热工基础-5-(3)-热工基础的应用-压气机

第五章热工基础的应用 3 压气机 陕西科技大学机电学院 热工基础 主讲教师 袁越锦 压气机是升高气体压力 生产压缩气体的设备 它不是动力机 而是用消耗机械能来得到压缩气体的一种工作机 压气机 按其动作原理及构造可分为 活塞式压气机 叶轮式压气机以及特殊的引射式压缩器 依其产生压缩气体的压力范围 习惯上常分为通风机 0 01MPa表压以下 鼓风机 0 1 0 3MPa表压 和压气机 0 3MPa表压以上 概述 一 工作原理 f 1为气体引入气缸 1 2为气体在气缸内进行压缩 2 g为气体流出气缸 进储气筒 其中 即进气和排气 f 1和2 g 过程都不是热力过程 只是气体的移动 气体状态不发生变化 数量发生变化 1单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量 压缩过程情况分析 过程极快 散热差 视为绝热过程1 2s 过程缓慢 散热良好 气体的温度始终保持与初温相同 可视为定温压缩过程1 2T 实际过程在上述两者之间 有传热 温度也有升高 即实际过程n介于1与k之间的多变过程1 2n 二 压气机的理论耗功 压缩气体的生产过程包括气体的流入 压缩和输出 所以压气机耗功应以技术功计 通常用符号Wc表示压气机的耗功 则 对定值比热容理想气体 据第三章计算理论耗功 1 可逆绝热 定熵 压缩 二 压气机的理论耗功 续 2 可逆多变压缩 3 可逆定温压缩 上述各式中 P2 P1是压缩过程中气体终压和初压之比 称为增压比 用表示 分析讨论 绝热压缩所耗功最多 随n的减小而减少 同时绝热压缩的温度升高较多 这对机器安全运行不利 此外 绝热压缩后的比体积较大 储气筒体积要较大 所以 尽量减少压缩过程的多变指数n 使过程接近于定温过程是有利的 然而 活塞式压气机即使采用水套冷却 也不能使气体的压缩过程成为定温过程 对于单级活塞式压气机 通常多变指数n 1 2 1 3 实际压气机 因制造公差等原因 当活塞运动到上死点位置时 在活塞顶面与气缸盖间留有一定的空隙 该空隙的容积称为余隙容积 2余隙容积的影响 图中 1 2压缩过程 2 3排气过程 3 4余隙容积中剩余气体膨胀过程 4 1有效进气 Vc表示余隙容积 Vh V1 V3 是活塞从上死点运动到下死点时活塞扫过的容积 叫做气缸排量 余隙容积的影响可从以下两个方面讨论 由于有余隙容积Vc的影响 缸内气体从V3膨胀到V4才开始进气 气缸实际进气容积V称有效吸气容积 V V1 V4 余隙容积本身不起压气作用 且使另部分缸容积也不起压缩作用 V小于气缸排量Vh 两者之比称为容积效率 以 V表示 即 1 生产量 在相同的余隙容积下 如增压比增大 则有效吸气容积减少 容积效率降低 达到某一极限时将完全不能进气 膨胀过程3 4也是多变过程 则 于是 由此可见 当余隙容积百分比和多变指数n一定时 增压比愈大 则容积效率愈低 且当增压比增加到某一值时容积效率为零 当增压比一定时 余隙容积百分比愈大 容积效率愈低 即 2 理论耗功 可见 有余隙容积后 如生产增压比相同 质量相同的同种压缩气体 理论上耗功与无余隙容积时相同 3多级压缩和级间冷却 从前节的分析已得出气体压缩以等温压缩最有利 因此 应设法使压气机内气体压缩过程的指数n减小 采用水套冷却是改进压缩过程的有效方法 但在转速高 气缸尺寸大的情况下 其作用也较小 同时 为避免单级压缩因增压比太高而影响容积效率 常采用多级压缩 级间冷却的方法 工作原理 气体逐级在不同气缸中被压缩 每经过一次压缩以后就在中间冷却器中被定压冷却到压缩前的温度 然后进入下一级气缸继续被压缩 图示给出了两级压缩 中间冷却的系统 工作原理 续 工作过程为 e 1低压气缸吸入气体 1 2低压缸压缩过程 2 f气体排出低压气缸 f 2压缩气体进入冷却器 2 2 气体在冷却器中的定压放热过程 T2 T1 2 f冷却后的气体排出 f 2 冷气体进入高压缸 2 3高压缸气体压缩 3 g高压气体排出输入储气筒 工作原理 续 依次类推 分级愈多 逐级中间冷却时 理论上可节省更多的功 如增多到无数级 则可趋近定温压缩 实际上 分级不宜太多 否则机构复杂 机械摩擦损失和流动阻力等不可逆损失亦将随之增大 一般视增压比之大小 分为两级 三级 最多四级 这样分级压缩后所消耗的功等于两个气缸所需功的总和 即 等于面积e12fe 面积f2 3gf与不分级压缩时所需之功 即面积e13 ge相比 采取分级压缩 级间冷却可节省图中阴影部分所示的那一块面积 最有利的中间压力 对P2求导并使之等于零 可得到最有利的中间压力为 采用两级压缩 级间冷却时 最有利的中间压力是使两个气缸中所消耗的功的总和为最小的压力 它可以从消耗功的公式中求得 如果采用m级压缩 各级压力分别为P1 P2 Pm Pm l 每级中间冷却器都将气体冷却到初始温度 则使压气机消耗的总功最小的各中间压力满足 这时 各级的增压比相同 各级压气机耗功相同 且 因此 按此原则选择中间压力可得以下有利结果 1 每级压气机需功相等 有利于压气机曲轴的平衡 2 每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同 这样每个气缸的温度条件相同 3 每级向外排出的热量相等 而且每一级的中间冷却器向外排出的热量也相等 4 各级的气缸容积按增压比递减 5 分级压缩对容积效率的提高也有利 余隙容积的有害影响随增压比的增加而扩大 分级后 每一级的增压比缩小 故同样大的余隙容积对容积效率的有害影响将缩小 使总容积效率比不分级时大 综上所述 活塞式压气机无论是单级压缩还是多级压缩都应尽可能采用冷却措施 力求接近定温压缩 工程上通常采用压气机的定温效率来作活塞式压气机性能优劣的指标 当压缩前气体的状态相同 压缩后气体的压力相同时 可逆定温压缩过程所消耗的功和实际压缩过程所消耗的功之比 称为压气机的定温效率 需要指出的是 至此有关活塞式压气机过程的讨论都是基于可逆过程 因此并不存在可用能损失 但是绝大多数场合下 最终还是有作功能力损失的 活塞式压气机的缺点是单位时间内产气量小 其原因是由于转速不高 间隙性的吸气和排气以及余隙容积的影响 叶轮式压气机克服了这些缺点 它的转速比活塞式压气机高 能连续不断地吸气和排气 没有余隙容积 所以它的机体紧凑而产气量大 但它也有缺点 首先 它每级的增压比小 如要得到较高的压力 则需级数甚多 其次 因气流速度相当高 容易造成较大的摩擦损耗 故对叶轮式压气机的设计和制造的技术水平要求甚高 4叶轮式压气机的工作原理 叶轮式压气机分 径流式 即离心式 与轴流式两种型式 离心式压气机适用于中 小型生产量 高转速 但效率稍低 轴流式压气机则结构紧凑 便于安排较多的级数 且效率较高 适宜于大流量的场合 分类 气体从进口流入压气机 经收缩器时流速得到初步提高 进口导向叶片使气流改为轴向 同时还起扩压管作用 使压力有提高 工作原理 转子由外力带动 作高速转动 固装其上的工作叶片 亦称动叶片 推动气流 使气流获得很高的流速 高速气流进入固装在机壳上的导向叶片 亦称定叶片 间的通道 使气流的动能降低而压力提高 相邻导向叶片间的通道相当于一个扩压管 工作原理 续 气流经过每一级 由一排工作叶片和一排导向叶片所构成 时连续进行类似的过程 使气体的压力逐级提高 最后经扩压器从出口排出 流经扩压器时 气流的余速亦有一部分被利用而提高其压力 叶轮式压气机的工作原理虽与活塞式压气机不同 但从热力学观点分析气体的状态变化过程 则完全与活塞式压气机无异 故对它的工作过程作热力学分析时 和活塞式压气机是一样的 如果忽略通过机壳的向外散热 则气体压缩过程可看作是绝热的 实际压缩过程有相当大的摩擦损失 是不可逆的绝热压缩过程 过程中气体的比熵增大 如图中1 2 所示 压气机实际所需要的功为 耗功计算 实际压缩多耗功为 叶轮式压气机一般在不冷却情况下工作 故常采用绝热效率来衡量其工作的优劣 绝热效率 定义 在压缩前气体状态相同 压缩后气体的压力也相同的情况下 可逆绝热压缩时压气机所需的功与不可逆绝热压缩时所需的功之比 也称绝热内效率 若为理想气体 且比热容为定值 则 例题 轴流式压气机从大气吸入p1 0 1MPa T1 290K的空气 经绝热压缩到p2