工程熱力學(xué)12 氣體的壓縮

1、第十二章 氣體的壓縮通過(guò)消耗外功來(lái)提高氣體壓力的設(shè)備稱為壓氣機(jī)。壓氣機(jī)在工程、科學(xué)研究中具有十分廣泛的用途，如動(dòng)力工程中煤粉的輸運(yùn)和鍋爐通風(fēng)、制冷設(shè)備中制冷劑的壓縮、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中高壓氣體的獲得、風(fēng)動(dòng)工具（如公共汽車車門的開(kāi)關(guān)、大型內(nèi)燃機(jī)的啟動(dòng)），車胎打氣等。壓氣機(jī)分類：通風(fēng)機(jī)（<0.01MPa表壓）按壓力范圍 鼓風(fēng)機(jī)（0.010.3MPa表壓） 壓縮機(jī) （>0.3MPa表壓）活塞式按構(gòu)造 葉輪式（離心式和軸流式） 引射式活塞式壓氣機(jī)是通過(guò)活塞在氣缸中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)擠壓氣缸中的氣體，從而使氣體的壓力提高。葉輪式壓氣機(jī)通過(guò)葉輪的旋轉(zhuǎn)，使氣體加速，并使高速氣體在特定流道中（相當(dāng)于擴(kuò)壓管）降低

2、流速，從而提高壓力。活塞式壓氣機(jī)和葉輪式壓氣機(jī)的一個(gè)顯著區(qū)別是：活塞式壓氣機(jī)吸氣與排氣是間歇性的；而葉輪式壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程是在連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的，即氣體不斷地流入壓氣機(jī)，在壓氣機(jī)內(nèi)被壓縮后，不斷地被排出壓氣機(jī)?；钊綁簹鈾C(jī)適用于高壓、排量小的場(chǎng)合；而軸流式壓氣機(jī)適用于低壓、排量大的場(chǎng)合。盡管壓氣機(jī)的種類和工作原理多種多樣，但是從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，壓縮氣體的狀態(tài)變化并沒(méi)有什么不同，都是接受外功使氣體壓縮升壓的過(guò)程。12.1 活塞式壓氣機(jī)的工作原理活塞式壓氣機(jī)的示意圖和p-v圖（又稱示功圖）示于圖12-1中。工作三部曲： 在活塞式壓氣機(jī)的理想工作過(guò)程中，氣體經(jīng)過(guò)進(jìn)氣閥與排氣閥時(shí)，不考慮在閥門處的

3、阻力與摩擦力。當(dāng)活塞自左止點(diǎn)向右移動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣閥門A打開(kāi)，氣體從缸外被吸入氣缸，這是吸氣過(guò)程（0-1），此時(shí)，吸入氣體的熱力學(xué)狀態(tài)不發(fā)生任何變化。當(dāng)?shù)竭_(dá)右止點(diǎn)時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，活塞在外力作用下向左回行，氣缸內(nèi)的氣體被壓縮，壓力升高，這就是氣體的壓縮過(guò)程（2-3），此時(shí)需要消耗外功。當(dāng)活塞左行至某一位置時(shí)，氣體的壓力升高到預(yù)定壓力，圖12-1 活塞式壓氣機(jī)p13012pVp2pdVVdpABV1V2此時(shí)排氣閥門B開(kāi)啟，活塞繼續(xù)左行，把氣缸內(nèi)的氣體排到儲(chǔ)氣罐或輸氣管道中，直至活塞到達(dá)左止點(diǎn)，這是排氣過(guò)程（2-3）。排氣過(guò)程中，氣體的狀態(tài)也不發(fā)生變化?；钊汕S連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，曲軸回轉(zhuǎn)一次，活塞往返一次。

4、活塞不斷往復(fù)，重復(fù)上面三個(gè)過(guò)程，這就是活塞式壓氣機(jī)的理想工作過(guò)程。從上面的說(shuō)明中可以看出，過(guò)程0-1與2-3僅僅是將氣體吸入和排出氣缸的機(jī)械輸運(yùn)過(guò)程，氣體的狀態(tài)并不發(fā)生任何變化；而只有1-2的壓縮過(guò)程才是真正的熱力過(guò)程。定義壓縮過(guò)程中氣體的終壓與初壓之比為增壓比，（12-1）圖12-2（a）和12-2（b）分別是壓縮過(guò)程的pV圖和TS圖。壓氣機(jī)的壓縮過(guò)程可以看作多變過(guò)程（12n）。若壓縮過(guò)程進(jìn)行的很快，氣體來(lái)不及和外界交換熱量，則壓縮過(guò)程近似于絕熱壓縮過(guò)程（12s）；如果壓縮過(guò)程進(jìn)行得較慢，并且氣缸壁得到良好的冷卻，則壓縮過(guò)程接近于定溫壓縮過(guò)程（12T）。絕熱壓縮和定溫壓縮是壓縮過(guò)程的兩個(gè)極限

5、情況。因要考慮流動(dòng)功，壓氣機(jī)耗功應(yīng)以技術(shù)功計(jì)。對(duì)于可逆的壓縮過(guò)程，技術(shù)功。對(duì)于不同的壓縮過(guò)程，技術(shù)功可以通過(guò)把過(guò)程方程代入上式積分來(lái)得到。絕熱壓縮過(guò)程、多變壓縮過(guò)程和定溫壓縮過(guò)程所消耗的技術(shù)功分別通過(guò)式（12-2a）、（12-2b）和（12-2c）來(lái)計(jì)算絕熱壓縮：（12-2a）多變壓縮：（12-2b）定溫壓縮：（12-2c）根據(jù)上面各式計(jì)算出來(lái)的技術(shù)功為負(fù)值，表明壓縮需要消耗外功。技術(shù)功在pV圖上表示為壓縮過(guò)程線向縱軸投影所形成的一塊面積。從圖12-2（a）中可以明顯看出，（12-3）壓縮過(guò)程中所釋放的熱量可以根據(jù)能量方程得到，（12-4）其在TS圖上表示為壓縮過(guò)程線在橫軸投影所圍成的一塊面積

6、，從圖12-2b中可以發(fā)現(xiàn)（12-5）壓縮后的終溫為，絕熱壓縮：（12-6a）多變壓縮：（12-6b）定溫壓縮：（12-6c）比較三個(gè)壓縮過(guò)程之間的終溫，不難得到，12s2T 2n 2s12n2Tp1p2abpcdeTSV（a） （b）圖12-2 不同壓縮過(guò)程的pV圖與TS圖（12-7）因壓縮后P2相同，故也有 （12-8）上述結(jié)果說(shuō)明，放熱壓縮可以節(jié)省壓氣機(jī)的耗功量，并且，在一切壓縮中，定溫壓縮所消耗的功量最??；壓縮后氣體的終溫最低（有利于改善氣缸的潤(rùn)滑條件，安全及防缸壁損壞的拉缸出現(xiàn)）；同時(shí)，壓縮后的體積最?。ㄙA氣缸?。?。為了讓壓縮過(guò)程接近于定溫壓縮，工程上經(jīng)常采用加氣缸冷卻水套、噴霧化水

7、， 以及下節(jié)中所要介紹的多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻等措施。由于摩擦的影響，實(shí)際的壓氣過(guò)程是不可逆的，因此實(shí)際壓氣機(jī)的耗功量要比可逆壓縮大。余隙影響： 進(jìn)氣量影響 為了避免活塞與缸蓋之間的撞擊，考慮缸蓋上有進(jìn)、排氣閥，以及熱膨脹、制造公差。在活塞式壓氣機(jī)中，活塞與缸蓋之間保持有一定的余隙，這使得排氣后，余隙容積內(nèi)仍然殘留有一定數(shù)量的高壓氣體，從而造成氣缸容積不能得到充分應(yīng)用。pVVVcVhVc 余隙容積； Vh=V1-V3氣缸排量（左止點(diǎn)與右止點(diǎn)間活塞掃過(guò)的容積）V=V1-V4有效吸氣容積（余隙中殘留高壓氣體膨脹至進(jìn)氣壓力要占去一部分容積）余隙不僅本身有一部分容積Vc，還使另一部分氣缸容積V4-V3失去

8、作用，描述這一氣缸利用率下降，用容積效率 分析： 余隙（容積）比； ， n 一定, 直至為0.耗功影響 即余隙不影響單位質(zhì)量氣體的耗功，只影響壓縮氣體的產(chǎn)量（m減少， ）12.2 多級(jí)壓縮及級(jí)間冷卻冷卻水低壓缸高壓缸級(jí)間冷卻器圖12-3 兩級(jí)壓縮、中間冷卻采用放熱可以減小壓氣機(jī)的耗功量和降低終溫，是改進(jìn)壓縮效果的有效手段。但是，這種手段在氣體流速很高的軸流式壓氣機(jī)中是很難實(shí)現(xiàn)的?；钊綁簹鈾C(jī)雖然可以采用加水套、噴霧化水等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)放熱壓縮，但是對(duì)于高轉(zhuǎn)速、大排量的情況，要降低多變指數(shù)也很困難，效果有限；同時(shí)，高壓縮比還會(huì)降低壓氣機(jī)的容積效率（余隙容積的影響）。因此，為了進(jìn)一步改善壓縮過(guò)程，以節(jié)

9、省壓縮功、降低壓縮終溫以及提高容積效率，常常采用多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的方法。多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻是把氣體分別在兩個(gè)或兩個(gè)以上氣缸中依次壓縮、使氣體的壓力逐級(jí)提高，并且在相鄰的兩級(jí)之間布置有級(jí)間冷卻器，對(duì)前一級(jí)所壓縮的氣體進(jìn)行冷卻，降低氣體的壓縮溫度。以圖12-3所示的兩級(jí)壓縮級(jí)間冷卻的壓氣機(jī)裝置系統(tǒng)為例，來(lái)說(shuō)明多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的基本原理。為了分析方便，假定被壓縮的氣體是理想氣體；氣體在每一級(jí)中的壓縮過(guò)程為絕熱壓縮；氣體在級(jí)間冷卻器中進(jìn)行的是定壓理想冷卻（）。（a） （b）圖12-4 兩級(jí)壓縮、中間冷卻的pV圖與TS圖12p1P3abpVp2c231deTSp3p2p12233兩級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的

10、pV圖和TS圖分別如圖12-4（a）、（b）所示。過(guò)程c-1為壓氣機(jī)低壓缸的吸氣過(guò)程，1-2為氣體在低壓缸的壓氣過(guò)程，2-b為低壓缸的排氣過(guò)程；b-2為壓縮氣體進(jìn)入級(jí)間冷卻器的過(guò)程，2-2為壓縮氣體在級(jí)間冷卻器的定壓放熱過(guò)程，2-b為冷卻后的氣體自級(jí)間冷卻器中排出；b-2為高壓缸的吸氣過(guò)程，2-3為氣體在高壓缸的壓縮過(guò)程，3-a為高壓缸的排氣過(guò)程。（余隙影響可通過(guò)減小氣缸容積加以考慮）在pV圖上，兩級(jí)壓縮級(jí)間冷卻所消耗的技術(shù)功（面積1223ac1）為低壓壓縮技術(shù)功（面積122bc1）和高壓壓縮技術(shù)功（面積23ab2）之和，和一次壓縮的耗功量（面積123ac1）相比，節(jié)省的功量大小為面積2233

11、2。相應(yīng)地，兩次壓縮級(jí)間冷卻所放出的熱量在TS圖上表示為面積e122de，而壓縮終溫也明顯低于一次壓縮的終溫。因此，采用多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻方式可以有效地降低壓氣機(jī)的耗功量、并降低排氣的終溫。對(duì)于理想氣體，兩級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的壓氣機(jī)的總耗功量可以表示為， （12-9）氣體在級(jí)間冷卻器中被定壓冷卻至初溫，因此有、，并且根據(jù)狀態(tài)方程，式（12-9）變?yōu)椋?（12-10）由上述可知，當(dāng)初始狀態(tài)、和終壓已知時(shí)，兩級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻所消耗的總功僅僅隨中間壓力而變化，為了使耗功量最小，令，求得最佳中間壓力為，即 （12-10）可見(jiàn)，當(dāng)各級(jí)增壓比相等時(shí)，壓氣機(jī)的總耗功量最小。對(duì)于的多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的壓氣過(guò)程，

12、上面得到的結(jié)論同樣適用，即各級(jí)增壓比相等時(shí)，總耗功量最小，因此，各級(jí)的最佳增壓比為，（8-22）采用最佳增壓比后，還可以使各級(jí)的耗功量相等，各級(jí)氣體的溫升相等，各級(jí)間冷卻器的放熱量相等。這種均衡對(duì)于壓氣設(shè)備的設(shè)計(jì)與運(yùn)行都是有利的。從pV圖中不難看出。在總增壓比一定的條件下，分級(jí)越多，理論上的耗功量越??；當(dāng)級(jí)數(shù)無(wú)限多時(shí)，此時(shí)的壓縮過(guò)程和定溫壓縮無(wú)限趨近，總耗功量最小。實(shí)際上，壓縮的分級(jí)數(shù)不易過(guò)多，視總增壓比的大小，一般為24級(jí)（考慮成本、運(yùn)行管理，機(jī)構(gòu)不能太復(fù)雜）。盡管采用了多級(jí)壓縮級(jí)間冷卻的措施，但對(duì)于每級(jí)壓縮而言，仍然需要采用多變放熱壓縮的措施?！纠?2-1】空氣由初壓0.1MPa，初溫20

13、，經(jīng)兩級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻可逆多變地壓縮到6MPa，假設(shè)各級(jí)的多變指數(shù)，試求壓縮終溫及壓縮耗功量各為多少，并把所得結(jié)果和單級(jí)多變壓縮至同樣增壓比的情況進(jìn)行比較。解：兩級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻過(guò)程的p-v圖與Ts圖如圖12-4所示。按照壓氣機(jī)耗功量最小原理，分配各級(jí)的增壓比，空氣在級(jí)間冷卻器中被理想冷卻，即，故各級(jí)的排氣溫度為即，氣體通過(guò)各級(jí)壓縮后的溫度相等，為K兩級(jí)壓縮時(shí)壓氣機(jī)的總耗功量為如果采用單級(jí)壓縮，則壓縮終溫由上可知，采用單級(jí)壓縮時(shí)，排氣溫度為579.7K（約306.7），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于兩級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的壓縮終溫412.2K。在活塞式壓氣機(jī)中，如此高的壓縮終溫已經(jīng)超出了潤(rùn)滑油的正常工作溫度。再來(lái)看看單

14、級(jí)壓縮的耗功量，顯然，單級(jí)壓縮的耗功量也大于兩級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻的耗功量。從計(jì)算可以看出，多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻可以降低壓縮終溫，減小耗功量。12.2 葉輪式壓氣機(jī)的工作原理活塞式壓氣機(jī) 缺點(diǎn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間產(chǎn)氣量?。ㄞD(zhuǎn)速不高、間歇吸排氣、余隙影響）；葉輪式壓氣機(jī) 優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間產(chǎn)氣量大（轉(zhuǎn)速高、無(wú)間歇吸排氣、無(wú)余隙影響）； 缺點(diǎn)：1. 單級(jí)增壓比小（欲提高壓力，需多級(jí)）；2流速高，摩擦損耗大，不可逆程度高。葉輪式 徑流（離心式） 中小流量，效率低； 軸流 大流量，效率較高，結(jié)構(gòu)緊湊，可多級(jí)。噴管擴(kuò)壓管靜葉片動(dòng)葉片靜葉片間通道圖12-5 葉輪式壓氣機(jī)葉輪式壓氣機(jī)因氣流速度高與動(dòng)、靜葉片有摩擦，因而實(shí)際的壓縮過(guò)程為不可逆絕熱壓縮。不可逆絕熱