活塞式压缩机原理简介1.1综述

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1、第1章 活塞式压缩机原理简介,第一节 气体热力学基础,第一节 气体热力学基础 一、热力学基本参数（气体的状态参数） 气体的状态是由温度、压力、比容来表征 的。即: （1-1）,1. 温 度,1. 温度 是表示物质受热的程度。 温度用摄氏温标（每度）、绝对 温标来表示，在气体热力计算中是用 绝对温度表示的，两者的关系: （1-2） （绝对温标的零点）,温 度,一些国家（如英、美）也用华氏温 标表示，华氏与百氏的关系为： 或,2、气体的比容积,2、气体的比容积 v 是单位质量气 体所占有的容积。 即： （m3/kg） （1-3） 有时也用到密度，为单位体积气体所 具有的质量。 即： （kg/m3）

2、 （ 1-4） 可见 与 是互为倒数: （1-5）,3. 压 力,3. 压力 气体的压力是由于大量分子 对容器内壁撞击的总效果，用单位 面积上所受的力来度量，故亦称压 强，单位为牛顿/米2（N/m2=Pa） 来表示。,压 力,用压力表测出的压力为表压力， （是气体压力与大气压的总合值）。 热力计算中是用绝对压力的，则： P绝=P表+大气压 （真空度）P真空=大气压P绝,二、状态方程,二、状态方程 前述为一隐函数的状态方程。 对于理想气体（气体的分子是弹 性的，不占据体积的质点，分子间无 相互作用力），对 1 kg 的气体则状态 方程为： （1-6） R 为气体常数（Nm/kg）,G kg 的气

3、体和实际气体,对G kg 的气体则状态方程为： （1-7） 对于实际气体，则状态方程为： 或 （1-8） 反映实际气体相对理想气体偏离 的程度，称为压缩性系数或压缩因子。 （ 也是一个状态参数）。,实际气体的影响,1，表明实际气体比理想气体难于压缩； =1，为理想气体。 各种气体的R及 值可从有关资料中查得。 热力计算中，各种气体是从何压力以上才 不能作为理想气体考虑，这可从各气体的曲线 中确定。比如空气在20kg/cm2时则应考虑气体 分子的影响。,混合气体,混合气体 压力：混合气体的压力等于混 合气体的各组成气体的分压力之和 P混= （道尔顿分压定律） （1-9） 温度：混合情况下各组成气

4、体 的温度是相等的。,混合气体的成分表示法,混合气体的成分表示法： 容积成分 （可见 ） （1-10） 其中： 为部分容积（或称折合容积，即 某一组成气体，当处于混合气体的温度和 总压力下所占有的容积）。 V混=,混合气体的成分表示法,重量成分 ( ) （1-11） 式中： 为混合气体中各气体的重量。 混合气体的绝热指数 满足下式：,混合气体的成分表示法,气体常数： 或 。 压缩因子： 为此混合气体的状态方程为： 理想气体： 或 （1-12） 实际气体： （1-13）,三、过程方程及过程功,三、过程方程及过程功： 气体在压缩和膨胀过程中，状态 的变化是符合能量守恒转换定律，即 内能 、外功 、

5、热交换 三者间应 满足： 且,图11,下图表明内能、外功、热交换在压缩 过程中的相互关系。,内 能,内能流动气体所具有的能量， 可分为静压力和动压力两部分。 静压力是储存于物体内部的能量， 称为内能，用u表示，单位（kcal/kg)。 下面讨论一下在压缩机中遇到的 几种典型过程。,1等温过程,1等温过程 数学表达式：T=const，即dT=0。 在P-V图上，等温过程为一等边双曲线。 过程1-2表示等温压缩； 过程1-2表示等温膨胀； 过程方程： （常数）（1-14） 比如： 或,图12,等温过程,过程功： （1-15） 内能变化： 或 （1-16） 热交换： （1-17）,等温过程,上述关系

6、说明等温过程的热交换 和过程功 值相等，且正负号相 同，也就是说：对于气体进行等温膨胀时，加入的 全部用于对外膨胀作功，气体被压缩时，外界对气体所作的功全部转变为热量向外传出。,2. 绝热过程,2. 绝热过程 数学表达式： 或 过程方程： =常数 （ 为绝热指数） 过程中初、终点 、 、T 间的关系如下： (1-18),绝热过程,过程功： （1-19） 内能变化： （1-20）,绝热过程,上述关系说明：工质在绝热过程 中与外界没有热量交换。过程功只能 来自工质本身的能量。绝热膨胀时， 工质膨胀功等于内能降；压缩时，工 质消耗的功等于内能的增量。,图13,3. 多变过程,3. 多变过程： 过程方

7、程式： =常数 为多变指数 过程中初、终态参数间有如下关式： （1-21）,多变过程,过程功： （1-22） 内能变化 （1-23） 热交换量： （1-24） 式中：Cv 为定容比热 。,多变过程,多变过程为更一般化的过程。 若 为等压过程； 为等温过程； 为绝热过程； 为等容过程。,图14,第二节 压缩机级的实际循环 一、实际循环指示图,第二节 压缩机级的实际循环 一、实际循环指示图 用指示器在实际压缩机的某一级测录 所得的压力-容积变化曲线为实际循环指 示图。图5-1中： 分别为名义进、排气 压力，与理论指示图相比，有以下不同：,图31,实际循环指示图,存在气体膨胀线cd，为此，实际 压缩

8、机做的一个循环有4个过程，即：进气 过程 da，压缩过程 ab；排气过程b c，以及膨胀过程 cd，此处，膨胀过程 也为热力过程。 进、排气过程线分别低于或高于各 名义压力线。 压缩、膨胀过程线的指数值是变化 的。,二、影响因素,二、影响因素 1 余隙容积的影响 在实际压缩机中，余隙主要有三 部分组成： 顶部间隙； 第一道活塞环与缸的间隙； 气阀的通道容积; 其中气阀通道容积占的比例较大。,1 . 余隙容积的影响,由于余隙的存在，当排气结束 时，在其内的高压气体必然要先膨 胀，且膨胀至缸内气体压力低于进气 管中压力时，气阀才能打开实现进气 过程。显然，由于余隙容积中高压气 体的膨胀，使得进入气

9、缸的新鲜气体 量减少，且余隙越大，膨胀过程越 长，进入的新鲜气体越少，甚至可到 零。,2.压力损失的影响,2. 压力损失的影响 气体在进入或排出气缸前后，要 经过滤清器、气阀、冷却器、管道等 等一系列阻力元件，从而造成压力损 失，使得进、排气过程线分别低于和 高于名义进、排气压力线，其中气阀 的压力损失最大。,3. 气流脉动的影响,3. 气流脉动的影响 气流脉动传至气缸中，进、排气 过程线就会呈现波浪状。当进、排气 的频率与相应接管及气腔中气体自振 频率相等时，气流脉动幅度急剧增大， （称为气柱共振现象），从而导致进 气或排气过程线的极大变形。,气流脉动的影响,若进气终了时波峰到达气缸，导 致

10、进气终了压力高于名义压力； 若进气终了时脉动压力的波谷到达 气缸，导致终了点压力大大低于名义 压力。 排气脉动的影响类同。,4. 气体泄漏的影响,4. 气体泄漏的影响 内泄漏，从高压泄到低压，一 般不影响气量（除非泄漏到一级）但 会影响功率； 外泄漏，漏到大气中，使气量 减少，也影响功率，即单位气量的功 耗上升。,5. 热交换的影响,5. 热交换的影响，使得多变指 数是变化的。 压缩时： 刚进入气缸的气缸温度要低于 缸壁和活塞温度，故气体在被压缩的 初始阶段是从周围吸热，nk,热交换的影响,当温差为零时，气体与周围环 境没有热交换了，n=k。 当气体温度上升到大于周围温 度，向外放热，nk。

11、膨胀时： 刚膨胀时，气体向周围放 热， 。,热交换的影响,温差为零时， 。 当低于壁温时， 。 从以上说明气体在压缩或膨胀时， 指数是变化的。 即： ; 这都影响到指示图的变化。,热交换的影响,由上述五个方面的影响，看到实 际指示图与理论指示图的差别。同 时，由录取到的指示图，我们可以判 断压力损失，气阀工作状况，判断热 交换以及泄漏情况等。还可以计算实 际循环指示功，判断气缸的利用程度 等。,三、实际循环指示功的计算方法 1. 由实录的指示图计算,三、实际循环指示功的计算方法 1. 由实录的指示图计算（对已有机器） （J）（3-1） 压力比例（ ） 行程比例（m/m） 实际录取的指示图面积（

12、 ） 活塞面积（ ）,2. 设计阶段计算指示功,2. 设计阶段，可用简化作图法作出一个 简化的指示图，再以此计算指示功。 理想气体： （3-2） 对实际气体的实际循环指示功可表达为： （3-3）,设计阶段计算指示功,其中： 进气相对压力损失， ； 进排气相对压力损失总和（可从有关图中查得）； 容积系数， 。 压力比。,3. 影响指示功的因素,3. 影响指示功的因素： 压力损失的影响 气体通过、气阀、管道、冷却器、分 离器、滤清器等元件时都将产生压力损 失，气流脉动也会产生压力损失。 压力损失越大，则压缩机的循环指示 功越大，且指示功的损失基本上与压损成 正比。,压力损失的影响,一般克服气阀阻力

13、所耗功占总指 示功的49%，不好的气阀则要占到 1520%，所以设计采用合理的气阀是 减少指示功的关键。当然也要尽量减 少其他阻力元件的压损。, 过程指数及余隙的影响,过程指数及余隙的影响 实际压缩机中压缩指数总是大于膨胀 指数的。 一般： 时，余隙容积的存在导致 指示功增加，余隙越大，消耗的功越多。 时，余隙不影响指示功。 时，则可省功，但这种情况 不易实现。,过程指数及余隙的影响,由热力学知，等温压缩最省功 （即 n=1时），所以设计人员从主观 上总是希望压缩过程尽量向等温过程 靠，也就是 n 越接近 1 越好。采取的 主要措施是加强对气缸的冷却，使缸 壁温度降低。加强缸的冷却，也可使 m

14、 提高，从而有可能使 。,泄漏的影响,泄漏的影响 有气体漏入气缸时循环功增加，有 气体漏出时会造成气量减少，故单位 气量的耗功是增加的。, 的影响 应加大阀腔或在进、排气口加缓 冲器，尽量消除气流脉动对气阀的影 响。,第四节 多级压缩,第四节 多级压缩 将气体引入几个气缸行程容积， 依次相继地进行压缩，并且气体进入 下一级压缩之前先引入中间冷却器进 行等压冷却，这样的工作过程，为多 级压缩。,一、采用多级压缩的理由 1. 提高压缩机的经济性,一、采用多级压缩的理由 1. 提高压缩机的经济性 采用多级压缩、中间冷却，可使压缩过 程向等温压缩过程靠拢，如图61所示，1 2为等温过程。如:压缩过程 12为一次压 缩。若一级压缩为 1a，aa为中冷。二 级压缩为a2，可省aa22a 的功。,图41,多级压缩,随着级数的增加，压缩过程会更 趋于等温过程，越省功，但随着级数 的增多，指示功的减少越不明显。还 增加了易损件。,2. 降低排气温度,2. 降低排气温度 压缩机级的排气温度是随着 排压增加而增高的，但从压缩机安 全运转角度讲，是不允许排温过高 的。,降低排气温度,比如压缩乙炔时，温度过高会使 其爆炸，所以要证 ； 此外， 石油气 ； 氧压机