哈工大工程热力学课件09第九章 压气机的热力过程

9-0压气机的分类

压气机——消耗外功使气体升压的设备。

活塞式按工作原理及构造分叶轮式引射式离心式按构造，叶轮式压气机又可分为轴流式回转容积式

活塞式——适用于高压小排量

轴流式——低压，大排量第九章压气机的热力过程按使用场合及适用压力范围，压气机又分：通风机，P<115KPa

鼓风机，115KPa<P<350KPa

升压机，P>350KPa研究压气机压气过程的目的是通过分析不同压气过程的耗功，从而找出省功压气的途径。9-1单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功9-1-1单级活塞式压气机工作原理

工作过程：（a）吸气（b）压缩（c）排气理想压气过程：①活塞与气缸塞不存在余隙②压缩过程可逆③气流进出阀门时无阻力损失P1,T1不变，dm>0P2,T2不变，dm<0dm=0则在此条件下的压气过程称为理论压气过程。压气过程中，压缩终态与初态的压力之比称为升压比，用符号表示9-1-2理论压气轴功的计算显然，压气机的轴功即为技术功一般地，根据压气过程进行的情况，一般的压气过程又可分为：

定熵过程→压气过程进行快，来不及与外界进行热交换；

定温过程→有冷却，或压气过程进行的较慢，与外界有充分的热交换；

多变过程→一般压气过程；实际的压气过程为介于绝热和定温两过程之间的多变过程：

P—V图上，由于等温过程线与P轴所围成的面积最小，故等温压缩所消耗的外功最少。等温压缩耗功图示，绝热过程耗功

多变过程耗功

在T—S图上可见，等温压缩不仅耗功少，而且终温低，故气体压缩应尽可能在等温条件下进行（压缩终温低可避免润滑油的烧结）。例1：理想的活塞式压气机吸入空气并将其压到,设压缩指数为n=1,n=1.25,n=k=1.4过程可逆，求压气机功耗。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*当压缩气体不能按理想气体计算时，则若过程可逆，则（等温）（绝热）若过程不可逆，则定义——等温效率为可逆等温压缩的耗功与不可逆放热压缩的耗功之比。等温效率用于评价活塞式压气机性能的主要参数。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

分析：①气缸中空气质量②

③多变过程，④多变过程热交换量

⑤气体与外界交换的容积功⑥压气机消耗轴功9-2余隙容积的影响9-2-1容积效率及余隙比

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，便于安排进、排气阀，必须留有余隙。

图示V3称为压气机余隙容积，一般用符号Vc表示图示压气过程

有效吸气量

气缸排量显然，引入容积效率概念，用表示其中

c称为压缩机余隙比，即余隙容积/活塞排量。一般压气机的压气过程及余气膨胀过程均视为多变过程则则9-2-2余隙容积存在对理论轴功的影响

无余隙容积存在时，即理想压缩过程，其理论轴功为

存在余隙时，轴功若余隙容积的膨胀过程视为多变过程，则有

若视压气过程和余气膨胀过程的多变指数相等，即n=n’，则存在余隙时的压气轴功为又则有

可见，不论是否存有余隙，压缩相同排量的气体至同样的增压比，压气机耗功与无余隙时一致，但因存在余隙容积影响，压缩同样排量的气体需采用较大尺寸的气缸。

显然①若保持Vc定值，随升压比

升高，Ve减少，

v亦降低；②存在余隙容积对压气机工作是不利的，不论是对压气机尺寸的要求还是升压比（单级）的提高而言，因为存在余隙容积，单级压气机的升压比通常不超过8~9。9-3多级压缩和级间冷却9-3-1单级压缩的不足及多级压缩的便利

对于单级压气机，压缩终温

升压比越大，则终温T2亦越大，于是会影响气缸润滑油性能，对压缩不利。且如图所示12’3’为等温线，

123”为单级压缩，使

压力由P1升至P3

而多级压气过程使压力由P1升至P3可由1-2-2’-3实现，其中2-2’为单级压气后气体定压冷却过程。理论上，等温压缩耗功最省，压气过程越接近于等温过程，其功耗越少。图示的理想压气过程中，

等温过程功耗

单级压缩功耗

多级压缩中间冷却功耗

显然，多级压缩耗功比单级压缩耗功减少，减少量约等于面积22’33”2。可见，多级压缩中间冷却不仅能够降低压缩终温，

而且压缩至同样的升压比可以减少功耗，在P—V图和T—S图上可表示为：9-3-2多级压缩最佳中间压力的确定

以两级压缩为例，先计算总轴功一级压缩耗功二级压缩耗功而

由于每级压缩的吸气温度一样，则，于是，多级压缩总功耗为如假定每级压缩多变指数相同，中间冷却后T2’=T1一般地，压气过程中初压P1和终压P3均是事先给定，于是压缩轴功仅随中间压力P2而变化，最佳中间压力P2应是能使值为最小，即

微分后可得即当每级升压比相等时，压缩总耗功最少。

以此类推，对于多级压缩，每级升压比为——压缩终压——气体初压（1）每级压缩排气温度。依假定，每级压缩吸气温度一样，即

即各级气缸排气温度相等其他参数计算(2)各级压气过程压气机所消耗的轴功.对于多变压缩

因各级压气过程进、排气温度均相等，故——进气温度——排气温度那么多级压缩（n级）总功耗即其消耗的总轴功为单级压缩的n倍。工程上，因活塞式压缩机定温压气过程耗功最少，常用定温效率来衡量压气机的功率及压气性能优劣。例9-3，已知，空气初态

经过三级压缩，压力提高到P4=12.5MPa。——定温压气耗功——实际压气耗功℃假定各气缸进气温度相同，压缩指数均为n=1.25，求：①生产1㎏压缩空气的及各级排气温度；②若改用单级压气机压气，一次压缩到P4=12.5MPa，压缩指数亦为n=1.25，求Wt’，排气温度及