h2 ' h1 (9-10) (8-12)
wC ' h2 ' h1
T2 s T1 CS T2 ' T1
令
wc 0 p2
p3 时 p1
p2 p3 p p p 或 ,即1 2 则有 2 1 3 p1 p2
wC wC,min
m
推广：若m级，则 1 2 m
讨论： 1）按
m
p2 时wC wC,min p1
(9-6) (8-8)
总的增压比
i
1-2：压缩，耗外功
w12 pdv
1 2
2-3：排气，传输推动功
w23 p2v23 p2 (v3 v2 ) p2v2
图9-1 活塞式压气机示功图 图8-1
压缩循环消耗的功：
w p1v1 pdv p2v2 vdp wt 0
1 1 2 2
(9-9) (8-11)
4）真空泵(vacuum pump)的实质也是压气机，是出口压 力为恒值—环境压力，进气压力不断降低的压气机
9–4 叶轮式压气机工作原理(turbo-compressor) 8-4
axial-flow compressor 一、简介
centrifugal compressor
叶轮式压气机： 转速高；连续吸，排气，运转平稳；排气量大 没有余隙影响；但每级压比不高
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
实际多耗功 理论耗功
wC h2 ' h2s 面积mn2'2s m
wC,s h2s h1
实际耗功
绝热内效率 理想气体
CS
理想的压缩是 等温压缩
f
p1
1 p2 2s 2n V p2
T
b）通常为多变压缩, 1<n<k
n
wCn T2 n v2 n
2T 1
j
m
n
s
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？
一、余隙容积—clearance volume
p2 p1
选择各级中间压力，优点：
1 nn n RgT1 i 1 a）各级耗功相等 wC,i n 1
(9-7) (8-9)
有利于曲轴平衡 （总耗功 wC mwC,i ）(9-8) (8-10) b）各缸终温相同 c）各级散热相同 各中冷器散热相等
T T1
技术功
二、压气机的理论耗功 定义：（1）压气机耗功（习惯上取正值）
wc wt vdp
1
2
（2）增压比
p2 p1
wC取决于初、终态及 过程特征（三种压缩过程）
1.绝热压缩（活塞运动很快，保温良好）
wC , S h2, S h1 c p (T2,S
理想气体，定比热容 (9-1) (8-1)
二、理论耗功分析
每生产1kg压缩气体(T2’ = T1)：
wC wC,l wC,h
1 1 p2 nn p3 nn n n RgT1 ( ) 1 RgT2 ( ) 1 n 1 p1 n 1 p2
1 1 p2 nn p3 nn n RgT1 ( ) ( ) 2 n 1 p2 p1