工程热力学课件 华北电力大学（北京） 动力工程系 工程热物理教研室制作 2005年5月

第九章 压气机的热力过程

概述 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。

罗茨式压气机

压气机分类： 压气机不是动力机，压气机中进行的过程 不是循环 活塞式—压头高，流量小，间隙生产 按工作原理分 压气机分类：  活塞式—压头高，流量小，间隙生产     按工作原理分 叶轮式—压头低，流量大，连续生产   通风机—表压0.01MPa以下 按压头高低分 鼓风机—表压0.1~0.3MPa 压气机—表压0.3MPa以上 压气机不是动力机，压气机中进行的过程  不是循环

§9–1 单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量 §9–1 单级活塞式压气机工作原理和理论耗功量 一.工作原理 0-1：吸气，传输推动功p1v1  1-2：压缩，耗外功 2-3：排气，传输推动功p2v2  压气机耗功： 注意：压气机生产量通常用单位时间里生产气体的标准  立方米表示，不同于进气或排气状态。

二.理论耗功 所以wC取决于初、终态及  过程特征 1.绝热压缩 2.等温压缩 3.多变压缩

讨论：a） 理想压缩是  等温压缩 b）通常为多变压缩, 1<n<k

§9–2 余隙容积的影响 一.余隙容积—clearance volume  布置进、排气结构 制造公差 产生原因 部件热膨胀

piston displacement; piston swept volume 几个名词： 余隙容积: Vc（=V3） 气缸工作容积(活塞排量):  Vh(=V1–V3)  -- cylinder displacement; stroke volume;  piston displacement; piston swept volume 有效吸气容积: Ves（=V1–V4） 余隙容积比: (clearance-to-piston displacement ratio) =Vc/Vh

生产过程：  1-2 质量m1气体压缩：p1p2  2-3 气体排向储气罐 3-4 气体膨胀 p2  p1 4-1 气体吸入气缸 生产量(每周期)：

二.余隙容积对生产量的影响 容积效率—volumetric efficiency 讨论：

三.余隙容积对理论耗功的影响

即余隙对理论耗功无影响（实际上还是使耗功增大）。 归纳：  余隙存在使 1）生产量下降  有害容积 2）实际耗功增大

§9–3 多级压缩和级间冷却  采用多级压缩时，可把压缩过程分别在几个气缸中完成，可使每级气缸的增压比不会过高，也可便于按各级气缸的工作压力合理设计余隙比，因而多级压缩的压气机可以得到较高的容积效率。 采用中间冷却器，可降低压缩过程中气体的温度，使压缩终了温度不致过高。也可以减少压气机所消耗的轴功（p-V图中阴影面积)。 s T 1 3’ 2 2’

两级压缩中间冷却分析 省功 有一个最佳增压比

最佳增压比的推导 省功

最佳增压比的推导 欲求w分级最小值， 省功

最佳增压比的推导 w分级最小值， 省功 最佳增压比 可证明 若m级

润滑油要求t<160~180℃,高压压气机必须分级 分级压缩的其它好处 润滑油要求t<160~180℃,高压压气机必须分级

分级压缩的级数 省功 分级 降低出口温 T 所以，一般采用 2 ~ 4 级压缩 多级压缩达到 无穷多级 (1)不可能实现 (2)结构复杂(成本高) 所以，一般采用 2 ~ 4 级压缩

活塞式压气机的定温效率—isothermal efficiency

例：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p1=0.1MPa，p2=2.5MPa =0.04计算 单级压缩 二级压缩

例：活塞式压气机把0.1MPa，298k的空气加压到2.5MP。 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

§9–5 叶轮式压气机(turbo-compressor) 工作原理 centrifugal （离心式） compressor axial-flow(轴流式） compressor

由于排量大，运转快，难冷却，可作绝热压缩考虑 一.简介  叶轮式压气机：  转速高；连续吸，排气，运转平稳；排气量大没有余隙影响；但每级压比不高。   二.叶轮式压气机热力学分析 由于排量大，运转快，难冷却，可作绝热压缩考虑

理论耗功 实际多耗功 实际耗功

绝热内效率  (adiabatic internal efficiency) 理想气体

例：叶轮式压缩机，氮气进口参数为p1=0.0972MPa，t1=20°c， 出口压力p2=311.11kPa，进口处氮气流量 压 气机绝热效率c,s=0.80，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）若t0=20°c，求作功能力损失I。 已知氮气：

解：1）

思 考 题 1。 如果多级压缩的分级越多，且每两级之间均设置中间冷却措施，则压气机消耗的轴功将减少的越多，试问压气机消耗的轴功是否存在最小的极限值？ 2。 如果通过各种冷却方法而使压气机的压缩过程实现为定温过程，则采用多级压缩的意义是什么？ 3。试分析，在增压比相同时，采用定温压缩和采用绝热压缩的压气机的容积效率何者高？ 4。试说明余隙容积对实际压气机消耗的轴功是否有影响？