第九章 压缩机的热力过程 9-1单级活塞式压缩机的工作原理 一.压气机的种类 压气机是用于提高气体压力，生产压缩气体的热 工设备。压力升高后的气体称为压缩气体。 压气机种类多种多样，可按结构、压力级别进行 如下分类： 按结构分： 活塞式(reciprocating piston)、叶轮式离心式 (centrifugal)、轴流式(axial flow)、回转式 (rotating)、引射式(induction)。按压力级别分： 通风机（小于115kPa） 鼓风机（115-350kPa） 压气机（大于350kPa） 掌握活塞式压缩机的基本工作原理、压 缩轴功的计算方法及其影响因素。 研究气体主要热力过程的目的在于提高 能量传递与转换过程中能量的有效利用 程度。现就“气体的压缩”问题，探讨减 少能量消耗的基本途径。二.单级活塞式压气机的工作原理 以活塞式压气机为例，分析其热力过程 能量传递及转换规律。 工作原理 如图所示，工作过程包括： 压缩过程：吸、排气阀关闭， 消耗机械功，使活塞由右死点向左死点 移动，体积减小，压力升高至所要求的 压力p时，排气阀打开（定温、绝热、 多变压缩三种 ） 。排气过程 排气阀打开，吸气阀关闭，活塞继续向 左死点移动，压缩气体排到储气罐或输 气管道，直至左死点，排气阀关闭，排 气过程结束。此间，气体压力不变膨胀过程： 高压气体不可能全部排出，因此在活塞 开始由左死点向右死点移动时，吸气阀 不可能打开，高压气体膨胀并通过活塞 连杆向外界输出轴功，直至气体压力降 为p ，吸气阀打开为了运转平稳、避免活塞与气缸盖撞击、 便于安装吸、排气阀等，当活塞位于左 死点时，活塞顶面与缸盖之间必须留有 一定的空隙，称之为余隙容积。 吸气过程：吸气阀打开，活塞继 续向右死点移动，外界低压气体进入气 缸，直至活塞达到右死点。 这样，活塞不断地往复运动，即可连续 地将低压气体转变为高压气体。 注意：只有压缩过程和膨胀过程 是热力过程，而在另外两个过程 （、）中气体热力状态并 不发生变化。因此上述图不是状 态参数座标图，而称为示功图。 压气机基本参数 p-V图 余隙容积 3（clearance） 活塞排量（又称理论吸气量） （piston displacement ） 有效吸气量 三 9-2. 压气机的理论压缩轴功 一、理论压气过程 理想压气过程是指 压缩过程是可逆过程； 气缸无余隙容积存在； 吸、排气阀无阻力，排气压力 等于储气压力。 理论压缩轴功 压气机在理想工作过程中，压送气体所 消耗的轴功称为理论压缩功。 压气机整体可看作一稳定流动系统，所 消耗的是技术功。理论压气功计算式应 为 c21 显然，c与压缩过程的性质有关。一般 压气过程有三类： 定温压缩（气缸充分冷却） c,T1ln（12） 定熵压缩（气缸绝热） c,s=k(11-22)/(k-1)=kmRT1/(k-1)-(2/1)(k-1)/k 多变压缩（有一定的冷却措施，处于 充分冷却和绝热之间） c,nn(1122)/(n-1)=nmRT1/(n-1)1- (2/1)(n-1)/n 分析: 对于相同升压比（21），以 上三类压缩过程理论压气功大小如图所 示，显然 s,Ts,ns,s 从压气过程图中也可以看出， 排气温度 2,T2,n2,s 定温压缩过程是最有利的，耗功最小， 排气温度最低；而定熵压缩最为不利。 但在定温压缩过程中需要有充分冷却措 施，在工程实践中是难以实现的。因此 实际压气机的压气过程均是多变压缩。 其中值越接近于即压气过程越接近 于定温过程，说明压气机的性能越好。 相同升压比时，越高，压气机耗 功越大。 实际压气轴功 实际压气机所耗轴功是不能用上述公式 计算的，可采用两种计算方法， 一是引入机械效率i，此时 oi； 二是利用稳定流动能量方程Q=HWt ，即t 。 如： 定温压缩过程 s,tT， 定熵压缩 s,s21， 多变压缩 s,n（21）二、容积效率 （一）.对排气量的影响 气缸容积的有效利用程度减小 余隙容积的存在使得压气机气缸容 积有效利用程度下降。气缸有效容积由( )减少至(4)。容积效率（Volumetric Efficiency） 引入容积效率v来描述气缸容积的有效利 用程度。 v =(有效吸气容积)/(工作容积) =(VV4)/() =1 (p2/p1)1/n =1 1/n 显然对于结构一定的压气机，因余隙 容积的存在随着增压比（p2/p1）的 增加将使得气缸有效容积（即一个吸气 、压气、排气工作循环的产气量）下降 ，当v时，将没有压缩气体产出， 所以一般单级增压比最高为 。 余隙容积越大，v越小。 二.对理论压气轴功的影响 c,n=c,1-2-c,3-4 =np1(V-V4)/(n-1)1-(p2/p1)(n-1)/n =nmRT1/(n-1)1-(p2/p1)(n-1)/n 其中假设压缩及膨胀过程的多变指数相等 。 显然，无论余隙容积如何改变，生产 压缩气体所耗压气功量是固定不变的。 9-3 双级活塞式压缩机工作过程 为解决以下问题： 单级增压比过大造成气缸容积效率下 降，单级压缩的排气温度过高，甚至无法产 生压缩气体，且润滑情况恶化； 余隙容积的存在造成气缸的有效利用 程度减小。 可采用多级压缩及中间冷却措施，即多级压缩保 证每级压气机的增压比就不致过大，同时辅以中 间冷却措施以降低排气温度及所耗压气功。一 .多级活塞式压气机的工作过程（Multi-cyclinder Reciprocating Piston Compressor） 工作过程 如图所示。 优点 既降低了单级排 气温度，又节省 了轴功的消耗。二.级间压力和级数的确定 级数的确定 从理论上讲总增压比一定时，级数越多 ，每一级容积效率将越大、压气总功及 排气温度越小，若级数无限多时，总体 压气过程即会实现定温压缩，但级数过 多也有诸如设备结构复杂等不利的方面 。因而多级压缩的级数一般不大于 。 级间压力的确定 确定级间压力的原则为各级所消耗的轴 功总和最小。 对于级压气机，每一级的增压比均应 相同，且按(pz+1/p1)1/z 确定，以保 证压气总轴功最小。 三 . 多级活塞式压气机的特点 每级压气机压气轴功相等； 每级压气机排气温度相同； 每级压气机散热量相等； 每级压气机的容积效率相等，且大于 单级压缩的容积效率。 9-4 叶轮式压气机 一叶轮式压气机工作原理： 由外界功源输入机械能使气体压力增加经历二次 能量转换（通过叶片将机械能传给气流使其增加 动能，通过扩压管动能降低使其压力增加）。 二、理论绝热压缩机械功wc,s wc,s=h1-h2=cp(T1-T2) 三、压气机绝热效率 c,s= 理论压缩所消耗机械功/实际压缩所消耗机 械功 c,s=wc,s/wc =h1-h2/ h1-h2 = t1-t2/ t1-t2