第八章-壓氣機的熱力過程.ppt

第八章壓氣機的熱力過程,8-1單級活塞式壓氣機的工作原理和理論耗功量8-2余隙容積的影響8-3多級壓縮和級間冷卻8-4葉輪式壓氣機的工作原理*8-5引射式壓縮器簡述,教學(xué)目標(biāo)：了解壓氣機熱力過程。知識點：活塞式壓氣機工作原理，耗功量計算；余隙容積對壓氣機性能的影響；多級壓縮與級間冷卻；葉輪式壓氣機的工作原理。重點：壓氣機耗功量的計算方法，提高壓氣機效率的方法和途徑。難點：多級壓縮過程中各級增壓比的確定，提高壓氣機效率的方法和途徑。,消耗外功來壓縮氣體的設(shè)備稱為壓氣機，壓氣機不是動力機，需要用動力機或電動機帶動它才能正常工作。壓氣機應(yīng)用廣泛：動力工程中鍋爐的通風(fēng)、化工生產(chǎn)中流體的輸送、制冷工程中氨氣等的壓縮等，都要用到壓氣機；生活中的電風(fēng)扇也是一種壓氣機。本節(jié)討論了活塞式壓氣機的工作原理、理論耗功計算、余隙容積對生產(chǎn)量及耗功的影響和分級壓縮級間冷卻的壓縮工藝。,壓氣機簡述,葉輪式,引射式,活塞式,按工作原理及構(gòu)造分：,羅茨式,通風(fēng)機（110kPa)鼓風(fēng)機（110300kPa)壓氣機（300kPa),按壓縮氣體壓力范圍：,壓氣機簡述,空氣濾清器,進氣閥,氣缸,活塞,散熱片,排氣閥,單級活塞式壓氣機結(jié)構(gòu)示意圖,引射式壓縮器引射器,8-1單級活塞式壓氣機的工作原理和理論耗功量,單級活塞式壓氣機,f1：進氣過程；12：壓縮過程；2g：排氣過程。,一、工作原理,圖8-1活塞式壓氣機示功圖,V,p,P1,1,P2,2,g,f,V1,V2,進氣和排氣過程f-1和2-g都不是熱力過程，氣體的狀態(tài)并不發(fā)生變化，只是缸內(nèi)氣體數(shù)量發(fā)生變化。壓縮過程1-2才是熱力過程，氣體的狀態(tài)發(fā)生了變化。壓縮過程的耗功用面積1-2-m-n-1表示,m,n,*p-V示功圖與p-v壓容圖不同：后者的每一點都與1kg工質(zhì)的平衡態(tài)對應(yīng)，而前者隨著體積V的變化，工質(zhì)的質(zhì)量變化。,v,p,P1,1,P2,2T,2s,2n,s,T,P1,1,P3,2s,2n,2T,兩個極限的壓氣過程：即絕熱壓縮和等溫壓縮。若過程進行極快而氣缸散熱較差，氣體與外界換熱可以忽略，視為絕熱壓縮，如曲線1-2s所示。若壓縮過程進行得較慢，且氣缸壁得到良好的冷卻，就接近于等溫壓縮，如曲線1-2T所示。實際壓縮過程是處于等溫與絕熱之間的多變壓縮過程（1nk），壓縮過程有熱量傳出，氣體溫度也有所升高。對單級活塞式壓氣機，通常n1.21.3。等溫壓縮氣體的終溫及比體積比絕熱壓縮的終溫及比體積低。這對于安全（避免潤滑油的燒結(jié)）及減小儲氣筒的容積有益，因此，希望壓縮過程盡量接近等溫過程。為此，活塞式壓氣機都采取冷卻措施。但對于實際壓縮過程說，無論采取什么冷卻措施，很難實現(xiàn)等溫壓縮。,圖8-2壓縮過程的p-v圖和T-s圖,二、壓氣機的理論耗功,v,p,P1,1,P2,2T,2s,2n,s,T,P1,1,P2,2s,2n,2T,圖8-2壓縮過程的p-v圖和T-s圖,按熱力學(xué)的約定，壓氣機消耗的軸功應(yīng)為負值，工程上常令壓氣機耗功為技術(shù)功的負值，即：,從分析右圖也可得：,從第四章中基本熱力過程的分析計算可以得到絕熱、等溫、多變過程的耗功計算公式；,二、壓氣機的理論耗功,v,p,P1,1,P2,2T,2s,2n,s,T,P1,1,P2,2s,2n,2T,圖8-2壓縮過程的p-v圖和T-s圖,因此，等溫壓縮過程不僅終溫及比體積比絕熱壓縮的要低，而且耗功也更小。工程上，壓氣機氣缸上設(shè)置有肋片散熱，或讓冷卻水從氣缸夾層中通過進行散熱，都是為了使壓縮過程的多變指數(shù)下降以減少壓氣機耗功。同學(xué)們可以在利用人力打氣筒為車胎打氣時做一個簡單的試驗：用濕布包裹氣筒的下部，會發(fā)現(xiàn)打氣時輕松了一點。思考一下是什么原因使同樣的打氣過程變省力！？,分析：,(1)n=1，等溫壓縮：,(2)n=1.25，多變壓縮：,(3)n=1.4，絕熱壓縮：,可見，等溫壓縮耗功最省，絕熱壓縮耗功最多，多變壓縮介于兩者之間,例2壓氣機壓縮空氣，初態(tài)可逆多變壓縮至然后排出，求：多變指數(shù)、壓縮終溫、壓縮過程與外界交換的熱量和功量,解：氣缸中空氣質(zhì)量,多變過程熱交換量,多變過程，,壓氣機消耗軸功,氣體與外界交換的容積功,8-2余隙容積的影響,前面討論了理想的壓氣過程，而實際壓氣過程中，為避免活塞與氣缸塞撞擊，也便于安排進、排氣閥，必須留有余隙。圖8-3為具有余隙容積的壓氣機理論示功圖，4-1：有效進氣。1-2：壓縮過程；2-3：排氣過程；圖中容積Vc就是余隙容積；VhV1V3，是活塞從上死點運動到下死點時活塞掃過的容積，稱為氣缸的排量。3-4：示余隙容積中殘留氣體的膨脹過程；,圖8-3有余隙容積時的示功圖,V,p,4,1,3,2,g,f,0,6,V=V1-V4,Vh=V1-V3,Vc,V4-V6,(8-4),由于余隙容積的影響，吸氣量從(V1-V3)減少到(V1-V4)。這種影響一般用有效吸氣容積(V1-V4)與活塞排量(V1-V3)之比表示，稱為容積效率，以V表示，即,余隙容積百分比，V3/(V1-V3),增壓比，亦等于p3/p4,假設(shè)壓縮過程1-2和余隙容積中剩余氣體的膨脹過程3-4都是多變過程，且多變指數(shù)均為n：,生產(chǎn)量,p,2,p1,V,1,3,4,0,V,Vc,Vh,增壓比對容積效率的影響,在相同的余隙比時，V，因此當(dāng)需要獲得較高壓力時，必須采用多級壓縮；而當(dāng)增壓比一定時，余隙比Vc/Vh加大，也將使容積效率V降低。顯然，當(dāng)或Vc/Vh增大到某一值時，可能使V0。,極限壓力,V=VV,Vh=VV3,V4V3,Vc,1,2,n,n,4,3,5,0,p,V,實際進入氣缸的氣體所占的體積,余隙容積為,活塞排量,有余隙時的理論壓氣功為,假定12及34兩過程的n相同，則,理論耗功,因為,對于1kg氣體,表明，不論有無余隙，壓縮單位質(zhì)量氣體所消耗的理論壓氣功相同。,所以,余隙容積的存在使得氣缸里面一直有一部分氣體在經(jīng)歷壓縮和膨脹過程。如果這兩個過程可近似為可逆且有相同的多變指數(shù)，那么這部分氣體的作功量和耗功量將相互抵消。即：說明壓氣機余隙容積對生產(chǎn)每千克壓縮氣體的理論耗功無影響，壓氣機耗功量仍為：,雖對壓縮定量氣體的理論耗功無影響，但使容積效率降低。每次吸氣進氣量減小，氣缸容積不能充分利用，因此不僅生產(chǎn)每千克壓縮氣體的實際耗功增大，而且壓縮同量氣體時，必須采用氣缸較大的機器。這顯然是不利的，并且這種不利影響將隨壓力比的增大而增大。故在設(shè)計制造活塞式壓氣機時，應(yīng)盡量減小余隙容積。,理論耗功,(8-5a),8-3多級壓縮和級間冷卻,圖8-4兩級壓縮、中間冷卻壓氣機示意圖（a）,多級壓縮是把氣體的壓縮過程分在兩個或兩個以上的氣缸里依次壓縮，使氣體的壓力逐級上升。當(dāng)氣體在第一級氣缸內(nèi)被壓縮到一定的壓力后，將其送入級間冷卻器，進行冷卻，把熱量傳給冷卻水，然后再送入第二級氣缸里繼續(xù)壓縮。由于低壓氣缸和高壓氣缸是在不同的壓力范圍內(nèi)工作的，氣體的體積相差很大，故高壓氣缸的直徑應(yīng)比低壓氣缸小。,采用兩級壓縮、級間冷卻工藝后，壓氣機耗功是低壓缸耗功和高壓缸耗功之和，可用圖8-4(b)上面積1223ge1表示。如果采用單級壓縮，把氣體一次從p1壓縮到p3，則所消耗的功可由面積123ge1代表，顯然采用兩級壓縮、級間冷卻工藝后壓氣機耗功減少，其值可用面積23322代表。不難看出，如果壓氣級數(shù)無限增多，壓氣過程就趨近于一個理論上耗功最少的等溫過程。壓氣機的級數(shù)Z是根據(jù)總壓力比pZ+1/p1來決定的，其中pZ+1為壓縮終了氣體的壓力，p1為進氣壓力。各級間壓力通常按使壓氣機耗總功最小的原則確定。下面以兩級壓氣機為例，說明如何確定最佳級間壓力。因為余隙容積對壓氣機理論耗功無影響，所以下面討論不考慮余隙容積的影響。,基本原理：,V,p,P1,1,P2,2,3,e,g,f,2,3,Pm,3T,圖8-4兩級壓縮、中間冷卻壓氣機示意圖（b）,s,T,P1,1,P3,3,P2,1,3s,3T,2,3,2,純粹從熱力學(xué)理論來說是這樣的，但工程實踐中，級數(shù)不能過多，否則令機構(gòu)復(fù)雜，造價增高，運行可靠性下降，活塞式壓氣機一般常用的為兩級或三級，最多不超過6級。,采用多級壓縮，級間冷卻，當(dāng)級數(shù)趨向無窮多時壓縮過程趨向等溫壓縮，此時消耗的壓縮功應(yīng)最??？,二、兩級壓縮、中間冷卻分析,耗功量,設(shè)兩級壓縮的多變指數(shù)相同，且,V,p,P1,1,P2,2,3,e,g,f,2,3,Pm,3T,二、兩級壓縮、中間冷卻分析,最佳增壓比,為使壓縮機總的耗功最小，應(yīng)選擇最佳中間壓力?？梢宰C明：對于兩級壓縮，其值為始末壓力的幾何平均數(shù)，即各級壓縮比相同。這一結(jié)論也可推廣到多級壓縮的情況，設(shè)共有m級壓縮，則有:,(8-6),此時壓氣機各級耗功相等且所消耗的總功最少，其值為每級耗功的m倍：,按上述原則選擇中間壓力還可得到以下有利結(jié)果：,每級壓氣機所需的功相等，有利于壓氣機曲軸的平衡。每個氣缸中氣體壓縮后所達到的最高溫度相同，可以在各氣缸使用近似的材質(zhì)，而對不同壓力采用不同的壁厚和缸徑。每級向外排熱量相等，而且每一級的中間冷卻器向外排熱量也相等。各級氣缸容積按增壓比遞減,工程常用壓氣機定溫效率C,T做為活塞式壓氣機性能的優(yōu)劣指標(biāo)，其定義為：當(dāng)壓縮前氣體的狀態(tài)相同、壓縮后氣體的壓力相同時，可逆定溫壓縮過程所消耗的功wC,T和實際壓縮過程所消耗的功wC的比值。即：,活塞式壓縮機的評價指標(biāo)：,(8-9),空氣初態(tài)為p1=0.1MPa，t1=20,經(jīng)三級壓縮，壓力達到12.5MPa。設(shè)進入各級氣缸時的空氣溫度相同，各級多變指數(shù)均為1.3，各級中間壓力按壓氣機耗功最小原則確定。若壓氣機每小時產(chǎn)出壓縮空氣120kg，求：(1)各級排氣溫度及壓氣機的最小功率；(2)倘若改為單級壓縮，n仍為1.3，壓氣機耗功及排氣溫度是多少？,各級排氣溫度相等為：,例3,解：(1)壓氣機耗功最小時各級壓力比相等，且為,各級耗功相同，故壓氣機耗功率為:,(2)單級壓縮排氣溫度,壓氣機耗功率,上述計算表明，單級壓氣機不僅比多級壓氣機消耗更多的功，而且排氣溫度大大提高，會造成潤滑油變質(zhì)，甚至引起自燃爆炸。此外，制造壓氣機的材質(zhì)也要求更高。,例4,活塞式壓氣機活塞每往復(fù)一次生產(chǎn)0.5kg，壓力為0.35MPa的壓縮空氣?？諝膺M入壓氣機時的溫度為17，壓力為0.098MPa，若壓縮過程為n=1.35的可逆多變過程，余隙容積比為0.05，試求壓縮過程中氣缸內(nèi)空氣的質(zhì)量。解：壓縮終了時余隙中空氣的參數(shù)為p2=p3=0.35MPa,容積效率,據(jù)容積效率定義，而有效吸氣容積內(nèi)氣體即是產(chǎn)出的壓縮空氣，故,壓縮過程中氣缸內(nèi)的空氣總質(zhì)量為,因此余隙容積中殘存的空氣量為,所以,由題給，余隙容積比V3/(V1-V3)=0.05，故,8-4葉輪式壓氣機的工作原理,與活塞式壓氣機相比，葉輪式壓氣機結(jié)構(gòu)緊湊，輸氣量大，輸氣均勻且運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，效率高。缺點是增壓比小；葉輪式壓氣機分離心式與軸流式等。,擴壓管,離心式壓氣機結(jié)構(gòu)示意圖,進氣室,進氣口,葉輪,蝸殼,出氣口,出口擴壓器,主軸,出口擴壓器,1、離心式壓氣機的轉(zhuǎn)子,2、離心式壓氣機組裝圖,收縮器,靜葉片,動葉片,擴壓器,多級軸流式壓氣機結(jié)構(gòu)示意圖,機殼,轉(zhuǎn)子,止推軸承,支撐軸承,聯(lián)軸器,軸端密封,進口導(dǎo)向葉片,軸流式壓氣機,三、葉輪式壓氣機的工作原理,葉輪式壓氣機的特點：離心式產(chǎn)量小，壓力高。軸流式流量大，壓力低。葉輪式產(chǎn)氣量大，每級增壓比小，而且容易造成較大的摩擦損失。,葉輪式壓氣機壓縮過程的熱力學(xué)解釋：,從熱力學(xué)觀點出發(fā)，盡管活塞式和葉輪式的結(jié)構(gòu)和工作原理都不同，但壓縮過程中氣體的狀態(tài)變化本質(zhì)上是一致的，本章只對葉輪式壓氣機作簡單介紹。,理想可逆定熵壓縮過程12s,實際不可逆絕熱壓縮12,1,2s,p1,p2,s,T,2,j,m,n,2T,常采用絕熱效率來衡量葉輪式壓氣機工作的優(yōu)劣C,s。其定義為：當(dāng)壓縮前氣體的狀態(tài)相同、壓縮后氣體的壓力相同時，可逆絕熱壓縮過程所消耗的功wC,s和實際壓縮過程所消耗的功wc的比值。即,葉輪式壓氣機的評價指標(biāo)：,(8-12),對于理想氣體,*8-5引射式壓縮器簡述,靠高壓工作流體經(jīng)噴嘴后產(chǎn)生的高速射流來引射被吸流體，與之進行動量交換，以使被引射流體的能量增加，從而實現(xiàn)吸排作用。常用的工作流體有水、水蒸氣、空氣。被引射流體則可以是氣體、液體或有流動性的固、液混合物。,(1)效率低。(2)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，價格低。(3)無運動部件，工作可靠，使用壽命長。只有當(dāng)噴嘴因口徑長期使用后，過分磨損導(dǎo)致性能降低，才需更換。(4)吸入性能好，而且抽送液體時的允許吸上真空度也很高。(5)可輸送含固體雜質(zhì)的污濁液體，即使被水浸沒也能工作。,本章作業(yè),8-1,某單級活塞式壓氣機每小時吸入的空氣量V1=140m3/h，吸入空氣的狀態(tài)參數(shù)是p1=0.1MPa、t1=27，輸出空氣的壓力p2=0.6MPa。試按下列三種情況計算壓氣機所需要的理想功率（以kW表示）：定溫壓縮；絕熱壓縮（設(shè)=1.4）多變壓縮（設(shè)n=1.2）,(1)等溫壓縮：,(3)多變壓縮,n=1.2：,(2)絕熱壓縮,=1.4：,8-2某單級活塞式壓氣機吸入空氣參數(shù)為p1=0.1MPa,t1=50,V1=0.032m3，經(jīng)多變壓縮后p2=0.32MPa,V2=0.012m3，試求（1）壓縮過程的多變指數(shù)；（2）壓縮終了空氣溫度；（3）所需壓縮功；（4）壓縮過程中傳出的熱量。,解：（1）多變指數(shù),（3）所需壓縮功：,（2）壓縮終了空氣溫度,（4）壓縮過程中傳出的熱量,8-3壓氣機中氣體壓縮后的溫度不宜過高，若取限極值為150。某單缸壓氣機吸入空氣的壓力和溫度為p1=0.1MPa,t1=20,吸氣量為250m3/h，若壓氣機中缸套流過冷卻水465kg/h，在缸套中水溫升高14。求（1）空氣可能達到的最