容积式压缩机,过程流体机械课件,过程装备要控制工程
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注意：
计算容积流量时，对于实际气体要考虑其压缩性系数；
折算容积流量时，要将中途分离出去的气体（水分）体积加进去， 而将中途添加进的气体体积扣除。
容积流量并不真正反映压缩机的供气能力。 压缩机铭牌上的容积流量指的是额定工况时的容积流量。
三 热力性能
容积流量的计算公式1
其中，qvd：末级排出的气体量， m3/min；
下标s1 ：第1级进口状态下的压力和温度； 下标d：末级状态下的压力和温度； Z：压缩性系数，对理想气体值为1； qvφ：分离的水分换算到第1级进口状态的容积流量， m3/min；
qvc：中途除掉的气体换算到第1级进口状态的容积流量， m3/min；
若为加入的气体，则取负值。
三 热力性能
容积流量的计算公式2
注：实际气体的指示功也可由P-V图直接近似计算。
多级压缩
1. 多级压缩的定义
多级压缩是将气体的压缩过程分若干级进行，并在 每级压缩之后导入中间冷却器进行冷却。
P1
P2
多级压缩
L 型 氮 氢 气 压 缩 机
多级压缩
2. 多级压缩的优缺点
优点： 节省压缩气体的指示功；
可以降低排气温度；
排气温度：T T d s
压缩机铭牌上的排气压力指的是额定值； 压缩机的实际吸、排气压力可以在较大允许范围内变化； 吸气压力一般与工作过程无关，实际排气压力则由排气系统的压力 （即“背压”）决定； 注意区别压缩机的“排气压力”和“级间压力”。
三 热力性能
2. 排气温度
定义 压缩机的排气温度是指压缩机末级排出气体的温度， 应在末级气缸排气法兰接管处测得。各级的排气温度应在 相应级的排气管处测得。
k
等温压缩理论循环指示功：
Wi p1V1 ln
1
其中，K为绝热指数
多变压缩理论循环指示功：
m 1 m p2 m 1 Wi p1V1 m 1 p1
p2 p1
其中，m为过程指数
从压缩机的功耗看：等温压缩过程的功耗最少，绝热 压缩的功耗最多。
（1）理论进气量V1和行程容积VS
压缩机的理论循环
（2）指示功（循环消耗的外功）Wi V p Wi p1V1 p2V2 pdV Vdp
2 2
V1
p1
“－”表示外界作功
绝热压缩理论循环指示功： k 1
k p2 Wi p1V1 p1 k 1
Hale Waihona Puke Baidu 往复压缩机概述
机身 气缸体 气缸盖 气缸座
一 往复压缩机概述
活 塞
与活塞杆相连
与连杆相连
一 往复压缩机概述
活塞环和活塞杆
一 往复压缩机概述
气 阀
一 往复压缩机概述
曲 轴
平衡重
一 往复压缩机概述
连 杆
一 往复压缩机概述
连杆的连接
一 往复压缩机概述
十字头及销
一 往复压缩机概述
填料密封
三 热力性能
4. 供气量（标准容积流量）
定义 将容积流量折算到标准状态（1.013×105Pa，0℃）时 的干气容积值，称为供气量或标准容积流量。 供气量与容积流量的关系：
其中， qv：压缩机的容积流量，m3/min； P0、T0和 Ps1、Ts1 ：标准状态及进口状态的压力和温度；
φ：相对湿度；
进气时，气体温度低于气缸壁，气体吸热; 压缩过程中，吸热压缩 绝热压缩 放热压缩 排气时，气体温度高于气缸壁，气体放热。
气缸容积不可能绝对密封；（泄漏系数）
漏气：进、排气阀；活塞环与气缸壁间；填料密封
阀室容积不是无限大。
进排气系统：进气过程压力逐渐降低；排气过程压力逐渐升高
压缩机的实际循环
PSa1：进气温度下的水蒸气的饱和蒸汽压。
三 热力性能
5. 各级工作容积的确定
第一级的工作容积为：
VS1 qV V n
1
其中，qv：压缩机的容积流量，m3/min；
ηv1 ：第一级的容积效率；n：压缩机转速，r/min
qV p1 TSi i ci Z Si 任意i 级的工作容积为： VSi n pSi T1 Vi Z S1
Vd V p T l VS VS
其中： V p T l ，称为排气系数
压缩机的实际循环
4. 实际循环指示功Wi
对理想气体
n 1 n 1 0 n 1 Wi 1 s p1V Vs n 1
压缩机的实际循环
（4）泄漏系数λl ——气缸并非绝对密封
主要的泄漏部位： 气缸的活塞环；气阀；填料密封 有油润滑压缩机一般取0.90～0.98 无油润滑压缩机一般取0.85～0.95
（5）实际循环进气量VS’和排气量Vd
VS' V p T VS S VS
其中： S V p T ，称为吸气系数
其中：α＝V0/VS；相对余隙容积 ε＝p2/p1；名义压力比 m：膨胀指数
容积系数λv是小于1的系数，表征了余隙容积对气缸吸气能力的影响
压缩机的实际循环
（2）压力系数λp——进、排气阀有压力损失
pa pa p 1 p1 p1
pa：进气结束时工作腔内的压力
影响压力系数的主要因素： 吸气阀处于关闭状态时的弹簧力
往复压缩机级数与终压间的关系
终压MPa
0.3～1
0.6～6
1.4～15
3.6～40 15～100 80～150
级数
1
2
3
4
5～6
7
多级压缩
4. 压力比的分配
在理想条件下，对多级压缩机，取各级压力比相等即为 省功的最佳压力比。（证明过程参见相关参考书） 多级压缩过程中，常取等压比原则分配压力比。则各级 压力比为：
每一级的排气温度计算： T2 T1 注意：
要了解限制排气温度的必要性：
保证良好的润滑，避免“积炭”；考虑气体自身性质。 可通过加强气缸的冷却、降低过程指数m或压力比ε降低排气温度。
m 1 m
注意区分“排气温度”和“压缩终了温度”。
三 热力性能
3. 容积流量（排气量）
定义 容积流量通常是指单位时间内压缩机最后一级排出的 气体，换算到第一级进口压力和温度时的气体容积值，单 位为m3/min或m3/h ；通常用qv表示。
1. 实际循环的特点
气体流经进排气阀和管道时必然有摩擦，由此产生 压力损失； （压力系数）
进气时，气缸内压力P一般 低于进气管道压力P1;
排气时，气缸内排气压力P
高于排气管道压力P2;
压缩机的实际循环
1. 实际循环的特点
气体与各接触壁间存在温差，导致不断有热量吸入 和放出；（温度系数）
2. 实际工作循环过程 实际工作循环过程：
c d a b d：膨胀过程 a：进气过程 b：压缩过程 c：排气过程
实际循环的进气量一定少于理论循环进气量。
压缩机的实际循环
3. 实际循环的进、排气量
（1）容积系数λv——存在余隙容积V0
1 1 m VS1 V0 p2 m V1 1 1 1 V 1 1 p1 VS VS VS
m1 m
可以提高容积系数λv ；
可以降低活塞力。
缺点：级数过多，结构复杂；级间管路增加，阻力损失增
加，功耗增加；操作与维修困难等。
多级压缩
3. 级数的选择 最佳级数：从省功角度——整个机器的等温指示效率最高
参见图（2－19）
大、中型压缩机：以最省功为原则；
小型压缩机：以每级允许的排气温度或结构紧凑为原则； 特殊气体（易燃易爆等）：取决于每级允许的排气温度；
各类压缩机的适用范围
工作稳定性较好；
工作性能与气体性质关系不大，
故适应性较强；
容易达到较高的压力； 热效率较高； 结构较复杂，易损坏零件较多 气体吸入和排出是间歇的，容
易引起气柱及管道的振动。
二 往复压缩机的工作过程
压缩机的理论循环
压缩机的实际循环
多级压缩
压缩机的理论循环
在排气过程终了时，缸内的气体被全部排出；
工作腔作为一个孤立体与外界无热交换；
气体压缩过程指数为定值；
气体无泄漏。
压缩机的理论循环
3. 理论工作循环过程 理论工作循环过程：
外止点 内止点
4
1
1：进气过程
2：压缩过程 3：排气过程
3
2
2
4 1 压－容图
压缩机的理论循环
4. 理论循环的压缩功
十字头
曲轴 连杆 平衡重 中间冷却器
一 往复压缩机概述
往复压缩机的基本结构组成：
工作腔部分：处理气体
气缸（缸盖） 活塞（活塞环、活塞杆或填料密封） 气阀（进气阀和排气阀）
传动部分：驱动活塞往复运动
曲轴 连杆 十字头（销）
机身部分：支撑气缸与传动部分
辅助设备
润滑系统 冷却系统（缸套、中间冷却器） 管路系统
i Z
pd Z t ps
其中，Z：压缩机级数；pd 和ps分别为排、进气压力。
注意：实际中，为了平衡活塞力，可适当调整等压比原则；
为增加进气量，第一级压力比可取小些；
为方便气量调节，最末一级也取小些。
三 热力性能
三 热力性能
1. 吸、排气压力
定义 吸气压力——压缩机第一级吸入管道处的气体压力； 排气压力——压缩机末级排出接管处的气体压力。 注意：
山东科技大学机械电子工程学院
过程流体机械
二〇〇九年十月
第二章 容积式压缩机
主 要 内 容
一 二 三 四 五 六 七 八 往复压缩机概述 往复压缩机的工作过程 热力性能 动力性能 气阀和密封 调节方式及其控制 选型 回转式压缩机
一 往复压缩机概述
• • •
往复压缩机的总体结构 往复压缩机的工作原理 往复压缩机的特点
qV VS'1 l1 n VS1 V 1 P1 T1 l1 n
其中，VS1：第一级气缸的行程容积， m3；
V 1 P1 T 1 l1
：第一级气缸的容积系数； ：第一级气缸的压力系数；
：第一级气缸的温度系数；
：第一级气缸的泄漏系数；
n：压缩机的转速， r/min。
一 往复压缩机概述
2. 往复压缩机的工作原理
一级（或一 个循环）： 进气 压缩 排气
一 往复压缩机概述
左气缸
进气
压缩(排气) 右气缸 压缩(排气)
进气
往复式压缩机——双作用式气缸
一 往复压缩机概述
往复式压缩机——级差式气缸
一 往复压缩机概述
3. 往复压缩机的特点
排气压力与流量的关系不大，
1. 基本概念
外止点
内止点
一级：被压缩气体进入工作腔完成一次气体压缩称为一级， 包括进气、压缩、排气等过程，也称为一个工作循环。 进程：活塞向“外止点”运动时，称为进程。 回程：活塞向“内止点”运动时，称为回程。
行程：活塞从一个止点到另一个止点的距离称为行程“s”。
压缩机的理论循环
2. 理论循环的特征 气体通过进排气阀时无压力损失，进、排气压力 没有波动，保持恒定；
一 往复压缩机概述
1. 总体结构
一 往复压缩机概述
组成：
气缸 活塞（活塞环） 进、排气阀 连杆
曲轴
组成：气缸、 活塞(活塞环)、进排气阀、活塞杆、 十字头(销)、连杆、 曲轴、
一 往复压缩机概述
组成：
L 型 空 气 压 缩 机
气缸 活塞（活塞环） 进排气阀 活塞杆（填料）
压缩机的实际循环
1. 实际循环的特点
任何工作腔都存在余隙容积；
排气阀 余隙容积
（容积系数）
余隙容积V0：活塞在止点时，气
P2
缸中残留气体所占的压缩腔容积
余隙容积包括：
气缸盖
P1 进气阀
活塞与气缸的间隙容积；
气阀片的通道容积；
活塞顶部至第一活塞环间的容积
活塞环
气缸
压缩机的实际循环
其中：δs,δ0：进气相对压力损失和总的相对压力损失
p1 p1 p1' s p1 p1
' p2 p2 p2 d p2 p2
（查图2-14确定）
0 s d
n 1 n Z1 Z 2 n 1 对实际气体 Wi 1 s p1V Vs 1 0 n 1 2Z1
进气管道中的压力波动 压力系数λp表示压力降低对进气量减小的影响程度。
（3）温度系数λT ——气体与工作腔壁有热交换
T1 T Ta
Ta：进气结束时工作腔内的温度
影响温度系数的主要因素： 该级的压力比；
气体的性质及气缸的冷却程度。 温度系数λT表示进入气缸的气体由于吸热膨胀而使进气量减小的程度。
计算容积流量时，对于实际气体要考虑其压缩性系数；
折算容积流量时，要将中途分离出去的气体（水分）体积加进去， 而将中途添加进的气体体积扣除。
容积流量并不真正反映压缩机的供气能力。 压缩机铭牌上的容积流量指的是额定工况时的容积流量。
三 热力性能
容积流量的计算公式1
其中，qvd：末级排出的气体量， m3/min；
下标s1 ：第1级进口状态下的压力和温度； 下标d：末级状态下的压力和温度； Z：压缩性系数，对理想气体值为1； qvφ：分离的水分换算到第1级进口状态的容积流量， m3/min；
qvc：中途除掉的气体换算到第1级进口状态的容积流量， m3/min；
若为加入的气体，则取负值。
三 热力性能
容积流量的计算公式2
注：实际气体的指示功也可由P-V图直接近似计算。
多级压缩
1. 多级压缩的定义
多级压缩是将气体的压缩过程分若干级进行，并在 每级压缩之后导入中间冷却器进行冷却。
P1
P2
多级压缩
L 型 氮 氢 气 压 缩 机
多级压缩
2. 多级压缩的优缺点
优点： 节省压缩气体的指示功；
可以降低排气温度；
排气温度：T T d s
压缩机铭牌上的排气压力指的是额定值； 压缩机的实际吸、排气压力可以在较大允许范围内变化； 吸气压力一般与工作过程无关，实际排气压力则由排气系统的压力 （即“背压”）决定； 注意区别压缩机的“排气压力”和“级间压力”。
三 热力性能
2. 排气温度
定义 压缩机的排气温度是指压缩机末级排出气体的温度， 应在末级气缸排气法兰接管处测得。各级的排气温度应在 相应级的排气管处测得。
k
等温压缩理论循环指示功：
Wi p1V1 ln
1
其中，K为绝热指数
多变压缩理论循环指示功：
m 1 m p2 m 1 Wi p1V1 m 1 p1
p2 p1
其中，m为过程指数
从压缩机的功耗看：等温压缩过程的功耗最少，绝热 压缩的功耗最多。
（1）理论进气量V1和行程容积VS
压缩机的理论循环
（2）指示功（循环消耗的外功）Wi V p Wi p1V1 p2V2 pdV Vdp
2 2
V1
p1
“－”表示外界作功
绝热压缩理论循环指示功： k 1
k p2 Wi p1V1 p1 k 1
Hale Waihona Puke Baidu 往复压缩机概述
机身 气缸体 气缸盖 气缸座
一 往复压缩机概述
活 塞
与活塞杆相连
与连杆相连
一 往复压缩机概述
活塞环和活塞杆
一 往复压缩机概述
气 阀
一 往复压缩机概述
曲 轴
平衡重
一 往复压缩机概述
连 杆
一 往复压缩机概述
连杆的连接
一 往复压缩机概述
十字头及销
一 往复压缩机概述
填料密封
三 热力性能
4. 供气量（标准容积流量）
定义 将容积流量折算到标准状态（1.013×105Pa，0℃）时 的干气容积值，称为供气量或标准容积流量。 供气量与容积流量的关系：
其中， qv：压缩机的容积流量，m3/min； P0、T0和 Ps1、Ts1 ：标准状态及进口状态的压力和温度；
φ：相对湿度；
进气时，气体温度低于气缸壁，气体吸热; 压缩过程中，吸热压缩 绝热压缩 放热压缩 排气时，气体温度高于气缸壁，气体放热。
气缸容积不可能绝对密封；（泄漏系数）
漏气：进、排气阀；活塞环与气缸壁间；填料密封
阀室容积不是无限大。
进排气系统：进气过程压力逐渐降低；排气过程压力逐渐升高
压缩机的实际循环
PSa1：进气温度下的水蒸气的饱和蒸汽压。
三 热力性能
5. 各级工作容积的确定
第一级的工作容积为：
VS1 qV V n
1
其中，qv：压缩机的容积流量，m3/min；
ηv1 ：第一级的容积效率；n：压缩机转速，r/min
qV p1 TSi i ci Z Si 任意i 级的工作容积为： VSi n pSi T1 Vi Z S1
Vd V p T l VS VS
其中： V p T l ，称为排气系数
压缩机的实际循环
4. 实际循环指示功Wi
对理想气体
n 1 n 1 0 n 1 Wi 1 s p1V Vs n 1
压缩机的实际循环
（4）泄漏系数λl ——气缸并非绝对密封
主要的泄漏部位： 气缸的活塞环；气阀；填料密封 有油润滑压缩机一般取0.90～0.98 无油润滑压缩机一般取0.85～0.95
（5）实际循环进气量VS’和排气量Vd
VS' V p T VS S VS
其中： S V p T ，称为吸气系数
其中：α＝V0/VS；相对余隙容积 ε＝p2/p1；名义压力比 m：膨胀指数
容积系数λv是小于1的系数，表征了余隙容积对气缸吸气能力的影响
压缩机的实际循环
（2）压力系数λp——进、排气阀有压力损失
pa pa p 1 p1 p1
pa：进气结束时工作腔内的压力
影响压力系数的主要因素： 吸气阀处于关闭状态时的弹簧力
往复压缩机级数与终压间的关系
终压MPa
0.3～1
0.6～6
1.4～15
3.6～40 15～100 80～150
级数
1
2
3
4
5～6
7
多级压缩
4. 压力比的分配
在理想条件下，对多级压缩机，取各级压力比相等即为 省功的最佳压力比。（证明过程参见相关参考书） 多级压缩过程中，常取等压比原则分配压力比。则各级 压力比为：
每一级的排气温度计算： T2 T1 注意：
要了解限制排气温度的必要性：
保证良好的润滑，避免“积炭”；考虑气体自身性质。 可通过加强气缸的冷却、降低过程指数m或压力比ε降低排气温度。
m 1 m
注意区分“排气温度”和“压缩终了温度”。
三 热力性能
3. 容积流量（排气量）
定义 容积流量通常是指单位时间内压缩机最后一级排出的 气体，换算到第一级进口压力和温度时的气体容积值，单 位为m3/min或m3/h ；通常用qv表示。
1. 实际循环的特点
气体流经进排气阀和管道时必然有摩擦，由此产生 压力损失； （压力系数）
进气时，气缸内压力P一般 低于进气管道压力P1;
排气时，气缸内排气压力P
高于排气管道压力P2;
压缩机的实际循环
1. 实际循环的特点
气体与各接触壁间存在温差，导致不断有热量吸入 和放出；（温度系数）
2. 实际工作循环过程 实际工作循环过程：
c d a b d：膨胀过程 a：进气过程 b：压缩过程 c：排气过程
实际循环的进气量一定少于理论循环进气量。
压缩机的实际循环
3. 实际循环的进、排气量
（1）容积系数λv——存在余隙容积V0
1 1 m VS1 V0 p2 m V1 1 1 1 V 1 1 p1 VS VS VS
m1 m
可以提高容积系数λv ；
可以降低活塞力。
缺点：级数过多，结构复杂；级间管路增加，阻力损失增
加，功耗增加；操作与维修困难等。
多级压缩
3. 级数的选择 最佳级数：从省功角度——整个机器的等温指示效率最高
参见图（2－19）
大、中型压缩机：以最省功为原则；
小型压缩机：以每级允许的排气温度或结构紧凑为原则； 特殊气体（易燃易爆等）：取决于每级允许的排气温度；
各类压缩机的适用范围
工作稳定性较好；
工作性能与气体性质关系不大，
故适应性较强；
容易达到较高的压力； 热效率较高； 结构较复杂，易损坏零件较多 气体吸入和排出是间歇的，容
易引起气柱及管道的振动。
二 往复压缩机的工作过程
压缩机的理论循环
压缩机的实际循环
多级压缩
压缩机的理论循环
在排气过程终了时，缸内的气体被全部排出；
工作腔作为一个孤立体与外界无热交换；
气体压缩过程指数为定值；
气体无泄漏。
压缩机的理论循环
3. 理论工作循环过程 理论工作循环过程：
外止点 内止点
4
1
1：进气过程
2：压缩过程 3：排气过程
3
2
2
4 1 压－容图
压缩机的理论循环
4. 理论循环的压缩功
十字头
曲轴 连杆 平衡重 中间冷却器
一 往复压缩机概述
往复压缩机的基本结构组成：
工作腔部分：处理气体
气缸（缸盖） 活塞（活塞环、活塞杆或填料密封） 气阀（进气阀和排气阀）
传动部分：驱动活塞往复运动
曲轴 连杆 十字头（销）
机身部分：支撑气缸与传动部分
辅助设备
润滑系统 冷却系统（缸套、中间冷却器） 管路系统
i Z
pd Z t ps
其中，Z：压缩机级数；pd 和ps分别为排、进气压力。
注意：实际中，为了平衡活塞力，可适当调整等压比原则；
为增加进气量，第一级压力比可取小些；
为方便气量调节，最末一级也取小些。
三 热力性能
三 热力性能
1. 吸、排气压力
定义 吸气压力——压缩机第一级吸入管道处的气体压力； 排气压力——压缩机末级排出接管处的气体压力。 注意：
山东科技大学机械电子工程学院
过程流体机械
二〇〇九年十月
第二章 容积式压缩机
主 要 内 容
一 二 三 四 五 六 七 八 往复压缩机概述 往复压缩机的工作过程 热力性能 动力性能 气阀和密封 调节方式及其控制 选型 回转式压缩机
一 往复压缩机概述
• • •
往复压缩机的总体结构 往复压缩机的工作原理 往复压缩机的特点
qV VS'1 l1 n VS1 V 1 P1 T1 l1 n
其中，VS1：第一级气缸的行程容积， m3；
V 1 P1 T 1 l1
：第一级气缸的容积系数； ：第一级气缸的压力系数；
：第一级气缸的温度系数；
：第一级气缸的泄漏系数；
n：压缩机的转速， r/min。
一 往复压缩机概述
2. 往复压缩机的工作原理
一级（或一 个循环）： 进气 压缩 排气
一 往复压缩机概述
左气缸
进气
压缩(排气) 右气缸 压缩(排气)
进气
往复式压缩机——双作用式气缸
一 往复压缩机概述
往复式压缩机——级差式气缸
一 往复压缩机概述
3. 往复压缩机的特点
排气压力与流量的关系不大，
1. 基本概念
外止点
内止点
一级：被压缩气体进入工作腔完成一次气体压缩称为一级， 包括进气、压缩、排气等过程，也称为一个工作循环。 进程：活塞向“外止点”运动时，称为进程。 回程：活塞向“内止点”运动时，称为回程。
行程：活塞从一个止点到另一个止点的距离称为行程“s”。
压缩机的理论循环
2. 理论循环的特征 气体通过进排气阀时无压力损失，进、排气压力 没有波动，保持恒定；
一 往复压缩机概述
1. 总体结构
一 往复压缩机概述
组成：
气缸 活塞（活塞环） 进、排气阀 连杆
曲轴
组成：气缸、 活塞(活塞环)、进排气阀、活塞杆、 十字头(销)、连杆、 曲轴、
一 往复压缩机概述
组成：
L 型 空 气 压 缩 机
气缸 活塞（活塞环） 进排气阀 活塞杆（填料）
压缩机的实际循环
1. 实际循环的特点
任何工作腔都存在余隙容积；
排气阀 余隙容积
（容积系数）
余隙容积V0：活塞在止点时，气
P2
缸中残留气体所占的压缩腔容积
余隙容积包括：
气缸盖
P1 进气阀
活塞与气缸的间隙容积；
气阀片的通道容积；
活塞顶部至第一活塞环间的容积
活塞环
气缸
压缩机的实际循环
其中：δs,δ0：进气相对压力损失和总的相对压力损失
p1 p1 p1' s p1 p1
' p2 p2 p2 d p2 p2
（查图2-14确定）
0 s d
n 1 n Z1 Z 2 n 1 对实际气体 Wi 1 s p1V Vs 1 0 n 1 2Z1
进气管道中的压力波动 压力系数λp表示压力降低对进气量减小的影响程度。
（3）温度系数λT ——气体与工作腔壁有热交换
T1 T Ta
Ta：进气结束时工作腔内的温度
影响温度系数的主要因素： 该级的压力比；
气体的性质及气缸的冷却程度。 温度系数λT表示进入气缸的气体由于吸热膨胀而使进气量减小的程度。