壓氣機性能試驗報告

1、天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告天津市高等教育自學考試模具設(shè)計與制造專業(yè)熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用綜合實驗報告（一）壓氣機性能實驗主考院校:專業(yè)名稱:專業(yè)代碼:學生姓名:準考證號:第1頁共1頁天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告活塞式壓氣機概述1.活塞式壓氣機結(jié)構(gòu)及工作原理(1)活塞式壓氣機結(jié)構(gòu)壓氣機在現(xiàn)代工業(yè)以及現(xiàn)代人的生活中被越來越多的廣泛應(yīng)用，不論是汽車上的渦輪增壓系統(tǒng)還是航空航天發(fā)動機中的渦噴應(yīng)用，隨著技術(shù)的不斷革新，其結(jié)構(gòu)、性能也在不斷的優(yōu)化、提高。本實驗旨在通過對簡單形式的壓氣機，進行結(jié)構(gòu)、工作原理以及性能的實驗，以達到驗證并深刻理解、掌握熱工學課程中所學得的知

2、識并應(yīng)用于實際生產(chǎn)實踐中。本次實驗所用壓氣機為“活塞式壓氣機”，現(xiàn)就其結(jié)構(gòu)及特點作簡要說明?；钊綁簹鈾C是通用的機械設(shè)備之一，是一種將機械能轉(zhuǎn)化為氣體勢能的機械圖1.1活塞式壓氣機機構(gòu)簡圖圖1-2三維仿真示意圖第2頁共2頁天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告(2)活塞式壓氣機工作原理：電機通過皮帶帶動曲柄轉(zhuǎn)動，由連桿推動活塞作往復(fù)移動，壓縮汽缸內(nèi)的空氣達到需要的壓力。曲柄旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)移動一次，壓氣機的工作過程分為吸氣、壓縮、排氣三步。具體為：在氣缸內(nèi)作往復(fù)運動的活塞向右移動時，氣缸內(nèi)活塞左腔的壓力低于大氣壓力pa,吸氣閥開啟，外界空氣吸入缸內(nèi)，這個過程稱為壓縮過程。當缸內(nèi)壓

3、力高于輸出空氣管道內(nèi)壓力p后,排氣閥打開。壓縮空氣送至輸氣管內(nèi)，這個過程稱為排氣過程。這種結(jié)構(gòu)的壓縮機在排氣過程結(jié)束時總有剩余容積存在。在下一次吸氣時，剩余容積內(nèi)的壓縮空氣會膨脹，從而減少了吸人的空氣量，降低了效率，增加了壓縮功。且由于剩余容積的存在，當壓縮比增大時，溫度急劇升高。特別的是，單級活塞式空壓機，常用于需要0.30.7MPa壓力范圍的系統(tǒng)。壓力超過0.6MPa,各項性能指標將急劇下降。故當輸出壓力較高時，應(yīng)采取分級壓縮。分級壓縮可降低排氣溫度，節(jié)省壓縮功，提高容積效率，增加壓縮氣體排氣量?；钊娇諌簷C有多種結(jié)構(gòu)形式。按氣缸的配置方式分有立式、臥式、角度式、對稱平衡式和對置式幾種。按

4、壓縮級數(shù)可分為單級式、雙級式和多級式三種。按設(shè)置方式可分為移動式和固定式兩種。按控制方式可分為卸荷式和壓力開關(guān)式兩種。其中，卸荷式控制方式是指當貯氣罐內(nèi)的壓力達到調(diào)定值時，空壓機不停止運轉(zhuǎn)而通過打開安全閥進行不壓縮運轉(zhuǎn)。這種空轉(zhuǎn)狀態(tài)稱為卸荷運轉(zhuǎn)。而壓力開關(guān)式控制方式是指當貯氣罐內(nèi)的壓力達到調(diào)定值時，空壓機自動停止運轉(zhuǎn)。二、實驗內(nèi)容1.實驗?zāi)康?1)壓氣機的壓縮指數(shù)和容積效率等都是衡量其性能先進與否的重要參數(shù)。本實驗是利用微機對壓氣機的有關(guān)性能參數(shù)進行實時動態(tài)采集，經(jīng)計算處理、得到展開的和封閉的示功圖。從而獲得壓氣機的平均壓縮指數(shù)、容積效率、指示功、指示功率等性能參數(shù)。(2)掌握指示功、壓縮指數(shù)

5、和容積效率的基本測試方法。(3)對使用電腦采集、處理數(shù)據(jù)的全過程和方法有所了解。2.實驗裝置及測量系統(tǒng)本實驗儀器裝置主要由：壓氣機、電動機及測試系統(tǒng)所組成。測試系統(tǒng)包括：壓力傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、放大器、計算機及打印機，壓氣機型號：Z0.03/7汽缸直徑：D=50mm活塞行程：L=20mm連桿長度：H=70mm轉(zhuǎn)速：n=1400轉(zhuǎn)/分第3頁共3頁天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告動志莊變值it算一機Tji卸aji一壓氣機2一壓力傳感等3飛卷4T暮傳感看5T全排城耨力我7明節(jié)尚a-圖2-1壓氣機實驗裝置及測試系統(tǒng)圖2-2實驗設(shè)備為了獲得反映壓氣機性能的示功圖，在壓氣機的汽缸頭上安裝

6、了一個應(yīng)變式壓力傳感器，供實驗時汽缸內(nèi)輸出的瞬態(tài)壓力信號。該信號經(jīng)橋式整流后，送至動態(tài)應(yīng)變儀放大。對應(yīng)著活塞上止點的位置，在飛輪外側(cè)粘貼著一塊磁條，從電磁傳感器上取得活塞上止點的脈沖信號，作為控制采集壓力的起止信號，以達到壓力和曲柄傳角信號的同步。這二路信號經(jīng)放大器分別放大后，送入A/D板轉(zhuǎn)換為數(shù)值量，然后送至計算機，經(jīng)計算處理便得到了壓氣機工作過程中的有關(guān)數(shù)據(jù)及展開的示功圖和封閉的示功圖。圖2-3封閉的示功圖圖2-4展開的示功圖第4頁共4頁天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告根據(jù)動力學公式，活塞位移量x與曲柄轉(zhuǎn)角a有如下關(guān)系:2a)x=R(1-cosa)(1-cos4式中：X=

7、R/L曲柄半徑;連桿長度;曲柄轉(zhuǎn)角。3.實驗原理（1）活塞式壓氣機的詳細工作原理如前所述，現(xiàn)詳細分析其工作過程1）單級壓氣機理論工作過程（圖2-5）其中：41過程為，氣體引入氣缸1-2過程為，氣體在氣缸內(nèi)進行壓縮23過程為，氣體流出氣缸，輸向儲氣筒特別注意的是，4-1和2-3過程不是熱力過程，只是氣體的移動過程，氣體狀態(tài)不發(fā)生變化，缸內(nèi)氣體的數(shù)量發(fā)生變化。圖2-5活塞式壓氣機工作P-V曲線圖圖2-62）存在余隙容積的理論工作工程；活塞式壓氣機的余隙：為了安置進、排氣閥以及避免活塞與汽缸端蓋間的碰撞，在汽缸端蓋與活塞行程終點間留有一定的余隙，稱為余隙容積，簡稱余隙。（圖2-6）1-2過程為壓縮過

8、程2-3過程為排氣，狀態(tài)未變3-4過程為殘留氣體膨脹4-1過程為進新氣，狀態(tài)未變第5頁共5頁天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告Vc對耗功和產(chǎn)氣量的影響：（圖2-7）Y4用人活塞排量h14vCa4有效吸氣容積p1VC=mRT1m新氣量，產(chǎn)氣量3株隙容積VC對理論壓氣功的影響（圖2-8）功的絕對值=面積12341=面積12561面積43564設(shè)1-2和4-3兩過程n相同n-1n-1W”-n-pMtn-1111-lp2p1Vl=m1RT1p1=p4p11-圖2-84株隙對單位產(chǎn)氣量耗功不影響（圖2-9）=p1vc1-RT11-圖2-9第6頁共6頁天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-

9、綜合實驗報告5出積效率在實際循環(huán)中，余隙容積使實際吸氣量（產(chǎn)氣量）減少，氣缸的有效利用率降低，用容積效率表示氣缸容積的利用程度。容積效率=實際吸氣量/理論吸氣量V_p_余隙比：2_增壓比：冗=/_98V-Vp13p11VcQVVhV1-V3J一結(jié)論：壓力比p2/p1和多變指數(shù)n一定時，余隙容積越大，容積效率越低；余隙容積和多變指數(shù)n一定時，壓力比p2/p1越大，容積效率越低；壓力比p2/pi達到一定值時，容積效率為零，產(chǎn)氣量為零；故，余隙容積對生產(chǎn)1kg壓縮氣體的理論耗功量沒有影響，但實際耗功量增加；而且壓氣機的無用體積增加，設(shè)計時應(yīng)盡量減小余隙容積。余隙容積的存在：理論耗功不變，容積效率下降

10、（壓縮同量氣體氣缸變大）。3）調(diào)節(jié)排氣壓力對壓氣機產(chǎn)生的影響；1/提高壓力至2，a由PV圖中浮動面積41234提高至4/12/3/4/Wc=-Wf=12Vdp，vdp，vdp排氣壓力2增至2則排氣溫度應(yīng)增至！V，再提高排氣壓力至21達到加氣機的極限值，成為一個點，沒有2。結(jié)論：排氣溫度高于潤滑油的結(jié)碳溫度時壓氣機會被燒毀，所以排氣溫度不得超過150c第7頁共7頁天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告4）壓氣機耗功公示的推導過程；吸氣過程中氣缸吸入壓力為pi的氣體，氣體的質(zhì)量qm和容積V不斷增加，而氣體的狀態(tài)（pi,vi）不變，相當于氣體定壓膨脹，該過程中系統(tǒng)作正功PiVi；壓縮過程

11、中氣體的量不變，而氣體的壓力不斷增加，該過程中外界對系統(tǒng)作壓縮功（負功）為:qm彳pdv二彳pdV因此該過程系統(tǒng)作排氣過程中氣體的質(zhì)量不斷減少，氣體的狀態(tài)不變，相當于氣體被定壓壓縮,負功p2V2。壓氣機所消耗的功為上述三項功的代數(shù)和。即WcnpiViqm彳pdv-p2V2Wt壓氣機耗功為負的技術(shù)功。壓縮ikg氣體，壓氣機耗功為：2.fvdp（2）壓氣機的熱力學分析；i）三種理想壓縮過程的熱力學參數(shù)：壓氣機簡化物理模型為：穩(wěn)流、可逆根據(jù)其工作條件不同,可能存在3種壓縮過程：a.等嫡壓縮：特別快，來不及換熱n=k；b.多變壓縮：實際壓氣過程inww-1=丁TcTectstntT,12T2n2SVc

12、q=02T2n2s/TMn飛定溫壓縮過程最理想（省功、安全、體積?。?。應(yīng)采用良好的冷卻措施，使過程盡量接近于定溫過程。在Ts圖上，不同過程線以下的面積代表壓縮過程中單位質(zhì)量工質(zhì)的放熱量：設(shè)壓氣機的質(zhì)量流量為qmkg/min,其耗功率為：1-q60m3）多級壓縮及級間冷卻（壓比較高時采用）多級壓縮是把氣體的壓縮過程分為多個階段，分別在多個氣缸中依次壓縮，每兩個氣缸之間有級間冷卻器對氣體進行冷卻（兩級或兩級以上稱為多級）。采用多級壓縮及級間冷卻的優(yōu)點：壓氣機耗功減少（在總壓比一定的條件下，級數(shù)越多，級間冷卻越充分，功耗越少；理論上，級數(shù)一8,過程一等溫過程）；排氣溫度低（熱負荷小，有利于潤滑）；容

13、積效率高（每級壓比較小）。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，運行可靠性降低（分級不宜太多）最佳級間壓力和壓力比確定原則：功耗最小原則以兩級壓縮為例，可推得最佳級間壓力為：z級壓縮、級間冷卻相同時，每級壓力比相同。即:最佳壓力比為：第9頁共9頁天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告選擇最佳壓力比的其它好處：各級壓縮功耗相同（動力具有通用性和互換性）；各級氣缸排溫相同；各級間冷卻熱負荷相同。4）絕熱過程可逆絕熱過程是定嫡過程，但在熱力學第二定律中，定嫡過程未必就是可逆絕熱過程。e=0、Fev5ads=0s=定值dsrevT,過程方程可由下式導出ds=cdVpVdPn=0PdvdpK+,InvIn

14、p=constInpv=constpv=const可逆絕熱過程方程為指數(shù)方程。5）指示功和指示功率指示功：活塞壓氣機進行一個工作過程，活塞對氣體所作的功，記為Lo顯然功量就是PV圖上工作過程線所包圍的面積。其縱坐標是以線段長度表示的壓力值，而橫坐標則表示活塞的位移量，經(jīng)測面儀測量和計算才能得到功的數(shù)值，即：(5-2)Li=SxK1XK2XI0-5（kgf-m）式中：S由測面儀測定的面積值（mrl）;K單位長度代表的容積（mm3/mm）;ki二LD24gb式中：L活塞行程（mm；gb活塞行程的線段長度（mm;K2單位長度代表的壓力（at/mm）;k2=R-1dfe式中：p工作時的表壓力（at）;

15、第10頁共10頁天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告fe表壓力在縱坐標圖上對應(yīng)的高度（mm）;指示功率：單位時間內(nèi)活塞對氣體所作的功，記為No用下式表示:N=LXn/102X60（KW）式中：n轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）6）平均多變壓縮指數(shù)壓氣機的實際壓縮過程介于定溫壓縮與定嫡壓縮之間，過程指數(shù)在壓縮過程中不斷變化，根據(jù)壓氣機的理論軸功和氣體壓縮功的關(guān)系，可以求得平均的多變指數(shù)，記為函。一12Vdpn0二二12PdV在PV示功圖上：即為壓縮過程線與縱坐標圍成的面積同壓縮過程線與橫坐標圍成的面積之比。即：由cdefc圍成的面積n0由cdabcBI成的面積7）容積效率（”）c根據(jù)熱力學定義:“有

16、效吸氣容積c二工作容積在PV示功圖上：即為有效吸氣線段長度與活塞行程線段長度之比。即:hbgb4、實驗步驟1 .檢查各實驗儀器連線是否接好，所有壓氣機相關(guān)氣路接口是否緊固，接通所有測試儀器設(shè)備的電源。2 .打開計算機把采集、處理數(shù)據(jù)的軟件調(diào)入計算機。3 .啟動壓氣機，調(diào)整排氣量至合適，待壓氣機工作穩(wěn)定后，計算機開始采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算機處理運算，得到了展開的和封閉的始功圖。4 .用測面儀測量封閉示功圖的面積。5 .分別測量壓縮過程線與橫坐標及縱坐標包圍的面積。6 .用尺子量出有效吸氣線段hb的長度和活塞行程線段gb的長度7 .調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥7,改變排氣壓力P,并重復(fù)以上23實驗步驟第11頁共11頁天

17、津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告5.實驗數(shù)據(jù)壓縮機性能實驗記錄大氣壓力-bar室溫-C濕度-%排氣管內(nèi)徑-cm1234567項儲輸電壓氣機生產(chǎn)量示壓活目氣入動功氣塞罐電機吸氣狀態(tài)生產(chǎn)量圖機排壓功效面轉(zhuǎn)量力率率積速符號P2Ng刀gV3fnVh單barkW%m/min2cmr/minm3/min位三、實驗討論1 .為什么壓縮過程的多變指數(shù)與膨脹過程的多變指數(shù)不相等？對于同一個過程（壓縮或膨脹過程）的不同區(qū)段，為什么多變指數(shù)也不一樣？答：熱力工程中常遇到理想氣體定容變化、定壓變化、定溫變化、絕熱變化（定嫡）四個變化過程。在上述四種典型熱力過程的特征是，某一個狀態(tài)參數(shù)保持不變（例如v=

18、定值、p=定值等），或在過程中熱力系與外界沒有熱量交換（絕熱過程）。實際的過程往往是所有的參數(shù)都在變化，并且也不完全絕熱。例如，活塞式壓氣機中氣體被壓縮，同時被冷卻，因而壓縮過程中氣體的壓力、比體積及溫度都在變化，并且氣體與外界有功量和熱量的交換。但在一般的實際過程中，氣體的狀態(tài)變化往往遵循一定的規(guī)律。此時，可通過實驗，測定過程中一些狀態(tài)點的p、v值而近似整理成：“pvn=常數(shù)”的形式。這樣的過程稱為多變過程，式中指數(shù)n叫作多變指數(shù)。在某一多變過程中，n為一定值，但不同多變過程的n值各不相同。對復(fù)雜的實際過程，可把實際過程分作幾段不同多變指數(shù)的多變過程來描述，但每一段中的n值保持不變。由此可見，多變過程是一些有規(guī)律的過程的總稱。這些過程的特征是：在整個過程中，pv=定值，n為常數(shù)。多變過程中的多變指數(shù)n具有不同數(shù)值時，過程就表現(xiàn)出不同的特性。那么定壓、定溫、絕熱和定容四種典型熱第12頁共12頁天津市高等教育自學考試熱工基礎(chǔ)與應(yīng)用-綜合實驗報告力過程，可視為多變過程的特例之一即：n=0:P前數(shù)，定壓過程；n=1：PV啡數(shù)，定溫過程；n=k:PV=常數(shù)，絕熱過程；n=二二：V=數(shù)，定容過程；2