第七章 压气机的压气过程

第七章压气机的压气过程

压气机是用来压缩气体提高气体压力的设备，它在各个工业部门中都得到广泛应用。例如：在燃气轮机装置及压缩制冷装置中，压气机作为装置的一个组成部分，用于对工质进行压缩；在内燃机中，压气机用作增压器或扫气泵，也是许多内燃机的一个重要组成部分；而在冶金、化工及机械工业部门中，除直接用于生产过程中提高气体的压力外，还常利用压气机来生产各种气动工具所需的压缩空气。

本章主要讨论压气机中能量转换的特点及压气过程计算所用的各种基本关系式。

7－1 压气机的压气过程

压气机的形式很多，工作压力范围也很广。有的压气机直接通过改变工质的容积，实现压缩过程，图7-1a所示的活塞式压气机及图7-1b所示的转子式压气机，就属于这种类型。有的压气机则利用高速旋转的叶轮推动气体，使气体以很高的速度运动，然后再利用扩压管使高速运动的气流降低流速而提高压力，实现气体的压缩，如图7-1c所示的离心式压气机即属于这一类。有的在利用叶轮推动气体高速运动时，还同时利用叶轮的叶片间的流道做成扩压管的形式，使气流在叶片间通过时气体的压力有所提高，图7-1d所示的轴流式压气机，就属于这种类型的压气机。 按照热力学的能量转换的观点，各种压气机的压气过程基本上是相同的。压气机工作时，从进气口吸入压力较低的气体，在

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图7-1 典型压气机工作原理示意图

压气机中进行压缩，提高气体的压力，然后经排气口输出高压气 体。在一般情况下，单位时间内压气机生产的高压气体的数量保持稳定，因而进行热力学分析时，压气机的压气过程可作为稳定流动过程。对于压气机来说，其进气和排气的流动动能及重力位能都可忽略不计。根据稳定流动能量方程式，可以得到压气机中能量转换的关系为

q ＝(h 2－h 1)＋(w s )c (7-1)

式中(w s )c 为压气机的轴功。假设压气过程是可逆过程，则按轴功的表示式可以得到

(w s )c ＝κκ)1(1

2)(−p p ＋(p 1v 1－p 2v 2)＝－ (7-2) ∫21d p v 即压气机压气过程的轴功等于压缩过程的容积变化功和进气、排气推动功的代数和。如图7-2所示，在p -v 图上，压气机压气过程

7-1 压气机的压气过程 ·175·的轴功可用压缩过程曲线1-2左侧的

面积表示。当气体由初始状态经不同

的压缩过程使气体的压力升高到相同

的终了压力时，各种压气过程中消耗

的轴功是不同的。若压气机没有采用

冷却措施，可以认为其压缩过程是绝

热过程，如图7-2中曲线1-2s 所示。若压气机采用冷却措施，因压缩过程中气体向外放热，过程中气体的温度

及压缩终了的气体的温度均低于绝热过程，该多变过程如图7-2中曲线1-2n 所示。在理想情况下，采用冷却措施的压气机的压缩过程可以看作为定温过程，如图7-2中曲线1-2T 所示。由图7-2可以看到，绝热压缩时曲线1-2s 左侧的面积最大，压气机压气过程消耗的轴功最多。而定温曲线1-2T 左侧的面积最小，压气过程消耗的轴功最少。因而为了减少压气机消耗的轴功，应采用冷却措

施，使压缩过程接近定温压缩过程。

图7-2 不同压缩过程 的对比示意图 当压缩过程为绝热过程时，根据式(7-1)可以得到压气机压气过程消耗的轴功为

－(w s )c,s ＝h 2－h 1 (7-3)

即在绝热压气过程中，压气机消耗的轴功转变为高压气体的焓。当高压气体引入动力机作功时，如不计不可逆因素造成的作功能力的损失，轴功所变成的这部分焓值，仍然可重新变成机械能。例如，燃气轮机装置中压气机所消耗的轴功，就可在涡轮机作功

时作为其轴功的一部分而重新输出①。

当压气机压缩的工质是理想气体，且其比热容可作为定值时，绝热压缩的压气过程的轴功还可表示为

(w s )c,s ＝c p 0(T 1－T 2)

①有关内容可参阅第八章关于燃气轮机装置循环的分析。

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＝1−κκR g (T 1－T 2)＝1

−κκ(p 1v 1－p 2v 2) (7-3a ) 式(7-3)、(7-3a )可用于任何绝热压气过程的轴功的计算，不论过程是可逆过程或是不可逆过程。而当过程为可逆过程时，按定

熵过程的关系p 1＝p 2，可以把上式改写为如下形式：

κ1v κ2v (w s )c,s ＝1

−κκp 1v 1[1－κκ)1(12)(

−p p ] ＝1−κκR g T 1[1－κκ)1(12)(−p p ] (7-4) 此式便于按压气过程压缩终了压力和初始压力的增压比及初始状态参数计算压气过程的轴功。

当压缩过程为定温过程时，按式(7-2)可以得到压气机压气过程消耗的轴功为

(w s )c,T ＝(－)T ＝R g T 1ln ∫21d p v 21p p ＝R g T 1ln 1

2v v (7-5) 当压缩过程为多变过程时，按式(7-2)可以得到压气机压气过程消耗的轴功为

(w s )c,n ＝(－)n ＝∫21d p v 1

−n n (p 1v 1－p 2v 2) ＝1

−n n p 1v 1[1－n p p )1(12)(−] ＝1

−n n R g T 1[1－n n p p )1(12)(−] (7-6) 例7-1 有一台活塞式空气压缩机，其气缸有水套冷却。若把空气由0.1 MPa 、17 ℃的状态压缩到0.6 MPa ，按示功图求得压缩过程的多变指数为

1.3。设压缩过程为可逆过程，试求压气机消耗的功及冷却水带走的热量，并与具有相同初始状态、终了压力的可逆绝热压缩及可逆定温压缩的压气过程相比较。

解 (1)已知空气的气体常数R g ＝0.287 kJ/(kg ·K)，多变指数n ＝1.3