1、压气机的热力过程概述和工作原理84叶轮式压气机工作原理83多级压缩、中间冷却82余隙容积的影响81活塞式压气机的工作原理和理论耗功量基本内容80概述工业中：制冷：压缩机电厂：锅炉供风汽车：车闸，气动开、关门涡轮机：空气压缩生活中：自行车打气、吹风机。8-0、概述1.压气机用来提高气体压力的设备称为压气机。1)工作原理及构造活塞式叶轮式2.压气机分类活塞式压力高，流量小，间隙生产叶轮式压力低，流量大，连续生产2)压力范围通风机表压以下鼓风机表压压缩机表压0.3MPa以上空分、空气制冷压缩蒸汽制冷工业通风机、鼓风机分析并计算定量气体自相同的初态经不同途径压缩
2、到预定的终压时，压气机所耗的功;探讨省功的途径。3.压气机热力分析的任务8-1、单级活塞式压气机的工作原理和理论耗功量一、工作原理0-1：吸气过程，状态不变，获得推动功p1v12-3：排气过程，状态不变，消耗推动功p2v21-2：压缩过程，压力升高，体积减小，耗外功增压比：指什么功目的：分析耗功、探讨省功途径压缩过程耗功压气机耗功压气机耗功：wC取决于初、终态压力及过程特征，过程不同，压缩机耗功也不同。理想气体热力过程的p-v,T-s图sTvpppvvTTss(1)特别快，来不及换热(2)特别慢，热全散走(3)实际压气过程可能的压气过程sTn二、理论耗功1.绝热压缩过程进行的非常
3、快，产生的热量来不及传出2.等温压缩压缩过程进行的非常慢，或者冷却措施非常好，产生的热量可以及时排出3.多变压缩居于上述两种极端情况之间，工程上常见的压缩过程，都属于多变过程2T2n2s讨论：1、等温压缩最省功；2、出口温度最低，有利于设备安全；3、出口比体积最小，有利于设备小型化。a）理想压缩过程是等温压缩讨论：b）通常为多变压缩,1n压气机工作过程改进方向：使工作过程尽可能接近等温压缩。思考题：自行车压力通常应维持在左右，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？8-2、余隙容积的影响产生原因布置进、排气结构，避免活塞与进排气阀碰撞留有空隙制造公差部件热膨胀
4、余隙容积：活塞运行到上止点时，活塞顶部与气缸盖间的空隙容积。压缩过程排气，状态未变残留气体膨胀进新气，状态未变pV12fgV10VcV434气缸排量研究VC对产气量和耗功的影响新气量产气量有效吸气容积CV123p41VV3V余隙容积生产量(每周期)：定义容积效率令余隙(容)比工程上一般CV123p41VV3V假设：压缩过程1-2和余隙容积中气体的膨胀过程3-4均为多变过程。一、余隙容积VC对生产量的影响极限讨论：二、余隙容积VC对理论耗功的影响设12和34两过程n相同功面积12341面积12561面积435642311V3VV645CVp余隙对单位产气量耗功不影响2311V3VV645CVp
5、1、虽然余隙容积对理论耗功无影响，但实际上由于余隙容积会造成容积效率减小，使得生产相同质量气体所需要的活塞行程增多（考虑摩擦阻力的存在，还是使实际耗功增大）或设备体积增大。2、余隙存在使1）生产量下降2）实际耗功增大或设备体积增大可见余隙容积是有害容积。减小余隙容积影响的两种方法：1）设计时，尽可能减小余隙容积比；2）使用时，尽可能减小压缩比。讨论：一、减少压气机耗功的几种方法多级压缩级间冷却1）夹层冷却（外部冷却）2）喷水冷却（内部冷却）3）多级压缩，中间冷却工程上需要高压气体，但压缩过程中随p升高，T升高，耗功增大。为此采取：8-3、多级压缩和级间冷却3）级数N1）省功2）降
6、低了排气温度1.定性分析1n低压缸2p中冷器3n高压缸4二、理论耗功分析即为等温压缩过程问题：中间压力应如何确定？省功大小与中间压力p2有关存在一个最佳中间压力，使得分级压缩省功最多，即压缩机耗功最小。注意：起到省功作用的是中间冷却，没有中间冷却的多级压缩不能省功。令时2.最佳中间压力的分析每生产1kg压缩气体：推广：若N级1）按选择各级中间压力，优点：a）各级耗功相等，有利于曲轴平衡。b）各缸终温相同讨论d）各中冷器散热相等c）各级散热相同有利于润滑油工作，使可靠性增加。2）若分级m，则趋于定温压缩，但由于体积庞大，系统复杂，可靠性下降，一般2-4级。3）定温效率(isoth
7、ermalefficiency)思考题：1.如果采用气缸冷却水套以及其他冷却措施，使气体在压气机中已经能够按等温压缩过程进行，这时是否还需要采用多级压缩，为什么？课后思考题需要，虽然实现等温压缩后耗功最小，但由于余隙容积的存在，若压比过大，V会很小，分级后有助于提高V。以p1，p2，=0.04计算。单级压缩二级压缩活塞式压气机把，298K的空气加压到。试分别按单级压缩和二级压缩，中间冷却，计算压气机容积效率及各缸终温。已知解：单级压缩二级压缩，中间冷却若取例题1若取容积效率排气温度单级压缩0.525T2=567.3K两级压缩0.716Ta=342.3KT2=493.8K两级
8、压缩0.801Ta=T2=411.1K可见分级压缩，可以有效提高容积效率，同时减小排气温度；而且按最佳中间压力设置的分级压缩方案地的效果最好。讨论一、简介叶轮式压气机(turbo-compressor)：原理：入口初步加速、导向叶片扩压、叶片加速，再扩压，逐级升压优点：转速高；吸、排气过程连续，运转平稳；排气量大，没有余隙影响；缺点：每级压比不高。离心式压气机centrifugalcompressor轴流式压气机axial-flowcompressor8-4叶轮式压气机工作原理和理论耗功量轴流式压气机离心式压气机绝热压缩过程理论耗功实际耗功绝热效率理想气体二、叶轮式压气机热力学分
9、析由于排量大，运转快，难冷却，可作绝热压缩考虑。然而，由于流速高，摩擦的影响不可忽略，因此其压缩过程是不可逆过程，引入压气机绝热效率：理论耗功实际耗功实际多耗功实际多消耗的功，并不等于有效能损失。2叶轮式压缩机，氮气进口参数p1，t1=20，出口压力p2，进口处氮气流量。压气机绝热效率C,s，略去进出口动能差和位能差，求：1）压气机定熵压缩的耗功量;2）实际耗功量;3）由于不可逆而多耗功wt;4）作功能力损失I。t0=20。已知氮气：例题2解：1）压气机定熵压缩的耗功量2）求实际耗功量3）由于不可逆而多耗功4）作功能力损失讨论由于不可逆而多耗功作功能力损失可见由于实际不可逆
10、过程多消耗的功，并不等于有效能损失，因为不可逆过程产生的热量，仍旧具有一定的有效能。某大学实验室需压缩空气源，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，试提出初步方案及必要的分析计算。已知，T0=290K，p0=0.1MPa。解：分析：活塞式压气机压比高、流量小，叶轮式压气机压比低、流量大，考虑到大学实验室用气量较小，但其压比却较大，故采用活塞式压气机较合适。为了保证一定的容积效率及设备和人身安全，考虑分级（2级）压缩中间冷却。例题3容积效率因为两级压气机相同，n相同，所以VL=VH中间压力及压力比若单级压缩，则再次说明分级压缩，可以有效提高容积效率，并减小排气温度。叶轮式压气机的排气温度远高于活塞式压气机的排气温度，因此，采用活塞式压缩机两级压缩中间冷却设计方案较合适。若叶轮式压气机可以实施如此大之压比，则小结1.压气机耗功适用于任何工质、绝热过程。适用于理想气体、绝热过程。适用于理想气体、可逆绝热过程。当用于多变过程时，只需将绝热指数k改为多变指数n即可1）