第八章 气体的压缩

二、单级活塞式实际压缩机的工作过程
p 1-2：压缩过程 2-3：排气过程：状态未变 p2 3-4：余隙容积内空气的膨胀过程 4-1：吸气过程：状态未变
3
2
有效吸气容积为
V吸 V1 V4
p1
4
V0
Vs V吸
1
V
气缸的工作容积为 Vs V1 V3 增压比为 余隙容积为
o
p2 p1
p1V m 0.489kg RT1
Wc wc 115kJ / kg m
（2）无余隙时的排气量和耗功
V Vh V3 0.4678m
3
n 1 n p2 p n Wc ' p1V 1 65.17kJ 3 p1 2 n 1
3
p2 5
p1
2
2
0
1
T1
V
3、最佳增压比的推导
wc w w
I c II c
p
p3
4
3
3
5
省功
2
p2 n-1 n RT1[1 ( ) n ] n 1 p1 p3 n RT2 [1 ( ) n 1 p2
n-1 n
]
p2 5 p1 0
2
1
1
T1
V
p2 n wc RT1[2 ( ) n 1 p1
p3 3’
p2 2
p1
T2 T1
3
qH
2’
1
qL s
双级压缩中间冷却T-s图
4、两级压缩一次循环压缩机消耗的机械功
n 1 2n n Wc , n p1V 1 1 n 1
5、多级压缩： （1）最佳增压比：

i
pi 1 p1
（2）一次循环压缩机消耗的机械功：
V0=V3
余隙比为
V3 Vs
三、单级活塞式理想压缩机的工作过程
4-1：吸气过程 1-2：压缩过程 1-2T：定温压缩 1-2n：多变压缩 1-2s：绝热压缩 2-3：排气过程
p1
p
p2
3
2T 2n 2s
4
1
V
oHale Waihona Puke Baidu
单级活塞式理想压缩机p-V图
可逆定温压缩
p1 p1 v2 WcT p1V 1 ln mRT 1 ln mRT 1 ln S 1 2T 3 4 1 p2 p2 v1
2、分类
径流式（即离心式） 轴流式
1
2
3
4
5
离心式压缩机结构简图 3、工作原理
轴流式压缩机结构简图
机械能——增加动能—压力增加
叶片
扩压管
4、压气机耗功
任意工质、任意绝热过程
1 2 q 0且（ wg ) 0 2
wc wt h1 h2
wc , s h1 h2 c p (T1 T2 ) p2 k p1v1 [1 ( ) k 1 p1
第八章
学习目标：
气体的压缩
•掌握活塞式压气机工作原理, 及不同压缩过程(绝热、 定温、多变)状态参数的变化规律、耗功的计算,以及 压气机耗功的计算； •掌握容积效率的概念及余隙容积对活塞式压气机工 作的影响； •了解多级压缩、中间冷却的工作原理； •了解叶轮式压气机工作原理
压缩机分类：
工作原理 容积式压缩机：活塞式、螺杆式 速度式压缩机：离心式 、轴流式 运动形式 活塞式(往复式)： 间歇供气 回转式： 连续供气
V V1 V4 Vh V3 V4 p2 Vh V3 V3 p1 3 0.4045m
1 n
V 0.4045m
3
n 1 n p2 n Wc p1V 1 56.35kJ p1 n 1
p2
3
2n
4
V吸 Vs
1
V
V0
有余隙容积的理想压缩机p-V图
2、余隙容积对压缩机耗功的影响 p W ＝面积12341
C
5 3
＝面积12561－面积43564
设12和43两过程n相同
n 1 n p2 n Wc p1V1 1 n 1 p1 n 1 n p3 n p4V4 1 n 1 p4
Wt理论 k p2 m RT1[1 ( ) ] k 1 p1
g k -1 k
g
g
Wt实际 m cp (T1 T2' )
Wt理论 Wt实际
g
太低，则压气机报废或修理
知识延伸﹡ 其他压缩机简介 一、叶轮式压缩机
1、与往复式压缩机比较，叶轮式压缩机具有下述优点： 连续吸、排气，转速高，因而单位时间供气量大；
两级压缩、中间冷却的活塞式压缩机耗功少
压气机的设计计算
需要压气机，想设计一台 g g p 已知 ： 2 ，T1 , p1， m(V ) p1 要求：配马达功率， 出口温度。 假定 s ，理论功
Wt理论
k p2 mRT1[1 ( ) ] k 1 p1
k -1 k
Wt理论
k g p2 k m RT1[1 ( ) ] k 1 p1

理论上，活塞式压缩机的余隙容积不影响压缩单位质量 气体所消耗的机械功，但实际上由于存在膨胀和压缩过 程的不可逆损失，实际压缩机耗功会增加。
3、余隙容积对产气量的影响
由于具有余隙容积，压缩机每一循环所产生的 高压气体的数量将有所减少 有效吸气容积与气缸工作容积之比。 容积效率：
V吸 V1 V4 V3 V3 V Vs V1 V3
1.2 1 1.2
两级压缩时压缩机消耗的总功率为
m n p2 N 2 RT1[1 ( ) 3600 3600 n 1 p1
n 1 n
]
1.2 1
108.5 1.2 1 2 0.287 290 [1 7.746 1.2 ] 3600 1.2 12.24kw
4
V吸
V1
1
V3
V
有余隙容积时，压缩机一次循环的耗功减少
p1V mRT1
n 1 Wc n p1V p2 n wc 1 m n 1 m p1 n 1 n
p2 n RT1 1 n 1 p1
WcT Wcn Wcs
从 p-V图可以看出定温压缩耗功最少，而绝热压缩所消 耗的机械功最大。因此对压缩机应加强冷却。
T
2s
2T
p2
p1
2n
1
o s
单级活塞式理想压缩机T-s图
T1 T2T T2n T2s
结论：定温压缩终了的温度最低
四、余隙容积对压缩机的影响
1 、考虑余隙容积，不计流动阻力的理想压缩机 p 工作过程 4-1：吸气过程 1-2：可逆多变压缩过程 2-3：排气过程 p1 3-4：余隙容积内气体的 可逆多变膨胀过程 o
通风机Fanner pg 0.000 2 ~ 0.015 MPa 压力范围
pg 0.015 ~ 0.04 MPa 鼓风机Fan pg 0.04 MPa 压缩机Compressor
第一节 单级活塞式压缩机的工作原理
一、单级活塞式压缩机的结构
空气进口
1
2
3
4
排入空气瓶
6
5
1—空气滤清器；2—进气阀；3—肋片；4—气缸；5—活塞；6—排气阀
V3 Vs p2 p1
容积效率：V 1 ( 1)
1 n
结论： 余隙比、增压比增大，容积效率均降低
相同的余隙容积，增压比对容积效率的影响
p P2 ” P2 ’ p2 3”(2”)
1） V吸， v ，当增加到 某一数值时， V吸= 0 ， v = 0。 2）当 ，p2 ，压缩终温t2 ，为 保证润滑，要求 t2 < 160C， 7, = 2 - 6 。
4’ V吸 Vs 1 V
3’ 3
2’ 2
pb V0
4
增压比对容积效率的影响
3）对于压力较高的情况，一 般采用多级压缩和中间冷却。
已知： Vh 0.4455m3 ,V3 0.0223m3 p1 1bar , t1 15C, p2 3.5bar , n 1.2 求（1）有余隙时的排气量和耗功 （2）无余隙时的排气量和耗功 解： （1）有效容积
n 1 in n Wc , n p1V 1 1 n 1
例 某两级压缩、中间冷却的活塞式压缩机。每小时吸入 p1=0.1Mpa，t1=17℃的空气108.5kg，可逆多变压缩到 p3=6Mpa。设各级多变指数为1.2，试分析这个装置的工 作情况，并与单级多变压缩（n=1.2）至同样增压比时的 情况相比较。 解: 单级多变压缩时排气温度为
]
最佳增压比
1 2
p2 p3 7.746 p1 p2
p3 p1
6 7.746 0.1
各级的排气温度为
p2 T3 T2 T1 ( ) p1
Wc , n
n 1 n
1 p2 nn T2 T1 ( ) p1
T2' T1
407.92K
290 7.746
P1
k 1 k
1—2：理想气体可逆绝热压缩
T 2’ 2 P2
]
1—2’：不可逆绝热压缩
w h1 h2' c p (T1 T2' )
' c
1
s
T2' k RT1 (1 ) k 1 T1
2
6
4
V吸
V1
1
V3
V
p1V1 m1RT1
p2 p3
p1 p4
n 1 n
p
6
5 3
2
p2 n Wc p1 (V1 V4 ) 1 p1 n 1 n 1 n p2 n p1V 1 p1 n 1
g g
k -1
Q H Wt
Wt理论 H m(h1 h2 ) mcp (T1 T2 )
实际过程有摩擦 机械效率 经验值70％
Wt实际 Wt理论
g
Wt理论 Wt实际
T
T2
T
' 2
p2 p1

m cp (T1 T2' )
1
s
压气机的校核计算
已有压气机，实测 T1 ,T2' ,p1 , p2 , m(V ) 求：压气机效率
p1V m' 0.566kg RT1
Wc wc ' 115kJ / kg m
m 0.489kg 1 4 V
wc 115kJ / kg
V3
V1 V
第二节
低压缸
多级压缩
1、两级压缩中间冷却活塞式压气机结构简图
级间冷却器
至气瓶
高压缸
2、两级活塞式理想压缩机的示功图
p
p3
4
3
V4 V3 V3 V4 1 1 1 V1 V3 V1 V3 V3
p
5 3
2
6
4
V吸
V1
1
V3
V
V3 p3 V3 p2 v =1 [1 ( ) ] 1 [( ) 1] V1 V3 p4 Vs p1
1 n
1 n
压缩机的余隙比 增压比
n-1 n
p3 ( ) ] p2
n-1 n
欲求wc最小值，
p2 p3 p1 p2
最佳增压比
wc 0 p2
p2
p1 p3
p2 p1
p3 p1
采用最佳增压比进行双级压缩的优点：
T
1、每级压缩的增压比不会 太高，可以得到较高的容 积效率。 2、中间冷却降低了压缩终 了时气体的温度，各缸散 热量相等，终温相同。 3、减少了压缩机的耗功。 4、各缸负荷均匀
可逆绝热压缩
1 k k p 2 kk Wcs ( p1V 1 p 2V 2) p1V 1 1 ( ) S 1 2 s 3 4 1 k 1 k 1 p1
可逆多变压缩 结论：
1 n n p 2 nn Wcn ( p1V 1 p 2V 2) p1V 1 1 ( ) S 1 2 n 3 4 1 n 1 n 1 p1
p3 T3 T1 ( ) p1
n 1 n
6 290( ) 0.1
1.2 1 1.2
573.79K
t3=300.79℃
单级压缩时压缩机消耗的功率为
m n p3 N RT1[1 ( ) 3600 3600 n 1 p1 Wc , n
n 1 n
]
1.2 1 1.2
108.5 1.2 1 6 0.287 290 [1 ( ) 3600 1.2 0.1 14.72kw