第八章-压气机的热力过程.ppt

第八章压气机的热力过程,8-1单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量8-2余隙容积的影响8-3多级压缩和级间冷却8-4叶轮式压气机的工作原理*8-5引射式压缩器简述,教学目标：了解压气机热力过程。知识点：活塞式压气机工作原理，耗功量计算；余隙容积对压气机性能的影响；多级压缩与级间冷却；叶轮式压气机的工作原理。重点：压气机耗功量的计算方法，提高压气机效率的方法和途径。难点：多级压缩过程中各级增压比的确定，提高压气机效率的方法和途径。,消耗外功来压缩气体的设备称为压气机，压气机不是动力机，需要用动力机或电动机带动它才能正常工作。压气机应用广泛：动力工程中锅炉的通风、化工生产中流体的输送、制冷工程中氨气等的压缩等，都要用到压气机；生活中的电风扇也是一种压气机。本节讨论了活塞式压气机的工作原理、理论耗功计算、余隙容积对生产量及耗功的影响和分级压缩级间冷却的压缩工艺。,压气机简述,叶轮式,引射式,活塞式,按工作原理及构造分：,罗茨式,通风机（110kPa)鼓风机（110300kPa)压气机（300kPa),按压缩气体压力范围：,压气机简述,空气滤清器,进气阀,气缸,活塞,散热片,排气阀,单级活塞式压气机结构示意图,引射式压缩器引射器,8-1单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量,单级活塞式压气机,f1：进气过程；12：压缩过程；2g：排气过程。,一、工作原理,图8-1活塞式压气机示功图,V,p,P1,1,P2,2,g,f,V1,V2,进气和排气过程f-1和2-g都不是热力过程，气体的状态并不发生变化，只是缸内气体数量发生变化。压缩过程1-2才是热力过程，气体的状态发生了变化。压缩过程的耗功用面积1-2-m-n-1表示,m,n,*p-V示功图与p-v压容图不同：后者的每一点都与1kg工质的平衡态对应，而前者随着体积V的变化，工质的质量变化。,v,p,P1,1,P2,2T,2s,2n,s,T,P1,1,P3,2s,2n,2T,两个极限的压气过程：即绝热压缩和等温压缩。若过程进行极快而气缸散热较差，气体与外界换热可以忽略，视为绝热压缩，如曲线1-2s所示。若压缩过程进行得较慢，且气缸壁得到良好的冷却，就接近于等温压缩，如曲线1-2T所示。实际压缩过程是处于等温与绝热之间的多变压缩过程（1nk），压缩过程有热量传出，气体温度也有所升高。对单级活塞式压气机，通常n1.21.3。等温压缩气体的终温及比体积比绝热压缩的终温及比体积低。这对于安全（避免润滑油的烧结）及减小储气筒的容积有益，因此，希望压缩过程尽量接近等温过程。为此，活塞式压气机都采取冷却措施。但对于实际压缩过程说，无论采取什么冷却措施，很难实现等温压缩。,图8-2压缩过程的p-v图和T-s图,二、压气机的理论耗功,v,p,P1,1,P2,2T,2s,2n,s,T,P1,1,P2,2s,2n,2T,图8-2压缩过程的p-v图和T-s图,按热力学的约定，压气机消耗的轴功应为负值，工程上常令压气机耗功为技术功的负值，即：,从分析右图也可得：,从第四章中基本热力过程的分析计算可以得到绝热、等温、多变过程的耗功计算公式；,二、压气机的理论耗功,v,p,P1,1,P2,2T,2s,2n,s,T,P1,1,P2,2s,2n,2T,图8-2压缩过程的p-v图和T-s图,因此，等温压缩过程不仅终温及比体积比绝热压缩的要低，而且耗功也更小。工程上，压气机气缸上设置有肋片散热，或让冷却水从气缸夹层中通过进行散热，都是为了使压缩过程的多变指数下降以减少压气机耗功。同学们可以在利用人力打气筒为车胎打气时做一个简单的试验：用湿布包裹气筒的下部，会发现打气时轻松了一点。思考一下是什么原因使同样的打气过程变省力！？,分析：,(1)n=1，等温压缩：,(2)n=1.25，多变压缩：,(3)n=1.4，绝热压缩：,可见，等温压缩耗功最省，绝热压缩耗功最多，多变压缩介于两者之间,例2压气机压缩空气，初态可逆多变压缩至然后排出，求：多变指数、压缩终温、压缩过程与外界交换的热量和功量,解：气缸中空气质量,多变过程热交换量,多变过程，,压气机消耗轴功,气体与外界交换的容积功,8-2余隙容积的影响,前面讨论了理想的压气过程，而实际压气过程中，为避免活塞与气缸塞撞击，也便于安排进、排气阀，必须留有余隙。图8-3为具有余隙容积的压气机理论示功图，4-1：有效进气。1-2：压缩过程；2-3：排气过程；图中容积Vc就是余隙容积；VhV1V3，是活塞从上死点运动到下死点时活塞扫过的容积，称为气缸的排量。3-4：示余隙容积中残留气体的膨胀过程；,图8-3有余隙容积时的示功图,V,p,4,1,3,2,g,f,0,6,V=V1-V4,Vh=V1-V3,Vc,V4-V6,(8-4),由于余隙容积的影响，吸气量从(V1-V3)减少到(V1-V4)。这种影响一般用有效吸气容积(V1-V4)与活塞排量(V1-V3)之比表示，称为容积效率，以V表示，即,余隙容积百分比，V3/(V1-V3),增压比，亦等于p3/p4,假设压缩过程1-2和余隙容积中剩余气体的膨胀过程3-4都是多变过程，且多变指数均为n：,生产量,p,2,p1,V,1,3,4,0,V,Vc,Vh,增压比对容积效率的影响,在相同的余隙比时，V，因此当需要获得较高压力时，必须采用多级压缩；而当增压比一定时，余隙比Vc/Vh加大，也将使容积效率V降低。显然，当或Vc/Vh增大到某一值时，可能使V0。,极限压力,V=VV,Vh=VV3,V4V3,Vc,1,2,n,n,4,3,5,0,p,V,实际进入气缸的气体所占的体积,余隙容积为,活塞排量,有余隙时的理论压气功为,假定12及34两过程的n相同，则,理论耗功,因为,对于1kg气体,表明，不论有无余隙，压缩单位质量气体所消耗的理论压气功相同。,所以,余隙容积的存在使得气缸里面一直有一部分气体在经历压缩和膨胀过程。如果这两个过程可近似为可逆且有相同的多变指数，那么这部分气体的作功量和耗功量将相互抵消。即：说明压气机余隙容积对生产每千克压缩气体的理论耗功无影响，压气机耗功量仍为：,虽对压缩定量气体的理论耗功无影响，但使容积效率降低。每次吸气进气量减小，气缸容积不能充分利用，因此不仅生产每千克压缩气体的实际耗功增大，而且压缩同量气体时，必须采用气缸较大的机器。这显然是不利的，并且这种不利影响将随压力比的增大而增大。故在设计制造活塞式压气机时，应尽量减小余隙容积。,理论耗功,(8-5a),8-3多级压缩和级间冷却,图8-4两级压缩、中间冷却压气机示意图（a）,多级压缩是把气体的压缩过程分在两个或两个以上的气缸里依次压缩，使气体的压力逐级上升。当气体在第一级气缸内被压缩到一定的压力后，将其送入级间冷却器，进行冷却，把热量传给冷却水，然后再送入第二级气缸里继续压缩。由于低压气缸和高压气缸是在不同的压力范围内工作的，气体的体积相差很大，故高压气缸的直径应比低压气缸小。,采用两级压缩、级间冷却工艺后，压气机耗功是低压缸耗功和高压缸耗功之和，可用图8-4(b)上面积1223ge1表示。如果采用单级压缩，把气体一次从p1压缩到p3，则所消耗的功可由面积123ge1代表，显然采用两级压缩、级间冷却工艺后压气机耗功减少，其值可用面积23322代表。不难看出，如果压气级数无限增多，压气过程就趋近于一个理论上耗功最少的等温过程。压气机的级数Z是根据总压力比pZ+1/p1来决定的，其中pZ+1为压缩终了气体的压力，p1为进气压力。各级间压力通常按使压气机耗总功最小的原则确定。下面以两级压气机为例，说明如何确定最佳级间压力。因为余隙容积对压气机理论耗功无影响，所以下面讨论不考虑余隙容积的影响。,基本原理：,V,p,P1,1,P2,2,3,e,g,f,2,3,Pm,3T,图8-4两级压缩、中间冷却压气机示意图（b）,s,T,P1,1,P3,3,P2,1,3s,3T,2,3,2,纯粹从热力学理论来说是这样的，但工程实践中，级数不能过多，否则令机构复杂，造价增高，运行可靠性下降，活塞式压气机一般常用的为两级或三级，最多不超过6级。,采用多级压缩，级间冷却，当级数趋向无穷多时压缩过程趋向等温压缩，此时消耗的压缩功应最小？,二、两级压缩、中间冷却分析,耗功量,设两级压缩的多变指数相同，且,V,p,P1,1,P2,2,3,e,g,f,2,3,Pm,3T,二、两级压缩、中间冷却分析,最佳增压比,为使压缩机总的耗功最小，应选择最佳中间压力。可以证明：对于两级压缩，其值为始末压力的几何平均数，即各级压缩比相同。这一结论也可推广到多级压缩的情况，设共有m级压缩，则有:,(8-6),此时压气机各级耗功相等且所消耗的总功最少，其值为每级耗功的m倍：,按上述原则选择中间压力还可得到以下有利结果：,每级压气机所需的功相等，有利于压气机曲轴的平衡。每个气缸中气体压缩后所达到的最高温度相同，可以在各气缸使用近似的材质，而对不同压力采用不同的壁厚和缸径。每级向外排热量相等，而且每一级的中间冷却器向外排热量也相等。各级气缸容积按增压比递减,工程常用压气机定温效率C,T做为活塞式压气机性能的优劣指标，其定义为：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wC,T和实际压缩过程所消耗的功wC的比值。即：,活塞式压缩机的评价指标：,(8-9),空气初态为p1=0.1MPa，t1=20,经三级压缩，压力达到12.5MPa。设进入各级气缸时的空气温度相同，各级多变指数均为1.3，各级中间压力按压气机耗功最小原则确定。若压气机每小时产出压缩空气120kg，求：(1)各级排气温度及压气机的最小功率；(2)倘若改为单级压缩，n仍为1.3，压气机耗功及排气温度是多少？,各级排气温度相等为：,例3,解：(1)压气机耗功最小时各级压力比相等，且为,各级耗功相同，故压气机耗功率为:,(2)单级压缩排气温度,压气机耗功率,上述计算表明，单级压气机不仅比多级压气机消耗更多的功，而且排气温度大大提高，会造成润滑油变质，甚至引起自燃爆炸。此外，制造压气机的材质也要求更高。,例4,活塞式压气机活塞每往复一次生产0.5kg，压力为0.35MPa的压缩空气。空气进入压气机时的温度为17，压力为0.098MPa，若压缩过程为n=1.35的可逆多变过程，余隙容积比为0.05，试求压缩过程中气缸内空气的质量。解：压缩终了时余隙中空气的参数为p2=p3=0.35MPa,容积效率,据容积效率定义，而有效吸气容积内气体即是产出的压缩空气，故,压缩过程中气缸内的空气总质量为,因此余隙容积中残存的空气量为,所以,由题给，余隙容积比V3/(V1-V3)=0.05，故,8-4叶轮式压气机的工作原理,与活塞式压气机相比，叶轮式压气机结构紧凑，输气量大，输气均匀且运转平稳，效率高。缺点是增压比小；叶轮式压气机分离心式与轴流式等。,扩压管,离心式压气机结构示意图,进气室,进气口,叶轮,蜗壳,出气口,出口扩压器,主轴,出口扩压器,1、离心式压气机的转子,2、离心式压气机组装图,收缩器,静叶片,动叶片,扩压器,多级轴流式压气机结构示意图,机壳,转子,止推轴承,支撑轴承,联轴器,轴端密封,进口导向叶片,轴流式压气机,三、叶轮式压气机的工作原理,叶轮式压气机的特点：离心式产量小，压力高。轴流式流量大，压力低。叶轮式产气量大，每级增压比小，而且容易造成较大的摩擦损失。,叶轮式压气机压缩过程的热力学解释：,从热力学观点出发，尽管活塞式和叶轮式的结构和工作原理都不同，但压缩过程中气体的状态变化本质上是一致的，本章只对叶轮式压气机作简单介绍。,理想可逆定熵压缩过程12s,实际不可逆绝热压缩12,1,2s,p1,p2,s,T,2,j,m,n,2T,常采用绝热效率来衡量叶轮式压气机工作的优劣C,s。其定义为：当压缩前气体的状态相同、压缩后气体的压力相同时，可逆绝热压缩过程所消耗的功wC,s和实际压缩过程所消耗的功wc的比值。即,叶轮式压气机的评价指标：,(8-12),对于理想气体,*8-5引射式压缩器简述,靠高压工作流体经喷嘴后产生的高速射流来引射被吸流体，与之进行动量交换，以使被引射流体的能量增加，从而实现吸排作用。常用的工作流体有水、水蒸气、空气。被引射流体则可以是气体、液体或有流动性的固、液混合物。,(1)效率低。(2)结构简单，体积小，价格低。(3)无运动部件，工作可靠，使用寿命长。只有当喷嘴因口径长期使用后，过分磨损导致性能降低，才需更换。(4)吸入性能好，而且抽送液体时的允许吸上真空度也很高。(5)可输送含固体杂质的污浊液体，即使被水浸没也能工作。,本章作业,8-1,某单级活塞式压气机每小时吸入的空气量V1=140m3/h，吸入空气的状态参数是p1=0.1MPa、t1=27，输出空气的压力p2=0.6MPa。试按下列三种情况计算压气机所需要的理想功率（以kW表示）：定温压缩；绝热压缩（设=1.4）多变压缩（设n=1.2）,(1)等温压缩：,(3)多变压缩,n=1.2：,(2)绝热压缩,=1.4：,8-2某单级活塞式压气机吸入空气参数为p1=0.1MPa,t1=50,V1=0.032m3，经多变压缩后p2=0.32MPa,V2=0.012m3，试求（1）压缩过程的多变指数；（2）压缩终了空气温度；（3）所需压缩功；（4）压缩过程中传出的热量。,解：（1）多变指数,（3）所需压缩功：,（2）压缩终了空气温度,（4）压缩过程中传出的热量,8-3压气机中气体压缩后的温度不宜过高，若取限极值为150。某单缸压气机吸入空气的压力和温度为p1=0.1MPa,t1=20,吸气量为250m3/h，若压气机中缸套流过冷却水465kg/h，在缸套中水温升高14。求（1）空气可能达到的最