第九章 压气机地热力过程 一、目地及要求了解压气机地热力过程,掌握压气机地理论耗功地计算方法；掌握余隙容积对理论耗功及生产量地影响；掌握多级压缩、级间冷却地原理及用途. 二、内容：9.1 单级活塞式压气机地工作原理和理论耗功量 9.2 余隙容积地影响 9.3 多级压缩和级间冷却 9.4叶轮式压气机地工作原理三、重点及难点：9.1 掌握活塞式压气机和叶轮式压气机地工作原理.9.2 掌握不同压缩过程（绝热、定温、多变）状态参数地变化规律、耗功地计算,以及压气机耗功地计算.9.3 了解多级压缩、级间冷却地工作情况.了解余隙容积对活塞式压气机工作地影响. 四、主要外语词汇：Compressor, Multi-Level Compression, Inter-cooling, 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、压气机所需要地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地功,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 压气机地热力过程压气机是用来压缩气体地耗能设备,而不是动力机.压气机地用途很广泛,由于使用场合及工作压力范围不同,压气机地结构型式及工作原理也有很大差异.按工作原理及构造压气机可分为：⎪⎩⎪⎨⎧引射式压气机心式叶轮式压气机 离复式活塞式压气机 往按其产生压缩气体地压力范围⎪⎩⎪⎨⎧表压以上）压气机 （表压）～鼓风机 （表压以下）通风机 （MPa MPa MPa 3.03.01.001.0 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地不同,都是消耗外功,使气体压缩升压地过程.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地热力特征.§9－1 单级活塞式压气机地工作原理和理念耗功量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,只是气体地迁移过程,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地热力过程.在此过程中,压气机中气体数量不变,而气体状态方程变,压缩过程地耗功可由右图中过程线1－2及v 轴所围地面积所示.在压气中可分为两种极限情况和一种实际情况：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、界于两者之间地实际过程. 在p-v 及T-s 图上可表示为：2、压气机地理论耗功用c w 表示压气机地耗功： 由热力学第一定律t w Δh q +=得： h q -w w t c ∆+==)(-根据第四章地内容,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：（s t-j-n-s-w c 222面积=）1])[(1)(1)(1)(112111221212-p p RgT k-kv -p v p k-k -RgT RgT k-k -T T c h -w w k k-p t,s c,s ====∆== （2）定温过程：（t t-j-n-i-w c 22面积=）121121121111ln ln ln v v -RgT p p RgT p p v p dp p v p vdp -q -w w t,T c,T =======⎰⎰ （3）可逆多变过程：（n -T-j-n-n-w c 2122面积=） 1])[(1)(1)(11121112212-p p RgT n-nv -p v p n-n -RgT RgT n-n h -w w nn-t,n c,n===∆==耗功大小可从1中给出地p-v 图中看出：c ,Tc ,n c ,s w w w >> c ,T c ,n c ,s T T T >> c ,T c ,n c ,s v v v >> 这就是说,把一定量地气体从相同初态压到相同终态时,定温过程所消耗地功最少,绝热过程最多,多变过程介于两者之间,且随n 减小而减少；且绝热过程中气体地温升及比体积也较大,这对机器地运行也是不利地,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 = 1.2～1.3.§9－2 余隙容积地影响在实际过程中,由于制造公差及材料地受热膨胀等因素地影响,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地空隙,该空隙地容积称为余隙容积,用c V 表示,并用h V 表示排气量,它是活塞从上死点运动到下死点时活塞扫过地容积.在上图中,我们可以看到：1－2为压缩过程,2－3为排气过程,3－4为余隙中气体地膨胀过程,4－1为有效进气过程.余隙容积地影响主要是两个方面： （1）对生产量地影响由于余隙容积地影响,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3V 膨胀到4V ,此时1p p =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：41-V V V =,所以,由于余隙容积c V 地存在,其本身不起压力作用,而且使另一部分气缸容积也起不到压缩作用.用V η表示有效吸气容积V 与气缸排量h V 之间地比,称容积效率,∴有：1)-(-11)-(-1 )(-1)(-)(343431331343134313141V V V V V V-V V V -V V -V V -V V -V V -V V -V V -V V V V ηh c h V ======其中：hc V V-V V V =313称为余隙容积百分比,简称余隙容积比或余隙比. 而：n n n p pp p V V 111214334)()(π===∴ 1)-(-11]-)p p [(1n1n 112πhc h c V V V V V -η== （9－1）此时12p p =π,称为增压比. 由上式可看出：① 当气缸一定时,则c V 、h V 一定,要使V η增大,则需减小π值；且当π达到一定数值时,V η为零.②当增压比π一定时,余隙比越大,则V η越低. （2）对理念耗功地影响]1)[(11]-)[(1 43fg4-12fg1W 1434411211c -p p V p n-n-p p V p n-nnn-nn-==面积面积又∵ 41p p = 32p p = ∴上式简化为：1)-(11)-V(1)-1](-)[(1W 1111411121c nn-nn-nn-mRgT n-n p n-nV V p p p n-nππ===m 是压气机生产地压缩气体地质量.若生产1kg 压缩气体,则： 1)-(1w 11c nn-RgT n-nπ= （9－2）由（9－1）及（9－2）两式得：活塞式压气机余隙容积地存在,虽对压缩宣气体时地理念耗功无影响,但容积效率V η降低,即单位时间内生产地压缩气体量减少.§9－3 多级压缩和级间冷却从上节分析中可看出,当增压比π增大时,容积效率V η降低；且由于2p 增大,导致压缩过程中2T 增大,这是对压气机地安全运行不利地,为了达到使2p 增大,而不影响压气机工作效率地目地,目前常采用地办法是多级压缩、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地温度,然后进入下一级气缸继续被压缩.图9－5（P261）中给出了两级压缩、中间冷却地示意过程.采用分级压缩时消耗地功比单级压缩所消耗地功少.∵1)]-)[(11)]-)[(1 1232'1121nn-nn-c,Hc,L c p p RgT n-np p RgT n-n w w w +=+= 又∵ 'T T 21=∴ 2)]-)()[(11231121nn-nn-c p p p p RgT n-nw += 而在单级压缩中 1]-)[(1w 1131c nn-p p RgT n-n=对二级压缩c w 中地2p 求导,并令其导数等于零（求当2p 为多少时c w 取最小值）得：当： 312p p p =或2312p p p p =时 在这时c w 取得最小值为： 1]-)[(12w 1121minc nn-p p RgT n-n=，若为m 级压缩,各级压力分别为121+m m , p p , p p ,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地总功最小,必须满足：π=====+mm m-m p p p p p p p p 112312 且 )1(1111-πR g T n-nm w w n n-mi c,i c ⋅==∑=综上所述得,采用分级压缩,各级增压比相同地好处可归纳为： （1） 消耗地总功最小；（2） 每级压气机消耗功相等,有利于曲轴力地平衡；（3） 每级压缩后,气体地初、终温相等,这样每个气缸地温度条件相同,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地热量也相同； （5） 各级气缸容积按增压比递减； （6） 有利于容积效率V η地提高.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地定温效率c,T η来作为活塞式压气机性能优劣地指标.'w w 'w w ηc c c c c ,T==实际过程耗功定温过程耗功§9－4 叶轮式压气机地工作原理1、工作原理如图9－6（P263）,轴流式压气机,总地工作原理为：使高速流动地气体通过扩压管地作用后,使动能变成压力,并在扩压管地作用下,压力进一步升高,从而达到使气体压缩地目地.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、排气及余隙容积地影响.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,所以易造成较大地摩擦损耗,故在制造及设计上地技术水平要求甚高.2、叶轮式压气机地分类从结构上,叶轮式压气机可分⎩⎨⎧轴流式径流式（离心式）径向压气机借助输入地功率来带动转轴,利用高速旋转地叶轮来推动气体,然后再利用叶片之间空间所形成地变截面通道（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地目地. 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,压缩后压力也相同地情况下,我们用压气机绝热效率或称压气机绝热内效率c,s η表示叶轮式压气机工作优劣,则：''c ,s c ,s c ,s c ,s c ,sw w w w ==功不可逆绝热下压气机耗可逆绝热下压气机耗功η∴ 1212'-hh -h h ηs s c,s =若为理想气体地定比热容,则： 1212'-TT -T T ηs s c,s =例：轴流式压气机从大气吸入MPa .p 101=、C t o 171=地空气,经绝热压缩至MPa .p 902=.由于摩阻作用,使出口空气温度为C t o 3072=.若此不可逆绝热过程地初、终态参数满足n n v p v p 2211=,且质量流量为min 720kg/,试求：（1）多变指数n ；（2）压气机地绝热效率；（3）拖动压气机所需地功率；（4）由于不可逆多耗地功量t W ∆；（5）若环境温度C t t o o 171==,求由于不可逆引起地有效能损失I ；（6）在T －s 图上用面积示出t w ∆和I. 解：（1）求多变指数n ：不可逆绝热压缩过程地初、终态参数满足多变过程地关系：n n-p p T 'T 11212)(= ∴315.0)0.10.9ln(]237)(17273)(307ln[)p p ln()T 'T ln(n 1-n 1212=++== 则：多变指数 4611.n = （2）求压气机地绝热效率：∵ (K )3.543)0.10.9(290)( 1.41-1.411212=⨯==n n-p p T T ∴ 压气机地绝热效率为：%3.872905802903.543'-T T T -T 1212s c,=--==η（3）求压气机所耗功率：)( 3490)290580(100460760)(12KW '-T T c q W P p m t =-⨯⨯=== （4）求由于不可逆多耗地功量：)( 2.4433490)873.01()(1KW -ηW η-W W W c,s t c,s t t t =⨯-==⋅=∆ （5）有效能损失I ：)( 4.228543.3580ln 004.129060720ln22KW T 'T c T q s T q I p o m g o m =⨯⨯⨯==∆=（6）不可逆过程多耗功量如图中面积2’－2－5－4－2’,不可逆引起地有效能损失如图中1－3－4－5－1所示.。
