工程熱力學(xué)第9章 壓氣機(jī)的熱力過程

9-0壓氣機(jī)的分類

壓氣機(jī)——消耗外功使氣體升壓的設(shè)備?；钊桨垂ぷ髟砑皹?gòu)造分葉輪式引射式離心式按構(gòu)造，葉輪式壓氣機(jī)又可分為軸流式回轉(zhuǎn)容積式

活塞式——適用于高壓小排量軸流式——低壓，大排量第九章壓氣機(jī)的熱力過程3

4

壓縮氣體的用途：

動力機(jī)、風(fēng)動工具、制冷工程、

化學(xué)工業(yè)、潛水作業(yè)、

醫(yī)療、休閑等。概述按使用場合及適用壓力范圍，壓氣機(jī)又分：通風(fēng)機(jī)，P<115KPa鼓風(fēng)機(jī)，115KPa<P<350KPa升壓機(jī)，P>350KPa研究壓氣機(jī)壓氣過程的目的是通過分析不同壓氣過程的耗功，從而找出省功壓氣的途徑。9-1單級活塞式壓氣機(jī)的工作原理和理論耗功Fanner

Fan

Compressor9-1-1單級活塞式壓氣機(jī)工作原理

工作過程：（a）吸氣（b）壓縮（c）排氣理想壓氣過程：①活塞與氣缸塞不存在余隙②壓縮過程可逆③氣流進(jìn)出閥門時無阻力損失P1,T1不變，dm>0P2,T2不變，dm<0dm=0則在此條件下的壓氣過程稱為理論壓氣過程。壓氣過程中，壓縮終態(tài)與初態(tài)的壓力之比稱為升壓比，用符號表示9-1-2理論壓氣軸功的計算顯然，壓氣機(jī)的軸功即為技術(shù)功一般地，根據(jù)壓氣過程進(jìn)行的情況，一般的壓氣過程又可分為：

理論壓氣功(可逆過程)指什么功目的：研究耗功，越少越好活塞式壓氣機(jī)的壓氣過程技術(shù)功wtMinimizingworkinput(1)、特別快，來不及換熱。(2)、特別慢，熱全散走。(3)、實際壓氣過程是

可能的壓氣過程sTn

定熵過程→壓氣過程進(jìn)行快，來不及與外界進(jìn)行熱交換；

定溫過程→有冷卻，或壓氣過程進(jìn)行的較慢，與外界有充分的熱交換；

多變過程→一般壓氣過程；實際的壓氣過程為介于絕熱和定溫兩過程之間的多變過程：

P—V圖上，由于等溫過程線與P軸所圍成的面積最小，故等溫壓縮所消耗的外功最少。等溫壓縮耗功圖示，絕熱過程耗功

多變過程耗功

在T—S圖上可見，等溫壓縮不僅耗功少，而且終溫低，故氣體壓縮應(yīng)盡可能在等溫條件下進(jìn)行（壓縮終溫低可避免潤滑油的燒結(jié)）。例1：理想的活塞式壓氣機(jī)吸入空氣并將其壓到,設(shè)壓縮指數(shù)為n=1,n=1.25,n=k=1.4過程可逆，求壓氣機(jī)功耗。分析：(1)n=1，等溫壓縮：(2)n=1.25，多變壓縮：(3)n=1.4，絕熱壓縮：

可見，等溫壓縮耗功最省，絕熱壓縮耗功最多，多變壓縮介于兩者之間13

討論：a）理想壓縮是

等溫壓縮b）通常為多變壓縮,

1<n<k

思考題：

自行車壓力通常應(yīng)維持在0.25MPa左右，用手動打氣筒向輪胎充氣時用濕毛巾包在打氣筒外壁，會有什么后果？

*當(dāng)壓縮氣體不能按理想氣體計算時，則若過程可逆，則（等溫）（絕熱）若過程不可逆，則定義——等溫效率為可逆等溫壓縮的耗功與不可逆放熱壓縮的耗功之比。等溫效率用于評價活塞式壓氣機(jī)性能的主要參數(shù)。例2壓氣機(jī)壓縮空氣，初態(tài)

可逆多變壓縮至然后排出，求：多變指數(shù)、壓縮終溫、壓縮過程與外界交換的熱量和功量

分析：①氣缸中空氣質(zhì)量②

③多變過程，④多變過程熱交換量

⑤氣體與外界交換的容積功⑥壓氣機(jī)消耗軸功18

9-2

余隙容積的影響一.余隙容積—clearance

volume

原因：防止排氣時，活塞比與氣缸壁碰撞，引起事故。壓氣機(jī)余隙容積的存在，則余隙容積殘留氣體在工作中產(chǎn)生氣墊作用，增強(qiáng)壓氣機(jī)在運(yùn)行中的平穩(wěn)性。必然存在：水蒸氣凝結(jié)，工質(zhì)溫度的不同余隙容積：空氣壓縮機(jī)在排氣時，活塞位于上死點(diǎn)位置，它和氣缸壁保留一部分空間，這些空間叫作余隙容積19

1-2質(zhì)量m1氣體壓縮：p1p2

2-3氣體排向儲氣罐3-4氣體膨脹p2

p14-1氣體吸入氣缸生產(chǎn)量(每周期)：二.工作過程20

活塞排量Vh=V1–V3

余隙容積Vc=V3有效吸氣容積Ves=V1–V4余隙容積比C=Vc/Vh三.余隙容積對生產(chǎn)量的影響1、幾個概念21

三.余隙容積對生產(chǎn)量的影響2、容積效率—volumetric

efficiency討論：22

四.余隙容積對理論耗功的影響9-2-2余隙容積存在對理論軸功的影響

無余隙容積存在時，即理想壓縮過程，其理論軸功為

存在余隙時，軸功若余隙容積的膨脹過程視為多變過程，則有

若視壓氣過程和余氣膨脹過程的多變指數(shù)相等，即n=n’，則存在余隙時的壓氣軸功為又則有

可見，不論是否存有余隙，壓縮相同排量的氣體至同樣的增壓比，壓氣機(jī)耗功與無余隙時一致，但因存在余隙容積影響，壓縮同樣排量的氣體需采用較大尺寸的氣缸。顯然①若保持Vc定值，隨升壓比升高，Ve減少，

v亦降低；②存在余隙容積對壓氣機(jī)工作是不利的，不論是對壓氣機(jī)尺寸的要求還是升壓比（單級）的提高而言，因為存在余隙容積，單級壓氣機(jī)的升壓比通常不超過8~9。余隙影響例題已知：求（1）有余隙時的排氣量和耗功（2）無余隙時的排氣量和耗功解：（1）有效容積例題(1)有余隙影響余隙影響例題解：（2）無余隙時的排氣量和耗功9-3多級壓縮和級間冷卻9-3-1單級壓縮的不足及多級壓縮的便利對于單級壓氣機(jī)，壓縮終溫升壓比越大，則終溫T2亦越大，于是會影響氣缸潤滑油性能，對壓縮不利。且如圖所示12’3’為等溫線，123”為單級壓縮，使壓力由P1升至P3而多級壓氣過程使壓力由P1升至P3可由1-2-2’-3實現(xiàn)，其中2-2’為單級壓氣后氣體定壓冷卻過程。理論上，等溫壓縮耗功最省，壓氣過程越接近于等溫過程，其功耗越少。圖示的理想壓氣過程中，等溫過程功耗單級壓縮功耗多級壓縮中間冷卻功耗顯然，多級壓縮耗功比單級壓縮耗功減少，減少量約等于面積22’33”2。可見，多級壓縮中間冷卻不僅能夠降低壓縮終溫，而且壓縮至同樣的升壓比可以減少功耗，在P—V圖和T—S圖上可表示為：9-3-2

多級壓縮最佳中間壓力的確定以兩級壓縮為例，先計算總軸功一級壓縮耗功二級壓縮耗功而

由于每級壓縮的吸氣溫度一樣，則，于是，多級壓縮總功耗為如假定每級壓縮多變指數(shù)相同，中間冷卻后T2’=T1一般地，壓氣過程中初壓P1和終壓P3均是事先給定，于是壓縮軸功僅隨中間壓力P2而變化，最佳中間壓力P2應(yīng)是能使值為最小，即

微分后可得即當(dāng)每級升壓比相等時，壓縮總耗功最少。以此類推，對于多級壓縮，每級升壓比為——壓縮終壓——?dú)怏w初壓（1）每級壓縮排氣溫度。依假定，每級壓縮吸氣溫度一樣，即

即各級氣缸排氣溫度相等其他參數(shù)計算(2)各級壓氣過程壓氣機(jī)所消耗的軸功.對于多變壓縮

因各級壓氣過程進(jìn)、排氣溫度均相等，故——進(jìn)氣溫度——排氣溫度那么多級壓縮（n級）總功耗即其消耗的總軸功為單級壓縮的n倍。壓氣機(jī)若已實現(xiàn)等溫壓縮，是否還有必要進(jìn)行分級壓縮，中間冷卻，為什么？答：需要，雖然實現(xiàn)等溫壓縮后耗功最小，但若壓比過大，V仍很小，分級后有助于提高

V，如圖。若以p1=0.1MPa，p2=2.5MPa

=0.04計算單級壓縮二級壓縮工程上，因活塞式壓縮機(jī)定溫壓氣過程耗功最少，常用定溫效率來衡量壓氣機(jī)的功率及壓氣性能優(yōu)劣。例9-3，已知，空氣初態(tài)經(jīng)過三級壓縮，壓力提高到P4=12.5MPa?！貕簹夂墓Α獙嶋H壓氣耗功℃假定各氣缸進(jìn)氣溫度相同，壓縮指數(shù)均為n=1.25，求：①生產(chǎn)1㎏壓縮空氣的及各級排氣溫度；②若改用單級壓氣機(jī)壓氣，一次壓縮到P4=12.5MPa，壓縮指數(shù)亦為n=1.25，求Wt’，排氣溫度及分析：①先求增壓比②因各級氣缸進(jìn)氣溫度相同，且增壓比一樣，故排氣溫度亦相等，即

生產(chǎn)1千克壓縮氣體的軸功為

若改為單級壓縮，則

活塞式壓氣機(jī)，終溫升高至3000C以上在實踐中是不可行的。由于

例某大學(xué)實驗室需4.9MPa壓縮空氣源，據(jù)市