第九章压气机的热力过程

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,3,4,压缩气体的用途：,动,力机、风动工具、制冷工程、,化,学工业、潜水,作业、,医,疗、休闲等。,概述,按使用场合及适用压力范围，压气机又分：,通风机，,P115KPa,鼓风机，,115KPaP350KPa,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,Fanner,Fan,Compressor,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：,活塞与气缸塞不存在余隙,压缩过程可逆,气流进出阀门时无阻力损失,P,1,T,1,不变，,dm0,P,2,T,2,不变，,dm0,dm=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：,理论压气功,(,可逆过程,),指什么功,目的：,研究,耗功,，,越少越好,活塞式压气机的压气过程,技术功,w,t,Minimizing work input,(1),、,特别快，来不及换热。,(2),、,特别慢，热全散走。,(3),、,实际压气过程是,可能的压气过程,s,T,n,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：,PV,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,TS,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,13,讨论：,a,）,理想压缩是,等,温压缩,b,）通常为多变压缩,1nk,思考题：,自行车压力通常应维持在,0.25MPa,左右，用手动,打气筒向轮胎充气时用湿毛巾包在打气筒外壁，会有什么后果？,*,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：,气缸中空气质量,多变过程，,多变过程热交换量,气体与外界交换的容积功,压气机消耗轴功,18,9-2,余隙容积的影响,一,.,余隙容积,clearancevolume,原因：,防止排气时，活塞比与气缸壁碰撞，引起事故。,压气机余隙容积的存在，则余隙容积残留气体在工作中产生气垫作用，增强压气机在运行中的平稳性。,必然存在：水蒸气凝结，工质温度的不同,余隙容积,：,空气压缩机在排气时，活塞位于上死点位置，它和气缸壁保留一部分空间，这些空间,叫作余隙容积,19,1-2,质量,m,1,气体压缩：,p,1,p,2,2-3,气体排向储气罐,3-4,气体膨胀,p,2,p,1,4-1,气体吸入气缸,生产量,(,每周期,),：,二,.,工作过程,20,活塞排量,V,h,=,V,1,V,3,余隙容积,V,c,=,V,3,有效吸气容积,V,es,=,V,1,V,4,余隙容积比,C,=,V,c,/,V,h,三,.,余隙容积对生产量的影响,1,、几个概念,21,三,.,余隙容积对生产量的影响,2,、容积效率,volumetricefficiency,讨论：,22,四,.,余隙容积对理论耗功的影响,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,若保持,V,c,定值，,随升压比,升高，,V,e,减少，,v,亦降低；,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,89,。,余隙影响例题,已知：,求,（,1,）,有余隙时的,排气量,和,耗功,（,2,）,无余隙时的,排气量,和,耗功,解：,（,1,）,有效容积,例题,(1),有余隙影响,余隙影响例题,解：（,2,）,无余隙时的,排气量,和,耗功,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,T,2,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,123,为等温线，,123”,为单级压缩，使,压力由,P,1,升至,P,3,而多级压气过程,使压力由,P,1,升至,P,3,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,2233”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,PV,图和,TS,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,T,2,=T,1,一般地，压气过程中初压,P,1,和终压,P,3,均是事先给,定，于是压缩轴功仅随中间压力,P,2,而变化，最佳,中间压力,P,2,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。,压气机若已实现等温压缩，是否还有必要进行分级,压缩，中间冷却，为什么？,答：需要，虽然实现等温压缩,后耗功最小，但若压比过,大，,V,仍很小，分级后有,助于提高,V,，,如图。,若以,p,1,=0.1MPa,，,p,2,=2.5MPa,=0.04,计算,单级压缩,二级压缩,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,P,4,=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：,生产,1,压缩空气的 及各级排气温度；,若改用单级压气机压气，一次压缩到,P,4,=12.5MPa,，压缩指数亦为,n=1.25,，求,W,t,，排气温度及,分析：,先求增压比,因各级气缸进气温度相同，且增压比一样，故排气温度亦相等，即,生产,1,千克压缩气体的轴功为,若改为单级压缩，则,活塞式压气机，终温升高至,300,0,C,以上在实践,中是不可行的。,由于,例某大学实验室需,4.9MPa,压缩空气源，据市场调查，目,前市售活塞式压气机余容比,叶轮式,压气机绝热效率,cs,=0.85,，试提出初步方案及必要的分析,计算,（已知,T,0,=290K,，,p,0,=0.1MPa,）。,解：中间压力及压力比,容积效率,因为两级压气机,相同，,n,相同，所以,vL,=,vH,=0.861,若一级压缩，则,若叶轮式压气机可以实施如此大之压比，则,所以，从以上数据（及另外储气筒容积）等分析，采用,活塞式压缩机两级压缩中间冷却设计方案较合适。,