工程热力学12 气体的压缩

第十二章气体的压缩

通过消耗外功来提高气体压力的设备称为压气机。压气机在工程、科学研究中具有十分广泛的用途，如动力工程中煤粉的输运和锅炉通风、制冷设备中制冷剂的压缩、风洞实验中高压气体的获得、风动工具（如公共汽车车门的开关、大型内燃机的启动），车胎打气等。

压气机分类：

通风机（<0.01MPa表压）

按压力范围鼓风机（0.01～0.3MPa表压）

压缩机（>0.3MPa表压））

活塞式

按构造叶轮式（离心式和轴流式）

引射式

活塞式压气机是通过活塞在气缸中的往复运动来挤压气缸中的气体，从而使气体的压力提高。叶轮式压气机通过叶轮的旋转，使气体加速，并使高速气体在特定流道中（相当于扩压管）降低流速，从而提高压力。活塞式压气机和叶轮式压气机的一个显著区别是：活塞式压气机吸气与排气是间歇性的；而叶轮式压气机的压缩过程是在连续流动状态下进行的，即气体不断地流入压气机，在压气机内被压缩后，不断地被排出压气机。活塞式压气机适用于高压、排量小的场合；而轴流式压气机适用于低压、排量大的场合。

尽管压气机的种类和工作原理多种多样，但是从热力学的观点来看，压缩气体的状态变化并没有什么不同，都是接受外功使气体压缩升压的过程。

12.1 活塞式压气机的工作原理

活塞式压气机的示意图和p -v 图（又称示功图）示于图12-1中。 工作三部曲： ①在活塞式压气机的理想工作过程中，气体经过进气阀与排气阀时，不考虑在阀门处的阻力与摩擦力。当活塞自左止点向右移动时，进气阀门A 打开，气体从缸外被吸入气缸，这是吸气过程（0-1），此时，吸入气体的热力学状态不发生任何变化。②当到达右止点时，进气阀关闭，活塞在外力作用下向左回行，气缸内的气体被压缩，压力升高，这就是气体的

压缩过程（2-3），此时需要消耗外功。③当活

塞左行至某一位置时，气体的压力升高到预定压

力2p ，此时排气阀门B 开启，活塞继续左行，把气缸内的气体排到储气罐或输气管道中，直至活塞到达左止点，这是排气过程（2-3）。排气过程中，气体的状态也不发生变化。活塞由曲轴－连杆机构带动，曲轴回转一次，活塞往返一次。活塞不断往复，重复上面三个过程，这就是活塞式压气机的理想工作过程。

从上面的说明中可以看出，过程0-1与2-3仅仅是将气体吸入和排出气缸的机械输运过程，气体的状态并不发生任何变化；而只有1-2的压缩过程才是真正的热力过程。定义压缩过程中气体的终压2p 与初压1p 之比为增压比，

1

2p p =

π （12-1）

图12-2（a ）和12-2（b ）分别是压缩过程的p －V 图和T －S 图。压气机的压缩过程可以看作多变过程（1→2n ）。若压缩过程进行的很快，气体来不及和外界交换热量，则压缩过程近似于绝热压缩过程（1→2s ）；如果压缩过程进行得较慢，并且气缸壁得到良好的冷却，则压缩过程接近于定温压缩过程（1→2T ）。

绝热压缩和定温压缩是压缩过程的两个极限情况。

因要考虑流动功，压气机耗功应以技术功计。对于可逆的压缩过程，技术功

⎰-=2

1d p V W t 。对于不同的压缩过程，技术功可以通过把过程方程)(V f p =代

入上式积分来得到。绝热压缩过程、多变压缩过程和定温压缩过程所消耗的技术功分别通过式（12-2a ）、（12-2b ）和（12-2c ）来计算

绝热压缩： 1ab 1211s 1

11,面积=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡--=

-κ

κπκκ

V p W s t （12-2a ）

多变压缩： 1ab 1211n 1

11n

,面积=⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡--=-n n t V p n n W π

（12-2b ） 定温压缩： 1ab 12ln 11,T T t V p W 面积=-=π

（12-2c ）

根据上面各式计算出来的技术功为负值，表明压缩需要消耗外功。技术功在p －V 图上表示为压缩过程线向纵轴投影所形成的一块面积。从图12-2（a ）中可以明显看出，

s t n t T t W W W ,,,<<

（12-3）

压缩过程中所释放的热量可以根据能量方程得到，

()t W H H Q +-=12

（12-4）

其在T －S 图上表示为压缩过程线在横轴投影所围成的一块面积，从图12-2b 中可以发现

0=>>s n T Q Q Q

（12-5）

压缩后的终温为， 绝热压缩： κκπ

1

1,2-=T T s

（12-6a ） 多变压缩： n

n n T T 1

1,2-=π （12-6b ）

定温压缩： 1,2T T T =

（12-6c ）

比较三个压缩过程之间的终温，不难得到，

s n T T T T ,2,2,2<<

（12-7）

因压缩后P 2相同，故也有 s n T v v v ,2,2,2<< （12-8）

上述结果说明，放热压缩可以节省压气机的耗功量，并且，在一切压缩中，

定温压缩所消耗的功量最小；压缩后气体的终温最低（有利于改善气缸的

润滑条件，安全及防缸壁损坏的拉缸出现）；同时，压缩后的体积最小（贮气缸小）。为了让压缩过程接近于定温压缩，工程上经常采用加气缸冷却水套、喷雾化

水， 以及下节中所要介绍的多级压缩、级间冷却等措施。

由于摩擦的影响，实际的压气过程是不可逆的，因此实际压气机的耗功量要比可逆压缩大。

余隙影响： ①进气量影响 为了避免活塞与缸盖之间的撞击，考虑缸盖

上有进、排气阀，以及热膨胀、制造公差。在活塞式压气机中，活塞与缸盖之间保持有一定的余隙，这使得排气后，余隙容积内仍然残留有一定数量的高压气体，从而造成气缸容积不能得到充分应用。

V c —余隙容积； V h =V 1-V 3气缸排量（左止点与右止点间活塞扫过的容积） V=V 1-V 4有效吸气容积（余隙中残留高压气体膨胀至进气压力要占去一部分

容积）

余隙不仅本身有一部分容积V c ，还使另一部分气缸容积V 4-V 3失去作用，描述这一气缸利用率下降，用容积效率

p