壓氣機的熱力過程

1、第九章壓氣機地?zé)崃^程、目地及要求了解壓氣機地?zé)崃^程，掌握壓氣機地理論耗功地計算方法；掌握余隙容積對理論耗功及生產(chǎn) 量地影響；掌握多級壓縮、級間冷卻地原理及用途二、內(nèi)容：9.1單級活塞式壓氣機地工作原理和理論耗功量9.2余隙容積地影響9.3多級壓縮和級間冷卻9.4葉輪式壓氣機地工作原理、重點及難點:9.1掌握活塞式壓氣機和葉輪式壓氣機地工作原理9.2掌握不同壓縮過程（絕熱、定溫、多變）狀態(tài)參數(shù)地變化規(guī)律、耗功地計算，以及壓氣機耗功地計算.9.3 了解多級壓縮、級間冷卻地工作情況.了解余隙容積對活塞式壓氣機工作地影響.四、主要外語詞匯：Compressor, Multi-Level Compr

2、essi on, In ter-cooli ng, I impaired volume五、本章節(jié)采用多媒體課件六、復(fù)習(xí)思考題及作業(yè)：思考題：1、 如果由于應(yīng)用氣缸冷卻水套以及其他冷卻方法，氣體在壓氣機中已經(jīng)能夠按定溫過程進行壓 縮,這時是否還需要采用分級壓縮？為什么？2、 壓氣機按定溫壓縮時氣體對外放出熱量，而按絕熱壓縮時不向外放熱，為什么定溫壓縮反較 絕熱壓縮更為經(jīng)濟？3、 壓氣機所需要地功也可以由第一定律能量方程式導(dǎo)出，試導(dǎo)出定溫、多變、絕熱壓縮壓氣 機所需要地功，并用T-s圖上面積表示其值.作業(yè)：9- 2,9 4,9 5,9 7第九章壓氣機地?zé)崃^程壓氣機是用來壓縮氣體地耗能設(shè)備，而不是

3、動力機.壓氣機地用途很廣泛，由于使用 場合及工作壓力范圍不同，壓氣機地結(jié)構(gòu)型式及工作原理也有很大差異.'活塞式壓氣機往復(fù)式按工作原理及構(gòu)造壓氣機可分為："葉輪式壓氣機離心式.引射式壓氣機 通風(fēng)機（O.OIMPa表壓以下）按其產(chǎn)生壓縮氣體地壓力范圍鼓風(fēng)機（0.10.3MPa表壓）I壓氣機（0.3MPa表壓以上）活塞式壓氣機和葉輪式壓氣機在結(jié)構(gòu)上及工作原理上不同，但從熱力學(xué)觀點來看氣體狀態(tài)變化過程并沒有本質(zhì)地不同，都是消耗外功，使氣體壓縮升壓地過程.在正常工 況下均可視為穩(wěn)定流動.因此，本章以活塞式壓氣機為例來分析壓縮氣體生產(chǎn)過程地?zé)?力特征.§ - 1單級活塞式壓氣機

4、地工作原理和理念耗功量1、工作原理活塞式壓氣機由進氣、壓縮、排氣三個過程組成 中進氣和排氣過程不是熱力過程，只是氣體地遷移過程，缸 內(nèi)氣體數(shù)量發(fā)生變化，而熱力學(xué)狀態(tài)不變.從右圖中可看出,a-1及2-b為引入和輸出氣缸，1 -2為氣體在壓氣機中進行壓縮地?zé)崃^程.在此過程中° 壓氣機中氣體數(shù)量不變，而氣體狀態(tài)方程變，壓縮過程地耗在壓氣中可分為兩種極限情況和一種實際情況：'其P功可由右圖中過程線 及所圍地面積所; 門/XpdV1V1V- :Pi一、絕熱過程：當(dāng)壓縮過程快，且氣缸散熱較差時，可視二、等溫過程：當(dāng)壓縮過程十分緩慢，且氣缸散熱條件良好時，可視為等溫過程.三、界于兩者之間

5、地實際過程.在p-v及T-s圖上可表示為：2、壓氣機地理論耗功p瑰用wc表示壓氣機地耗功:2s 及由熱力學(xué)第一,q -一 .Ah wt 得:1Wc 二-Wt 二（q）亠：h根據(jù)第四章地內(nèi)容，對1所述三種過程（定熵、定溫及多變過程） 則有：（1）定熵過程:(wc =面積 2s-2t-j-n- 2s)kkWc,s 二-Wt,s = ：h = Cp(T2-T1)(RgTrRgTi)(P2V2-P1V1)二k-1k-1(2)定溫過程:(wc 二面積 2t-j-n-i- 2t)1-2,若為定值比熱容,k-1/丁1(加-1f .r PM 月| P2D T | P2D T| V2wcT=-wtT=-q =

6、vdp =dp = p1v1 In =RgT In =-RgtIn L PPiPiVi(3) 可逆多變過程：(wc二面積2n-2T-j-n-1-2n )n-1Wc,n 二-Wt=：h2(RgT2-Rg£)n(P2V2-PiVi)2 Rgt(也)n-1n-1n-1n-1p1耗功大小可從1中給出地p-v圖中看出：Wc , s Wc , n Wc , TTc , s Tc , n - Tc , TVc , s，Vc , n，Vc , T這就是說，把一定量地氣體從相同初態(tài)壓到相同終態(tài)時，定溫過程所消耗地功最少 絕熱過程最多，多變過程介于兩者之間，且隨n減小而減少；且絕熱過程中氣體地溫升及 比

7、體積也較大,這對機器地運行也是不利地，所以在壓氣過程中，應(yīng)晝減小n,使之接近定 溫過程,對于單級活塞式壓氣機，通常多變指數(shù)n = 1.21.3.§9- 2余隙容積地影響活塞從上死點運動到下死點時活塞掃過地容 1在實際過程中，由于制造公差及材料地受熱膨 脹等因素地影響，當(dāng)活塞運動到死點位置上時，在 活塞頂面與氣缸蓋間有一定地空隙，該空隙地容積£一1為排氣過程,3 4為余隙中氣體地稱為余隙容積，用Vc表示，并用Vh表示排氣量,它是在上圖中，我們可以看到：1-2為壓縮過程,2-3 膨脹過程,4 - 1為有效進氣過程.余隙容積地影響主要是兩個方面：(1) 對生產(chǎn)量地影響由于余隙容積

8、地影響，活塞在右行之初，由于氣缸內(nèi)壓力大于外界壓力而不能進氣 直到氣缸內(nèi)氣體容積由V3膨脹到V4,此時P二P1時才開始進氣，氣缸內(nèi)實際進氣容積 V稱為有效進氣容積，所以有：V =V1-V4,所以，由于余隙容積Vc地存在，其本身不起壓力作 用，而且使另一部分氣缸容積也起不到壓縮作用.用n表示有效吸氣容積V與氣缸排量Vh之間地比，稱容積效率，vV1-V4(VM-MM)4 (V4-V3)(V有:VhV1-V3V1-V3V1-V3其中：WVc稱為余隙容積百分比，簡稱余隙容積比或余隙比而:1P3)nP41(上)n1n吒即1-VhA"(91)Pl此時專=陛，稱為增壓比.P1由上式可看出： 當(dāng)氣缸

9、一定時，則Vc、Vh 一定，要使n增大，則需減小二值；且當(dāng)二達到一定數(shù)值當(dāng)增壓比二一定時，余隙比越大，則n越低.（2）對理念耗功地影響Wc 二面積 12fg1 -面積 43fg4n-1n-1n-1pM(Pi)7P1-1- nn-1P4V4KP4-1又 TP1 二 P4P2 = p3上式簡化為:Wc 二P2n-1n-1P1【On -1KV1-V4)二P1n-1P1V(二n-1nn-1-1)”5 n-1)m是壓氣機生產(chǎn)地壓縮氣體地質(zhì)量n-1若生產(chǎn)1kg壓縮氣體，則:WcnmRgT"n-1)(9 2)由（9 1）及（9 2）兩式得：活塞式壓氣機余隙容積地存在，雖對壓縮宣氣體時地理念耗功無影

10、響，但容積效率n降低，即單位時間內(nèi)生產(chǎn)地壓縮氣體量減少.§9 3 多級壓縮和級間冷卻從上節(jié)分析中可看出，當(dāng)增壓比二增大時，容積效率n降低；且由于P2增大,導(dǎo)致壓縮過程中T2增大，這是對壓氣機地安全運行不利地，為了達到使P2增大，而不影響壓氣機 工作效率地目地，目前常采用地辦法是多級壓縮、級間冷卻.1、工作原理將氣體逐級在不同氣缸中被壓縮，每經(jīng)過一次壓 縮后，就在中間冷卻器中定壓冷卻到壓縮前地溫度 ，然 后進入下一級氣缸繼續(xù)被壓縮圖9- 5 (P261)中給采用分級壓縮時消耗地功比單級壓縮所消耗地功少Wc 二 Wc,LWc,Hn-1n-1二一 RgTi(蟲廠-1) RgT/K23 廠-

11、1)n-1p1n-1p2又T1 二 T2,n-1n-1舊師咱一(自“)n-1而在單級壓縮中Wc = n RgT1( Ps)v -1n-1口對二級壓縮Wc中地P2求導(dǎo),并令其導(dǎo)數(shù)等于零(求當(dāng)P2為多少時Wc取最小值)得:當(dāng)：P2 = p1 P3或 衛(wèi)2 二衛(wèi)3 時P1 P2在這時Wc取得最小值為：n-1W c, min二RgT( P2)v-1n-1P1若為m級壓縮，各級壓力分別為P1 , P2Pm , Pm 1,每級中間冷卻器都將氣體冷卻到最初溫度,則此時若使壓氣機消耗地總功最小，必須滿足:理 _邑 _ PmPm1 _P1 P2Pm-1Pmmnn-1且wc =送 wci = m R g1 (nn

12、 -1)n-1綜上所述得，采用分級壓縮，各級增壓比相同地好處可歸納為：(1) 消耗地總功最??；(2) 每級壓氣機消耗功相等，有利于曲軸力地平衡；(3) 每級壓縮后，氣體地初、終溫相等，這樣每個氣缸地溫度條件相同，可利用同樣材 質(zhì)；(4) 每級向外排出熱量相等，且每一級中間冷卻器向外排出地?zé)崃恳蚕嗤?(5) 各級氣缸容積按增壓比遞減；(6) 有利于容積效率n地提高但無論是分級壓縮或單級壓縮，都應(yīng)盡可能采用冷卻措施，力求接近等溫過程.工程 中常采用壓氣機地定溫效率吒,丁來作為活塞式壓氣機性能優(yōu)劣地指標.定溫過程W耗 功wc T實際過程W耗功wc'§9-4葉輪式壓氣機地工作原理1、

13、工作原理如圖9-6( P263),軸流式壓氣機，總地工作原理為：使高速流動地氣體通過擴壓管 地作用后，使動能變成壓力，并在擴壓管地作用下，壓力進一步升高，從而達到使氣體壓縮 地目地.葉輪式壓氣機克服了活塞式壓氣機中：單位時間內(nèi)產(chǎn)氣量小、轉(zhuǎn)速不高、間隙性 吸氣、排氣及余隙容積地影響它轉(zhuǎn)速高，能連續(xù)不斷地吸氣及排氣，沒有余隙容積，所以 機體緊湊且產(chǎn)氣量大 缺點：(1) 增壓比小,若要得到較高所壓，則需級數(shù)甚多(2) 因氣速較大，所以易造成較大地摩擦損耗，故在制造及設(shè)計上地技術(shù)水平要求甚 高2、葉輪式壓氣機地分類從結(jié)構(gòu)上，葉輪式壓氣機可分:徑流式(離心式) 軸流式徑向壓氣機借助輸入地功率來帶動轉(zhuǎn)軸，

14、利用高速旋轉(zhuǎn)地葉輪來推動氣體，然后再 利用葉片之間空間所形成地變截面通道(起擴壓作用)，使高速氣流降速，動能減少，壓力 增加，從而達到對氣體進行壓縮地目地3、熱力學(xué)分析從熱力學(xué)觀點分析，其氣體狀態(tài)變化過程，完全與活塞式壓氣機相同由于葉輪式壓氣機一般不在冷卻情況下工作，所以常采用絕熱效率來衡量其工作優(yōu) 劣.在壓縮氣體狀態(tài)相同，壓縮后壓力也相同地情況下，我們用壓氣機絕熱效率或稱壓氣 機絕熱內(nèi)效率nc,s表示葉輪式壓氣機工作優(yōu)劣，則：s可逆絕熱下壓氣機耗w功 不可逆絕熱下壓功氣c機s耗'n,sh2s-hi若為理想氣體地定比熱容，則:T2s-T1n,s =T2F?t例：軸流式壓氣機從大氣吸入p

15、 = O.IMPa、ti = 17°C地空氣，經(jīng)絕熱壓縮至P2二0.9MPa 由于摩阻作用，使出口空氣溫度為t2 =307°C .若此不可逆絕熱過程地初、終態(tài)參數(shù)滿足nnPiVi = P2V2 ,且質(zhì)量流量為720kg/min ,試求：(1)多變指數(shù)n； (2)壓氣機地絕熱效率；(3)拖動壓氣機所需 地功率；(4)由于不可逆多耗地功量 W ; ( 5)若環(huán)境溫度t。=鮎=17°C,求由于不可逆引起地有 效能損失I ; (6)在T s圖上用面積示出.：wt和I.解：(1)求多變指數(shù)n：不可逆絕熱壓縮過程地初、終態(tài)參數(shù)滿足多變過程地關(guān)系:亠時nTiPin-1 _ Ing Ti) _ In(307+273)/(i7+237) _ 0 3i5 nIn(P2/P1)In (0.90.1)則：多變指數(shù)n =1.4 6 1(2 )求壓氣機地絕熱效率：1.4-1T2 =T1 (-P2)n；129(0)：r =543.3 ( K ) Pi0.1壓氣機地絕熱效率為：543.3-290580 - 290(3) 求壓氣機所耗功率：P =Wt =q