工程热力学12气体的压缩.docx
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工程热力学12气体的压缩
第十二章气体的压缩
通过消耗外功来提高气体压力的设备称为压气^_。
压气机在工程、科学研究中具有十分广泛的用途，如动力工程中煤粉的输运和锅炉通风、制冷设备中制冷剂的压缩、风洞实验中高压气体的获得、风动工具（如公共汽车车门的开关、大型内燃机的启动），车胎打气等。
压气机分类：
『通风机（V0.01MPa表压）
I压缩机（＞0・3MPa表压））
I引射式
活塞式压气机是通过活塞在气缸中的往复运动来挤压气缸中的气体，从而使气体的压力提高。
叶轮式压气机通过叶轮的旋转，使气体加速，并使高速气体在特定流道中（相当于扩压管）降低流速，从而提高压力。
活塞式压气机和叶轮式压气机的一个显著区别是：
活塞式压气机吸气与排气是间歇性的；而叶轮式压气机的压缩过程是在连续流动状态下
进行的，即气体不断地流入压气机，在压气机内被压缩后，不断地被排出压气
机。
活塞式压气机适用于高压、排量小的场合；而轴流式压气机适用
于低压、排量大的场合。
尽管压气机的种类和工作原理多种多样，但是从热力学的观点来看，压缩气体的状态变化并没有什么不同，都是接受外功使气体压缩升压的过程。
12.1活塞式压气机的工作原理
活塞式压气机的示意图和p-v图（又称示功图）示于图12-1中o工作三部曲：
①在活塞式压气机的理想工
作过程中，气体经过进气阀与排气阀时，不考虑在阀门处的阻力与摩擦力。
当活塞自左止点向右移动时，进气阀门A打开，气体从缸外被吸入
的热力学状态不发生任何变化。
②当到达右止点时，进气阀关闭，活塞在外力作用下向左回行，气缸内的气体被压缩，压力升高，这就是气体的
塞左行至某一位置时，气体的压力升高到预定压力P2，此时排气阀门B开启，活塞继续左行，把气缸内的气体排到储气罐或输气管道中，直至活塞到达左止点，这是排气过程（2-3）。
排气过程中，气体的
状态也不发生变化。
活塞由曲轴一连杆机构带动，曲轴回转一次，活塞往返一次。
活塞不断往复，重复上面三个过程，这就是活塞式压气机的理想工作过程。
从上面的说明中可以看出，过程0-1与2-3仅仅是将气体吸入和排出气缸的机械输运过程，气体的状态并不发生任何变化；而只有1-2的压缩过程才是真正的热力过程。
定义压缩过程中气体的终压P2与初压Pi之比为增压比，
（12-1）
Pi
1T2t）。
图12-2（a）和12-2（b）分别是压缩过程的p—V图和T—S图。
压气机的压缩过程可以看作多变过程（1-2n）0若压缩过程进行的很快，气体来不及和外界交换热量，则压缩过程近似于绝热压缩过程（1-2s）;如果压缩过程进行得较慢，并且气缸壁得到良好的冷却，则压缩过程接近于定温压缩过程（
绝热压缩和定温压缩是压缩过程的两个极限情况。
技术功
P=f（V）代
因要考虑流动功，压气机耗功应以技术功计。
对于可逆的压缩过程，Wt=-fvdp0对于不同的压缩过程，技术功可以通过把过程方程入上式积分来得到。
绝热压缩过程、多变压缩过程和定温压缩过程所消耗的技术功分别通过式（12-2a）、（12-2b）和（12-2c）来计算
压缩过程中所释放的热量可以根据能量方程得到,
压缩后的终温为,
比较三个压缩过程之间的终温，不难得到,
上述结果说明，放热压缩可以节省压气机的耗功量，并且，在一切压缩中,
定温压缩所消耗的功量最小；压缩后气体的终温最低（有利于改善气缸的
润滑条件，安全及防缸壁损坏的拉缸出现）；同时，压缩后的体积最小（贮气缸小）。
为了让压缩过程接近于定温压缩，工程上经常采用加气缸冷却水套、喷雾化
水，以及下节中所要介绍的多级压缩、级间冷却等措施。
由于摩擦的影响，实际的压气过程是不可逆的，因此实际压气机的耗功量要比可逆压缩大。
余隙影响：
①进气量影响为了避免活塞与缸盖之间的撞击，考虑缸盖
上有进、排气阀，以及热膨胀、制造公差。
在活塞式压气机中，活塞与缸盖之间保持有一定的余隙，这使得排气后，余隙容积内仍然残留有一定数量的高压
气体，从而造成气缸容积不能得到充分应用。
Vc—余隙容积；Vh=Vi-V3气缸排量（左止点与右止点间活塞扫过的容积）
V=V1-V4有效吸气容积（余隙中残留高压气体膨胀至进气压力要占去一部分容积）
余隙不仅本身有一部分容积Vc，还使另一部分气缸容积V4-V3失去作用,描述这一气缸利用率下降，用容积效率
Vh
V3
②耗功影响
即余隙不影响单位质量气体的耗功，只影响压缩气体的产量（m减少，口V,T
PiM—V4））
12.2多级压缩及级间冷却
采用放热可以减小压气机的耗功量和降低终温，是改进压缩效果的有效手段。
但是，这种手段在气体流速很高
图12-3两级压缩、中间冷却
的轴流式压气机中是很难实现的。
活塞式压气机虽然可以采用加水套、喷雾化水等方法来实现放热压缩，但是对于高转速、大排量的情况，要降低多变指数也很困难，效果有限：
同时，高压缩比还会降低压气机的容积
效率（余隙容积的影响）。
因此，为了进一步改善压缩过程，以节省压缩功、降低压缩终温以及提高容积效率，常常采用多级压缩、级间冷却的方法。
多级压缩、级间冷却是把气体分别在两个或两个以上气缸中依次
压缩、使气体的压力逐级提高，并且在相邻的两级之间布置有级间冷
去卩器，对前一级所压缩的气体进行冷却，降低气体的压缩温度。
以图12-3所示的两级压缩级间冷却的压气机装置系统为例，来说明多级压缩、级间冷却的基本原理。
为了分析方便，假定被压缩的气体是理想气体；气体在每一级中的压缩过程为绝热压缩；气体在级间冷却器中进行的是定压理想冷却（T2=Ti）。
（a）
图12-4两级压缩、中间冷却的p—V图与T-S图
两级压缩、级间冷却的P—V图和T—S图分别如图12-4（a）、（b）所示。
过程c-1为压气机低压缸的吸气过程，1-2为气体在低压缸的压气过程，2-b为低压缸的排气过程；b-2为压缩气体进入级间冷却器的过程，2-2为压缩气体在级间冷却器的定压放热过程，2'-b为冷却后的气体自级间冷却器中排出；b-2'为高压缸的吸气过程，2'-3为气体在高压缸的压缩过程，3-a为高压缸的排气过程。
（余隙影响可通过减小气缸容积加以考虑）
在P—V图上，两级压缩级间冷却所消耗的技术功（面积1223ac1）为低压压缩技术功（面积122bc1）和高压压缩技术功（面积2'3ab2'）之和，和一次压缩的耗功量（面积123'ac1）相比，节省的功量大小为面积22'33’2。
相应地，两次压缩级间冷却所放出的热量在T—S图上表示为面积e122de,而压缩终温
T3也明显低于一次压缩的终温T3。
因此，采用多级压缩、级间冷却方式可以有
效地降低压气机的耗功量、并降低排气的终温。
对于理想气体，两级压缩、级间冷却的压气机的总耗功量可以表示为，
Wt=Wt；+WtHs
气体在级间冷却器中被定压冷却至初温T,，因此有P2=P2、丁2=丁2，并且根据
状态方程P'刃2=PiVi=mRT，式（12-9）变为,
（12-10）
dWUo,求得
dP2
由上述可知，当初始状态p1、T1、V和终压p3已知时，两级压缩、级间冷却所
消耗的总功仅仅随中间压力P2而变化，为了使耗功量最小，令
最佳中间压力为,
可见，当各级增压比相等时，压气机的总耗功量最小。
对于N>2的多级压缩、级间冷却的压气过程，上面得到的结论同样适用,即各级增压比相等时，总耗功量最小，因此，各级的最佳增压比为，
采用最佳增压比后，还可以使各级的耗功量相等，各级气体的温升相等，各级间冷却器的放热量相等。
这种均衡对于压气设备的设计与运行都是有利的。
从P—V图中不难看出。
在总增压比一定的条件下，分级越多，理论上的耗功量越小；当级数无限多时，此时的压缩过程和定温压缩无限趋近，总耗功量最小。
实际上，压缩的分级数不易过多，视总增压比的大小，一般为2-4级（考
虑成本、运行管理，机构不能太复杂）。
尽管采用了多级压缩级间冷却的措施：
但对于每级压缩而言，仍然需要采用多变放热压缩的措施。
假设各级的多变指数n=1.2，试求压缩终温及压缩耗功量各为多少，并把所得结果和单级
多变压缩至同样增压比的情况进行比较。
解：
两级压缩、级间冷却过程的P-V图与T—s图如图12-4所示。
按照压气机耗功量最小原理，分配各级的增压比,
n」
n-A
T2=T1（兀1尸
I
T3=丁2（兀2）n=Ti（兀1）n
即，气体通过各级压缩后的温度相等，为
1.2」
T3=T2=（20+273）X7.75右=412.2K
两级压缩时压气机的总耗功量为
Wt=2__1RT1p-（兀1河]
1.2,r:
护
=2汉X0.287X20+273）1-7.751.2
亠1'[」
=—410.4kJ/kg
如果采用单级压缩，则压缩终温
nJ
=丁1时
5丿
1.24
=（20+273）x601.2
=579.7K
由上可知，采用单级压缩时，排气温度为579.7K（约306.7C）,远远高于两级压缩、级间冷却的压缩终温412.2K。
在活塞式压气机中，如此高的压缩终温已经超出了润滑油的正常
工作温度。
再来看看单级压缩的耗功量，
1-
P3
P丿
nJ.
n“
Wt=RT,
n—1
1.2
X
12—1
「1.2」
0.287x（20+273）1-601.2
=Y93.7kJ/kg
显然，单级压缩的耗功量也大于两级压缩、级间冷却的耗功量。
从计算可以看出，多级压缩、级间冷却可以降低压缩终温，减小耗功量。
12.2叶轮式压气机的工作原理
叶轮式压气机因气流速度高与动、静叶片有摩擦，因而实际的压缩过程为不可逆绝热压缩。
WCC===H2，-Hi=H2・一H3=Q（3rT2）=面积2'缶456
可逆绝热
WC=—Wt=AH=H2.-H^H^-H3=Q（3rT2s）=面积2s3T456
多耗功
WC_WC,s=h2，—h2s=面积22s156
绝热效率
_Wc_H2s-Hi_mCp（T2s-⑺_T2s—Ti二=H2，-Hi二mep（T2，—T）=T2，—Ti
不可逆修正系数0.8~0.9
实际
以上为空气、燃气的压缩，对于水蒸气。
▲
s
实际压缩耗功Wc=~Wt'
=h2』hi=（h2，-h4）-（hi-hj
=面积2340562-面积134051
理论压缩耗功％7叽\皿七5七）
=面积234052-面积134051
多耗功WC_W：
s=h?
，-h2s=面积22s1526*
10.3引射式压缩器
以所能供应的高压（蒸）气体得到实际需要的中压（蒸）气体的方法。
P3
图12.6引射式压缩器
（降速增压）
低压（大量）
（若采用节流降压，不仅量小，耗散也大）
表示工作性能
以引射系数_被作气体质量流量
工作气体的质量流量
在混合、扩压过程中不可逆程度较大。
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