压气机的热力过程

1、第九章压气机的热力过程、目的及要求了解压气机的热力过程，掌握压气机的理论耗功的计算方法；掌握余隙容积对理论耗功及生产量的影响；掌握多级压缩、级间冷却的原理及用途。、内容:9.1单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量9.2余隙容积的影响9.3多级压缩和级间冷却9.4叶轮式压气机的工作原理三、重点及难点：9.1掌握活塞式压气机和叶轮式压气机的工作原理。9.2掌握不同压缩过程（绝热、定温、多变）状态参数的变化规律、耗功的计算，以及压气 机耗功的计算。9.3 了解多级压缩、级间冷却的工作情况。了解余隙容积对活塞式压气机工作的影响。四、主要外语词汇：Compressor, Multi-Level Com

2、pressi on. In ter-cooli ng, I impaired volume五、本章节采用多媒体课件六、复习思考题及作业：思考题：1、如果由于应用气缸冷却水套以及其他冷却方法，气体在压气机中已经能够按定温过程进行 压缩，这时是否还需要采用分级压缩？为什么？2、压气机按定温压缩时气体对外放出热量，而按绝热压缩时不向外放热，为什么定温压缩反 较绝热压缩更为经济？3、压气机所需要的功也可以由第一定律能量方程式导出，试导出定温、多变、绝热压缩压气 机所需要的功，并用 T-s图上面积表示其值。作业：9- 2, 9 4, 9-5, 9 7第九章压气机的热力过程压气机是用来压缩气体的耗能设备，

3、而不是动力机。压气机的用途很广泛，由于 使用场合及工作压力范围不同，压气机的结构型式及工作原理也有很大差异。活塞式压气机往复式按工作原理及构造压气机可分为：*叶轮式压气机离心式i引射式压气机通风机（O.OIMPa表压以下）按其产生压缩气体的压力范围*鼓风机（0.1 0.3MPa表压）压气机（0.3MPa 表压以上）活塞式压气机和叶轮式压气机在结构上及工作原理上不同，但从热力学观点来看,气体状态变化过程并没有本质的不同，都是消耗外功，使气体压缩升压的过程。在正 常工况下均可视为稳定流动。因此，本章以活塞式压气机为例来分析压缩气体生产过 程的热力特征。9- 1单级活塞式压气机的工作原理和理念耗功量

4、1、工作原理，活塞式压气机由进气、压缩、排气三个过程组成，其 中进气和排气过程不是热力过程，只是气体的迁移过程， 缸内气体数量发生变化，而热力学状态不变。从右图中可看出，a- 1及2-b为引入和输出气缸，1-2为气体在压气机中进行压缩的热力过程。在此过程 中，压气机中气体数量不变，而气体状态方程变，压缩 程的耗功可由右图中过程线1-2及v轴所围的面积所示。-I在压气中可分为两种极限情况和一种实际情况：冋一、绝热过程：当压缩过程快，且气缸散热较差时，可视为绝热过程。二、等温过程：当压缩过程十分缓慢，且气缸散热条件良好时，可视为等温过程。三、界于两者之间的实际过程。2、压气机的理论耗功用Wc表示压

5、气机的耗功: 由热力学第一定律q = Ah Wt得:根据第四章的内容，对1所述三种过程（定熵、定温及多变过程），若为定值比热容，则有：(1) 定熵过程：(Wc =面积 2S-2t-j-n- 2s )k-1kkkP2 Wc,s =-Wt,s f h =Cp(T2-Tj(RgT2-Rg)(P2V2-P1W)Rg() -1-1k-1k-1p1(2) 定温过程:(Wc 二面积 2t-j-n-i- 2t )P1V1 P2 P2 V2wcT = -wtT= -q = (vdp=dp = PtVt In =RgTt In =-RgTtIn PP1P1V!(3) 可逆多变过程：(Wc =面积 2n- 2T-j

6、-n- 1-2 n )n-1nnnp2 Wc , n 二-Wt, n =，h (RgT2-RgT1 )(P2V2-P1W)RgT 1 () -1n-1n-1n-1p1耗功大小可从1中给出的p-V图中看出：Wc , s Wc , n Wc , tTc , s Tc, n Tc , t这就是说，把一定量的气体从相同初态压到相同终态时，定温过程所消耗的功最 少，绝热过程最多，多变过程介于两者之间，且随n减小而减少；且绝热过程中气体的温升及比体积也较大，这对机器的运行也是不利的，所以在压气过程中，应昼减小n， 使之接近定温过程，对于单级活塞式压气机，通常多变指数 n = 1.21.3。9- 2余隙容积

7、的影响在实际过程中，由于制造公差及材料的受热 膨胀等因素的影响，当活塞运动到死点位置上时， 在活塞顶面与气缸盖间有一定的空隙，该空隙的 容积称为余隙容积，用Vc表示，并用Vh表示排气 量，它是活塞从上死点运动到下死点时活塞扫过 的容积。在上图中，我们可以看到：1-2为压缩过程，体的膨胀过程，4-1为有效进气过程。余隙容积的影响主要是两个方面：(1) 对生产量的影响由于余隙容积的影响，活塞在右行之初，由于气缸内压力大于外界压力而不能进 气，直到气缸内气体容积由V3膨胀到V4，此时P =小时才开始进气，气缸内实际进气容积V称为有效进气容积，所以有：V V1-V4，所以，由于余隙容积Vc的存在，其本

8、 身不起压力作用，而且使另一部分气缸容积也起不到压缩作用。用n表示有效吸气容积V与气缸排量Vh之间的比，称容积效率，V V1-V4 (V1-V3) -(V4-V3)(V4 -V 3 )n = = = 1 有:VhV1-V3V1-V3V1-V3“-厶 Ai)-T-i)V1-V3 V3Vh V3其中： 上空称为余隙容积百分比，简称余隙容积比或余隙比V1-V3 Vh而：仝=(V31P3)nP41宀P11n=JI1P2=1-土( -)n -1 =1-Vh P11Vc 一-e：n -1)Vh(91)此时二二巴，称为增压比P1由上式可看出: 当气缸一定时，则Vc、Vh 一定，要使增大，则需减小二值；且当二

9、达到一定数值时，n为零当增压比二一定时，余隙比越大，则n越低。(2) 对理念耗功的影响二面积12fg1 -面积43fg4P1n-1PM(P1n-1n- 1nP2 = P3n-1P2、nn-1- n-1P4V4Kn-1nP3 n一)n -1P4上式简化为:n-1nP1【(i) n -1( V1 -V4)P1V(二 n -1)P1n-1n-1n7mRg(二 n -1) n-1m是压气机生产的压缩气体的质量。n-1若生产1kg压缩气体，则:RgT 1 n -1)(9 2)n-1Wc= Wc,LWc,H n-1n-1nP2 vnP3 VRgT 1 (-1)RgT 2 () n -1)n-1P1n-1P

10、2又Wcn-1P)TPln-1-(匹-2)P2P2为多少时Wc取最小值）得:由（9- 1）及（9- 2）两式得：活塞式压气机余隙容积的存在，虽对压缩宣气体时的 理念耗功无影响，但容积效率 n降低，即单位时间内生产的压缩气体量减少。9- 3 多级压缩和级间冷却从上节分析中可看出，当增压比二增大时，容积效率n降低；且由于P2增大，导 致压缩过程中T2增大，这是对压气机的安全运行不利的，为了达到使 P2增大，而不影响压气机工作效率的目的，目前常采用的办法是多级压缩、级间冷却 1、工作原理将气体逐级在不同气缸中被压缩，每经过一次压 缩后，就在中间冷却器中定压冷却到压缩前的温度， 然后进入下一级气缸继续

11、被压缩。图9-5 （P261）中给出了两级压缩、中间冷却的示意过程。采用分级压缩时消耗的功比单级压缩所消耗的功少n-1而在单级压缩中w c =丄RgTtK3) n -1n-1P1对二级压缩Wc中的P2求导，并令其导数等于零（求当当：P P1 P3或“二厶 时P1 P2在这时Wc取得最小值为：n-12 np2 7Wc，minRg（-） n -1n-1P1若为m级压缩，各级压力分别为P1 , P2Pm , Pm 1，每级中间冷却器都将气体冷却到最初温度，则此时若使压气机消耗的总功最小，必须满足:P2 P3PmPm 1 . TT J Ln-1Pl P2Pm-1PmnR gn n -1) n-1m且W

12、c = Wc,i= mi 综上所述得，采用分级压缩，各级增压比相同的好处可归纳为：(1) 消耗的总功最小；(2) 每级压气机消耗功相等，有利于曲轴力的平衡；(3) 每级压缩后，气体的初、终温相等，这样每个气缸的温度条件相同，可利用同 样材质；(4) 每级向外排出热量相等，且每一级中间冷却器向外排出的热量也相同；(5) 各级气缸容积按增压比递减；(6) 有利于容积效率n的提高。但无论是分级压缩或单级压缩，都应尽可能采用冷却措施，力求接近等温过程。 工程中常采用压气机的定温效率 n,T来作为活塞式压气机性能优劣的指标。定温过程耗w功 wcn z=实际过程耗w功 wc9- 4叶轮式压气机的工作原理1

13、、工作原理如图9 -6( P263)，轴流式压气机，总的工作原理为：使高速流动的气体通过扩压 管的作用后，使动能变成压力，并在扩压管的作用下，压力进一步升高，从而达到使 气体压缩的目的。叶轮式压气机克服了活塞式压气机中：单位时间内产气量小、转速不高、间隙性 吸气、排气及余隙容积的影响。它转速高，能连续不断地吸气及排气，没有余隙容积， 所以机体紧凑且产气量大。缺点：(1) 增压比小，若要得到较高所压，则需级数甚多。(2) 因气速较大，所以易造成较大的摩擦损耗，故在制造及设计上的技术水平要求 甚咼。2、叶轮式压气机的分类径流式(离心式)从结构上，叶轮式压气机可分丿轴流式径向压气机借助输入的功率来带

14、动转轴，利用高速旋转的叶轮来推动气体，然后 再利用叶片之间空间所形成的变截面通道 (起扩压作用)，使高速气流降速，动能减少, 压力增加，从而达到对气体进行压缩的目的。3、热力学分析从热力学观点分析，其气体状态变化过程，完全与活塞式压气机相同。由于叶轮式压气机一般不在冷却情况下工作，所以常采用绝热效率来衡量其工作 优劣。在压缩气体状态相同，压缩后压力也相同的情况下，我们用压气机绝热效率或 称压气机绝热内效率nc,s表示叶轮式压气机工作优劣，贝可逆绝热下压气机w耗，功 Wc , s叮c 亏=，不可逆绝热下压气功Wc耗s Wc : sh2s -hh2s-hi若为理想气体的定比热容，贝U:T2s-n,

15、sT2s -1Tn,s例：轴流式压气机从大气吸入 p1 =01MPa、h =17C的空气，经绝热压缩至 p2 =0.9MPa。由 于摩阻作用，使出口空气温度为t2 =307C。若此不可逆绝热过程的初、终态参数满足PZ； = p2v；，且质量流量为720 kg/ min ，试求：(1)多变指数n; (2)压气机的绝热效率；(3) 拖动压气机所需的功率；(4 )由于不可逆多耗的功量 .:Wt ; ( 5)若环境温度to =17C，求由 于不可逆引起的有效能损失 I ; ( 6)在T s图上用面积示出 Zt和I。解：(1)求多变指数n:不可逆绝热压缩过程的初、终态参数满足多变过程的关系： P1n -

16、1ln(T27T1)ln (307 + 273) /(17 + 237)0.315n ln( p2 pIn(0.9 0.1)则：多变指数n =1.4 6 1(2 )求压气机的绝热效率：1-1 4po n-10 9T2 =( -) n =2 9 0() 1 . 5 4 .3( K )p10 . 1压气机的绝热效率为:压气机的绝热效率为:c,s_ T2 -Ti一 T2-Ti543.3 -290-580 -290= 87.3%压气机的绝热效率为:压气机的绝热效率为:(3) 求压气机所耗功率:760P 二 Wt 二 qmcp (T2-T1)1004(580 _ 290 ) = 3 4 9 0 (KW )60(4) 求由