壓氣機(jī)的熱力過程

1、第九章壓氣機(jī)地?zé)崃^程、目地及要求了解壓氣機(jī)地?zé)崃^程，掌握壓氣機(jī)地理論耗功地計(jì)算方法；掌握余隙容積對(duì)理論耗功及生產(chǎn) 量地影響；掌握多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻地原理及用途二、內(nèi)容：9.1單級(jí)活塞式壓氣機(jī)地工作原理和理論耗功量9.2余隙容積地影響9.3多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻9.4葉輪式壓氣機(jī)地工作原理、重點(diǎn)及難點(diǎn):9.1掌握活塞式壓氣機(jī)和葉輪式壓氣機(jī)地工作原理9.2掌握不同壓縮過程（絕熱、定溫、多變）狀態(tài)參數(shù)地變化規(guī)律、耗功地計(jì)算，以及壓氣機(jī)耗功地計(jì)算.9.3 了解多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻地工作情況.了解余隙容積對(duì)活塞式壓氣機(jī)工作地影響.四、主要外語(yǔ)詞匯：Compressor, Multi-Level Compr

2、essi on, In ter-cooli ng, I impaired volume五、本章節(jié)采用多媒體課件六、復(fù)習(xí)思考題及作業(yè)：思考題：1、 如果由于應(yīng)用氣缸冷卻水套以及其他冷卻方法，氣體在壓氣機(jī)中已經(jīng)能夠按定溫過程進(jìn)行壓 縮,這時(shí)是否還需要采用分級(jí)壓縮？為什么？2、 壓氣機(jī)按定溫壓縮時(shí)氣體對(duì)外放出熱量，而按絕熱壓縮時(shí)不向外放熱，為什么定溫壓縮反較 絕熱壓縮更為經(jīng)濟(jì)？3、 壓氣機(jī)所需要地功也可以由第一定律能量方程式導(dǎo)出，試導(dǎo)出定溫、多變、絕熱壓縮壓氣 機(jī)所需要地功，并用T-s圖上面積表示其值.作業(yè)：9- 2,9 4,9 5,9 7第九章壓氣機(jī)地?zé)崃^程壓氣機(jī)是用來(lái)壓縮氣體地耗能設(shè)備，而不是

3、動(dòng)力機(jī).壓氣機(jī)地用途很廣泛，由于使用 場(chǎng)合及工作壓力范圍不同，壓氣機(jī)地結(jié)構(gòu)型式及工作原理也有很大差異.'活塞式壓氣機(jī)往復(fù)式按工作原理及構(gòu)造壓氣機(jī)可分為："葉輪式壓氣機(jī)離心式.引射式壓氣機(jī) 通風(fēng)機(jī)（O.OIMPa表壓以下）按其產(chǎn)生壓縮氣體地壓力范圍鼓風(fēng)機(jī)（0.10.3MPa表壓）I壓氣機(jī)（0.3MPa表壓以上）活塞式壓氣機(jī)和葉輪式壓氣機(jī)在結(jié)構(gòu)上及工作原理上不同，但從熱力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看氣體狀態(tài)變化過程并沒有本質(zhì)地不同，都是消耗外功，使氣體壓縮升壓地過程.在正常工 況下均可視為穩(wěn)定流動(dòng).因此，本章以活塞式壓氣機(jī)為例來(lái)分析壓縮氣體生產(chǎn)過程地?zé)?力特征.§ - 1單級(jí)活塞式壓氣機(jī)

4、地工作原理和理念耗功量1、工作原理活塞式壓氣機(jī)由進(jìn)氣、壓縮、排氣三個(gè)過程組成 中進(jìn)氣和排氣過程不是熱力過程，只是氣體地遷移過程，缸 內(nèi)氣體數(shù)量發(fā)生變化，而熱力學(xué)狀態(tài)不變.從右圖中可看出,a-1及2-b為引入和輸出氣缸，1 -2為氣體在壓氣機(jī)中進(jìn)行壓縮地?zé)崃^程.在此過程中° 壓氣機(jī)中氣體數(shù)量不變，而氣體狀態(tài)方程變，壓縮過程地耗在壓氣中可分為兩種極限情況和一種實(shí)際情況：'其P功可由右圖中過程線 及所圍地面積所; 門/XpdV1V1V- :Pi一、絕熱過程：當(dāng)壓縮過程快，且氣缸散熱較差時(shí)，可視二、等溫過程：當(dāng)壓縮過程十分緩慢，且氣缸散熱條件良好時(shí)，可視為等溫過程.三、界于兩者之間

5、地實(shí)際過程.在p-v及T-s圖上可表示為：2、壓氣機(jī)地理論耗功p瑰用wc表示壓氣機(jī)地耗功:2s 及由熱力學(xué)第一,q -一 .Ah wt 得:1Wc 二-Wt 二（q）亠：h根據(jù)第四章地內(nèi)容，對(duì)1所述三種過程（定熵、定溫及多變過程） 則有：（1）定熵過程:(wc =面積 2s-2t-j-n- 2s)kkWc,s 二-Wt,s = ：h = Cp(T2-T1)(RgTrRgTi)(P2V2-P1V1)二k-1k-1(2)定溫過程:(wc 二面積 2t-j-n-i- 2t)1-2,若為定值比熱容,k-1/丁1(加-1f .r PM 月| P2D T | P2D T| V2wcT=-wtT=-q =

6、vdp =dp = p1v1 In =RgT In =-RgtIn L PPiPiVi(3) 可逆多變過程：(wc二面積2n-2T-j-n-1-2n )n-1Wc,n 二-Wt=：h2(RgT2-Rg£)n(P2V2-PiVi)2 Rgt(也)n-1n-1n-1n-1p1耗功大小可從1中給出地p-v圖中看出：Wc , s Wc , n Wc , TTc , s Tc , n - Tc , TVc , s，Vc , n，Vc , T這就是說，把一定量地氣體從相同初態(tài)壓到相同終態(tài)時(shí)，定溫過程所消耗地功最少 絕熱過程最多，多變過程介于兩者之間，且隨n減小而減少；且絕熱過程中氣體地溫升及 比

7、體積也較大,這對(duì)機(jī)器地運(yùn)行也是不利地，所以在壓氣過程中，應(yīng)晝減小n,使之接近定 溫過程,對(duì)于單級(jí)活塞式壓氣機(jī)，通常多變指數(shù)n = 1.21.3.§9- 2余隙容積地影響活塞從上死點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下死點(diǎn)時(shí)活塞掃過地容 1在實(shí)際過程中，由于制造公差及材料地受熱膨 脹等因素地影響，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到死點(diǎn)位置上時(shí)，在 活塞頂面與氣缸蓋間有一定地空隙，該空隙地容積£一1為排氣過程,3 4為余隙中氣體地稱為余隙容積，用Vc表示，并用Vh表示排氣量,它是在上圖中，我們可以看到：1-2為壓縮過程,2-3 膨脹過程,4 - 1為有效進(jìn)氣過程.余隙容積地影響主要是兩個(gè)方面：(1) 對(duì)生產(chǎn)量地影響由于余隙容積

8、地影響，活塞在右行之初，由于氣缸內(nèi)壓力大于外界壓力而不能進(jìn)氣 直到氣缸內(nèi)氣體容積由V3膨脹到V4,此時(shí)P二P1時(shí)才開始進(jìn)氣，氣缸內(nèi)實(shí)際進(jìn)氣容積 V稱為有效進(jìn)氣容積，所以有：V =V1-V4,所以，由于余隙容積Vc地存在，其本身不起壓力作 用，而且使另一部分氣缸容積也起不到壓縮作用.用n表示有效吸氣容積V與氣缸排量Vh之間地比，稱容積效率，vV1-V4(VM-MM)4 (V4-V3)(V有:VhV1-V3V1-V3V1-V3其中：WVc稱為余隙容積百分比，簡(jiǎn)稱余隙容積比或余隙比而:1P3)nP41(上)n1n吒即1-VhA"(91)Pl此時(shí)專=陛，稱為增壓比.P1由上式可看出： 當(dāng)氣缸

9、一定時(shí)，則Vc、Vh 一定，要使n增大，則需減小二值；且當(dāng)二達(dá)到一定數(shù)值當(dāng)增壓比二一定時(shí)，余隙比越大，則n越低.（2）對(duì)理念耗功地影響Wc 二面積 12fg1 -面積 43fg4n-1n-1n-1pM(Pi)7P1-1- nn-1P4V4KP4-1又 TP1 二 P4P2 = p3上式簡(jiǎn)化為:Wc 二P2n-1n-1P1【On -1KV1-V4)二P1n-1P1V(二n-1nn-1-1)”5 n-1)m是壓氣機(jī)生產(chǎn)地壓縮氣體地質(zhì)量n-1若生產(chǎn)1kg壓縮氣體，則:WcnmRgT"n-1)(9 2)由（9 1）及（9 2）兩式得：活塞式壓氣機(jī)余隙容積地存在，雖對(duì)壓縮宣氣體時(shí)地理念耗功無(wú)影

10、響，但容積效率n降低，即單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)地壓縮氣體量減少.§9 3 多級(jí)壓縮和級(jí)間冷卻從上節(jié)分析中可看出，當(dāng)增壓比二增大時(shí)，容積效率n降低；且由于P2增大,導(dǎo)致壓縮過程中T2增大，這是對(duì)壓氣機(jī)地安全運(yùn)行不利地，為了達(dá)到使P2增大，而不影響壓氣機(jī) 工作效率地目地，目前常采用地辦法是多級(jí)壓縮、級(jí)間冷卻.1、工作原理將氣體逐級(jí)在不同氣缸中被壓縮，每經(jīng)過一次壓 縮后，就在中間冷卻器中定壓冷卻到壓縮前地溫度 ，然 后進(jìn)入下一級(jí)氣缸繼續(xù)被壓縮圖9- 5 (P261)中給采用分級(jí)壓縮時(shí)消耗地功比單級(jí)壓縮所消耗地功少Wc 二 Wc,LWc,Hn-1n-1二一 RgTi(蟲廠-1) RgT/K23 廠-

11、1)n-1p1n-1p2又T1 二 T2,n-1n-1舊師咱一(自“)n-1而在單級(jí)壓縮中Wc = n RgT1( Ps)v -1n-1口對(duì)二級(jí)壓縮Wc中地P2求導(dǎo),并令其導(dǎo)數(shù)等于零(求當(dāng)P2為多少時(shí)Wc取最小值)得:當(dāng)：P2 = p1 P3或 衛(wèi)2 二衛(wèi)3 時(shí)P1 P2在這時(shí)Wc取得最小值為：n-1W c, min二RgT( P2)v-1n-1P1若為m級(jí)壓縮，各級(jí)壓力分別為P1 , P2Pm , Pm 1,每級(jí)中間冷卻器都將氣體冷卻到最初溫度,則此時(shí)若使壓氣機(jī)消耗地總功最小，必須滿足:理 _邑 _ PmPm1 _P1 P2Pm-1Pmmnn-1且wc =送 wci = m R g1 (nn

12、 -1)n-1綜上所述得，采用分級(jí)壓縮，各級(jí)增壓比相同地好處可歸納為：(1) 消耗地總功最??；(2) 每級(jí)壓氣機(jī)消耗功相等，有利于曲軸力地平衡；(3) 每級(jí)壓縮后，氣體地初、終溫相等，這樣每個(gè)氣缸地溫度條件相同，可利用同樣材 質(zhì)；(4) 每級(jí)向外排出熱量相等，且每一級(jí)中間冷卻器向外排出地?zé)崃恳蚕嗤?(5) 各級(jí)氣缸容積按增壓比遞減；(6) 有利于容積效率n地提高但無(wú)論是分級(jí)壓縮或單級(jí)壓縮，都應(yīng)盡可能采用冷卻措施，力求接近等溫過程.工程 中常采用壓氣機(jī)地定溫效率吒,丁來(lái)作為活塞式壓氣機(jī)性能優(yōu)劣地指標(biāo).定溫過程W耗 功wc T實(shí)際過程W耗功wc'§9-4葉輪式壓氣機(jī)地工作原理1、

13、工作原理如圖9-6( P263),軸流式壓氣機(jī)，總地工作原理為：使高速流動(dòng)地氣體通過擴(kuò)壓管 地作用后，使動(dòng)能變成壓力，并在擴(kuò)壓管地作用下，壓力進(jìn)一步升高，從而達(dá)到使氣體壓縮 地目地.葉輪式壓氣機(jī)克服了活塞式壓氣機(jī)中：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)產(chǎn)氣量小、轉(zhuǎn)速不高、間隙性 吸氣、排氣及余隙容積地影響它轉(zhuǎn)速高，能連續(xù)不斷地吸氣及排氣，沒有余隙容積，所以 機(jī)體緊湊且產(chǎn)氣量大 缺點(diǎn)：(1) 增壓比小,若要得到較高所壓，則需級(jí)數(shù)甚多(2) 因氣速較大，所以易造成較大地摩擦損耗，故在制造及設(shè)計(jì)上地技術(shù)水平要求甚 高2、葉輪式壓氣機(jī)地分類從結(jié)構(gòu)上，葉輪式壓氣機(jī)可分:徑流式(離心式) 軸流式徑向壓氣機(jī)借助輸入地功率來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸，

14、利用高速旋轉(zhuǎn)地葉輪來(lái)推動(dòng)氣體，然后再 利用葉片之間空間所形成地變截面通道(起擴(kuò)壓作用)，使高速氣流降速，動(dòng)能減少，壓力 增加，從而達(dá)到對(duì)氣體進(jìn)行壓縮地目地3、熱力學(xué)分析從熱力學(xué)觀點(diǎn)分析，其氣體狀態(tài)變化過程，完全與活塞式壓氣機(jī)相同由于葉輪式壓氣機(jī)一般不在冷卻情況下工作，所以常采用絕熱效率來(lái)衡量其工作優(yōu) 劣.在壓縮氣體狀態(tài)相同，壓縮后壓力也相同地情況下，我們用壓氣機(jī)絕熱效率或稱壓氣 機(jī)絕熱內(nèi)效率nc,s表示葉輪式壓氣機(jī)工作優(yōu)劣，則：s可逆絕熱下壓氣機(jī)耗w功 不可逆絕熱下壓功氣c機(jī)s耗'n,sh2s-hi若為理想氣體地定比熱容，則:T2s-T1n,s =T2F?t例：軸流式壓氣機(jī)從大氣吸入p

15、 = O.IMPa、ti = 17°C地空氣，經(jīng)絕熱壓縮至P2二0.9MPa 由于摩阻作用，使出口空氣溫度為t2 =307°C .若此不可逆絕熱過程地初、終態(tài)參數(shù)滿足nnPiVi = P2V2 ,且質(zhì)量流量為720kg/min ,試求：(1)多變指數(shù)n； (2)壓氣機(jī)地絕熱效率；(3)拖動(dòng)壓氣機(jī)所需 地功率；(4)由于不可逆多耗地功量 W ; ( 5)若環(huán)境溫度t。=鮎=17°C,求由于不可逆引起地有 效能損失I ; (6)在T s圖上用面積示出.：wt和I.解：(1)求多變指數(shù)n：不可逆絕熱壓縮過程地初、終態(tài)參數(shù)滿足多變過程地關(guān)系:亠時(shí)nTiPin-1 _ Ing Ti) _ In(307+273)/(i7+237) _ 0 3i5 nIn(P2/P1)In (0.90.1)則：多變指數(shù)n =1.4 6 1(2 )求壓氣機(jī)地絕熱效率：1.4-1T2 =T1 (-P2)n；129(0)：r =543.3 ( K ) Pi0.1壓氣機(jī)地絕熱效率為：543.3-290580 - 290(3) 求壓氣機(jī)所耗功率：P =Wt =q