余隙容积对容积效率和理论消耗功功的影响

天津市高等教育自学考试模具设计与制造专业热工基础与应用综合实验报告（一）压气机性能实验主考院校:专业名称：专业代码：学生姓名：准考证号：一、活塞式压气机概述1.活塞式压气机结构及工作原理（1）活塞式压气机结构压气机在现代工业以及现代人的生活中被越来越多的广泛应用，不论是汽车上的涡轮增压系统还是航空航天发动机中的涡喷应用，随着技术的不断革新，其结构、性能也在不断的优化、提高。

本实验旨在通过对简单形式的压气机，进行结构、工作原理以及性能的实验，以达到验证并深刻理解、掌握热工学课程中所学得的知识并应用于实际生产实践中。

本次实验所用压气机为“活塞式压气机”，现就其结构及特点作简要说明。

活塞式压气机是通用的机械设备之一，是一种将机械能转化为气体势能的机械。

图1.1 活塞式压气机机构简图图1-2 三维仿真示意图（2）活塞式压气机工作原理：电机通过皮带带动曲柄转动，由连杆推动活塞作往复移动，压缩汽缸内的空气达到需要的压力。

曲柄旋转一周，活塞往复移动一次，压气机的工作过程分为吸气、压缩、排气三步。

具体为：在气缸内作往复运动的活塞向右移动时，气缸内活塞左腔的压力低于大气压力pa ，吸气阀开启，外界空气吸入缸内，这个过程称为压缩过程。

当缸内压力高于输出空气管道内压力p后，排气阀打开。

压缩空气送至输气管内，这个过程称为排气过程。

这种结构的压缩机在排气过程结束时总有剩余容积存在。

在下一次吸气时，剩余容积内的压缩空气会膨胀，从而减少了吸人的空气量，降低了效率，增加了压缩功。

且由于剩余容积的存在，当压缩比增大时，温度急剧升高。

特别的是，单级活塞式空压机，常用于需要 0 . 3 — 0 . 7MPa 压力范围的系统。

压力超过 0 . 6MPa ，各项性能指标将急剧下降。

故当输出压力较高时，应采取分级压缩。

分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排气量。

活塞式空压机有多种结构形式。

按气缸的配置方式分有立式、卧式、角度式、对称平衡式和对置式几种。

活塞式压气机的余隙容积增大将导致活塞式压气机是一种常见的压缩空气设备，广泛应用于工业生产中。

其工作原理是通过活塞在气缸内的往复运动，将大量的气体进行压缩，提供给其他设备使用。

然而，活塞与气缸之间的余隙容积的大小对于压气机的性能有着重要的影响。

当活塞与气缸之间的余隙容积增大时，将导致以下几个方面的问题。

首先，余隙容积的增大将导致压缩空气的泄漏。

在活塞向上或向下运动的过程中，如果余隙容积过大，会导致部分压缩空气无法被有效压缩，而是从活塞与气缸之间的间隙中泄漏出去。

这样一来，压缩空气的利用率将大大降低，造成能源的浪费。

其次，余隙容积的增大会降低压缩空气的压缩效率。

活塞在气缸内的往复运动是通过气缸内的气体进行压缩完成的。

当活塞运动到上、下止点时，气缸内的气体需要被有效地压缩。

但是，如果余隙容积过大，那么活塞在运动过程中将无法对气体进行充分的压缩，从而降低了压缩效率。

这将导致压缩空气的输出量减少，无法满足工业生产的需求。

此外，余隙容积增大还会加剧气缸的磨损。

余隙容积过大，活塞与气缸之间的摩擦力将增大。

在活塞运动时，活塞与气缸之间会产生较大的摩擦力，这将导致气缸的磨损加剧，缩短设备的使用寿命。

同时，磨损还会引起气缸内的泄漏，进一步降低压缩效率。

为了解决以上问题，必须采取相应的措施来减小活塞与气缸之间的余隙容积。

首先可以采用精密机械加工工艺，提高气缸内壁的精度，减小活塞与气缸之间的间隙。

这样可以有效地减小余隙容积，降低泄漏量，提高压缩空气的利用率。

其次，可以采用高质量的密封材料，减少活塞与气缸之间的泄漏。

密封件的质量直接影响了活塞与气缸之间的密封性能。

采用高质量的密封材料，可以减小泄漏量，提高压缩效率。

另外，定期进行设备的维护和保养也是逐渐减小余隙容积的重要措施。

设备的长时间运行会导致活塞与气缸的磨损，进一步增大了余隙容积。

定期更换磨损部件，进行设备的维护和保养，可以减小余隙容积，延长设备的使用寿命。

综上所述，活塞式压气机的余隙容积增大将会导致压缩空气的泄漏、压缩效率的降低以及气缸的磨损加剧等问题。

专业：工程热物理热能工程制冷及低温工程能源动力硕士专业学位科目名称：工程热力学（805）共3页第1页说明：答案标明题号写在答题纸上，写在试题纸上的无效。

一、判断并说明原因（每题 3 分，共计 30 分）1.若从某一初态经可逆与不可逆两条路径到达相同的终点，则不可逆途径的熵变必大于可逆过程的熵变。

2.如果热源温度不变，增大卡诺循环输出功，则卡诺循环的热效率也将增大。

3.经过一个不可逆循环，工质也不一定能恢复原来状态。

4.功不是状态参数，所以热力学能和推动功之和也不是状态参数。

5.实际气体的压缩因子可以大于、小于或等于 1。

6.理论上渐缩喷管入口参数不变，则出口截面压力与喷管背压有一定关系。

7.随着循环增压比的提高，燃气轮机实际循环的热效率也将提高。

8.工程上，压缩蒸气制冷循环中常常采用使制冷剂在冷凝器中冷凝后继续降温，即所谓的过冷工艺，以达到增加制冷量、提高制冷系数的目的。

9.湿空气的相对湿度越大，其水蒸气分压力也越大。

10.理想气体的c p 和c v 与气体温度有关，因此它们的差值也肯定与温度无关。

二、简答题（每题 8 分，共计 40 分）1.状态量与过程量有什么不同？常用的状态参数有哪些是可以直接测定的，哪些是不能直接测定的。

2.什么是湿空气的露点温度，为什么湿空气的露点温度不能大于干球温度？3.在lg p-h 图上画出并说明，为什么实际蒸气压缩制冷循环常在冷凝器采用过冷措施？4.热力学第二定律的实质是什么，写出其两种数学表达式。

5.写出稳定流动系统的能量方程式，指出对于节流过程的简化形式。

三、计算题（每题 20 分，共计 80 分）1.空气在某压气机中被压缩。

压缩前空气的参数p1=0.1MPa，v1=0.845m3/kg；压缩后的参数p2=0.8MPa，v2=0.175m3/kg；假定在压缩过程中，1kg 空气的热力学能增加 146kJ，同时向外放出热量 50 kJ，压气机每分钟产生压缩空气 10kg。

热工基础第7章课后答案第七章思考题1. 什么情况下必须采用多级压缩？多级活塞式压缩机为什么必须采用级间冷却？答：为进一步提高终压和限制终温,必须采用多级压缩。

和绝热压缩及多变压缩相比，定温压缩过程，压气机的耗功最小，压缩终了的气体温度最低，所以趋近定温压缩是改善压缩过程的主要方向，而采用分级压缩、中间冷却是其中一种有效的措施。

采用此方法，同样的压缩比，耗功量比单级压缩少，且压缩终温低，温度过高会使气缸里面的润滑油升温过高而碳化变质。

理论上，分级越多，就越趋向于定温压缩，但是无限分级会使系统太复杂，实际上通常采用2－4级。

同时至于使气缸里面的润滑油升温过高而碳化变质,必须采用级间冷却。

2. 从示功图上看，单纯的定温压缩过程比多变或绝热压缩过程要多消耗功，为什么还说压气机采用定温压缩最省功？答：这里说的功是技术功，而不是体积功，因为压缩过程是可看作稳定流动过程，不是闭口系统，在p-v图上要看吸气、压缩和排气过程和p轴围成的面积，不是和v轴围成的面积。

3. 既然余隙不增加压气机的耗功量，为什么还要设法减小它呢？答：有余隙容积时，虽然理论压气功不变，但是进气量减少，气缸容积不能充分利用，当压缩同量的气体时，必须采用气缸较大的机器，而且这一有害的余隙影响还随着增压比的增大而增加，所以应该尽量减小余隙容积。

4. 空气压缩制冷循环能否用节流阀代替膨胀机，为什么？答：蒸汽制冷循环所以采用节流阀代替膨胀机，是因为液体的膨胀功很小，也就是说液体的节流损失是很小的，而采用节流阀代替膨胀机，成本节省很多，但是对于空气来说，膨胀功比液体大的多，同时用节流阀使空气的熵值增加很大，从T-s图上可以看出，这样使吸热量减少，制冷系数减少。

5. 绝热节流过程有什么特点？答：缩口附近流动情况复杂且不稳定，但在缩口前后一定距离的截面处，流体的流态保持不变，两个截面的焓相等。

对于理想气体，绝热节流前后温度不变。

6. 如图7-15(b)所示，若蒸汽压缩制冷循环按122 351 运行，循环耗功量没有变化，仍为h2 h1，而制冷量则由h1 h4增大为h1 h5,这显然是有利的，但为什么没有被采用？答：如果按122 351运行，很难控制工质状态，因此采用节流阀，经济实用。

工程热力学第一章工质——实现热能和机械能相互转化的媒介物质。

热力学系统——简称系统、体系，人为分割出来作为热力学分析对象的有限物质系统。

闭口系统——与外界只有能量交换而无物质交换的热力系统，闭口系统又叫做控制质量。

开口系统——与外界不仅有能量交换而且有物质交换的热力系统，开口系又叫做控制容积，或控制体。

区分闭口系和开口系的关键是有没有质量越过了边界，并不是系统的质量是不是发生了变化。

绝热系统——与外界无热量交换的热力系统。

绝热系是从系统与外界的热交换的角度考察系统，不论系统是开口系还是闭口系，只要没有热量越过边界，就是绝热系。

简单可压缩系——由可压缩流体构成，与外界可逆功交换只有体积变化功（膨胀功）一种形式，没有化学反应的有限物质系统。

对于简单可压缩系，只要有两个独立的状态参数即可确定一个平衡状态，所有其它状态参数均可表示为这两个独立状态参数的函数。

准平衡过程——又称准静态过程，不致显著偏离平衡状态，并迅速恢复平衡的过程。

准平衡过程进行的条件是破坏平衡的势无穷小，过程进行足够缓慢，工质本身具有恢复平衡的能力。

准平衡过程在坐标图中可用连续曲线表示。

可逆过程——工质能沿相同的路径逆行而回复到原来状态，并使相互作用中所涉及到的外界回复到原来状态，而不留下任何改变的过程。

过程不可逆的成因一是有限势差的作用，二是物系本身的耗散作用，所以可逆过程，首先应是准平衡过程，同时在过程中没有任何耗散效应。

实际热力设备中所进行的一切热力过程都是不可逆的，可逆过程是不引起任何热力学损失的理想过程。

可逆过程可用状态参数图上连续实线表示。

膨胀功——又称“体积功”。

机械功的一种。

由系统体积变化而由系统对环境所做的功或环境对系统所做的功。

第二章热力学能——原称内能，由分子或其他微观粒子的热运动及相互作用力形成的内动能、内位能及维持一定分子结构的化学能和原子核内部的原子能以及电磁场作用下的电磁能等一起构成的内部储存能。

名词解释泵的扬程：单位重量液体通过泵所增加的能量。

喘振工况：当流量减小到某一值时，离心压缩机不能稳定工作，发生强烈的振动及噪音，这种不稳定工况叫喘振工况。

滞止焓：当气流对外界无热交换，其速度被滞止到零时，此时气流的焓滞止焓等于任一截面上汽流的焓和其动能的总和。

余隙容积：实际压缩机中，为避免活塞与缸盖相撞以及气阀结构、气阀安装的需要，在气缸端部留有一定的空隙。

堵塞工况：当流量达到某最大值max Q 时，气体获得的理论能头HT 全部消耗在流动损失上，使级中气体压力得不到提高。

同时，边界层的分离使叶道喉部实际过流面积减小，叶道喉部截面上的气速达到音速，这时称为堵塞工况，出现激波损失。

滞止温度：当气流与外界无热交换，其速度被滞止到零时，此气流的温度。

相余隙容积：余隙容积与气缸的工作容积的比值。

汽蚀余量：泵进口处液体具有的能头除了要高出液体的汽化压力v P 外，还应当有一定的富余能头，这个富余能头成为汽蚀余量。

理论工作循环：作了如下假设的工作过程（1）在进排气过程中没有阻力损失，且气体状态保持不变。

在压缩过程中，多变指数不变（2）压缩机没有余隙容积，因而被压缩的气体能够完全排净（3）没有漏气现象（4）被压缩气体是理想气体。

实际工作循环：（1）有余隙容积（2）气体在排气过程中午泄漏（3）气体为非理想气体（4）多变指数发生变化（5）在进排气过程中存在阻力。

简答题：离心泵有几条特性曲线，各特性曲线有何特点、有何用途：（1）离心泵的H-Q 性能曲线是选择泵和操作使用的主要依据。

H-Q 性能曲线有“陡降”、“平坦”及“驼峰”状之分。

（2）离心泵的N-Q 性能曲线是合理选择驱动机功率和操作启动泵的依据。

（3）离心泵的η-Q 的性能曲线是检查泵工作经济性的依据。

（4）Q-hr ∆反映了泵在各种流量下的汽蚀性能。

二级离心压缩机工作时，堵塞工况最有可能出现在哪一级，为什么：当第I 级进口流量很大时，压力比1ε很小，效率很低，叶轮对气体所做的功大部分成为能量损失，使第Ⅱ级进气温度很高，就有可能使第Ⅱ级进口密度反而比第I 级进口密度小，即ⅠⅡs s ρρ<，此时ⅠⅡs s Q Q >，第Ⅱ级先于第Ⅰ级达到堵塞工况。