壓氣機的熱力過程概述和工作原理

1、壓氣機的熱力過程概述和工作原理84 葉輪式壓氣機工作原理83 多級壓縮、中間冷卻82 余隙容積的影響81 活塞式壓氣機的工作原理和理論耗功量基本內(nèi)容80 概述 工業(yè)中： 制 冷：壓縮機 電 廠：鍋爐供風 汽 車：車閘，氣動開、關(guān)門 渦輪機：空氣壓縮 生活中：自行車打氣、吹風機。8-0、概述1. 壓氣機 用來提高氣體壓力的設備稱為壓氣機。1)工作原理及構(gòu)造活塞式葉輪式2.壓氣機分類活塞式壓力高，流量小，間隙生產(chǎn)葉輪式壓力低，流量大，連續(xù)生產(chǎn)2)壓力范圍通風機 表壓以下鼓風機 表壓壓縮機 表壓0.3MPa 以上空分、空氣制冷壓縮蒸汽制冷工業(yè)通風機、鼓風機分析并計算定量氣體自相同的初態(tài)經(jīng)不同途徑壓縮

2、到預定的終壓時，壓氣機所耗的功;探討省功的途徑。3.壓氣機熱力分析的任務8-1、單級活塞式壓氣機的工作原理和理論耗功量一、工作原理 0-1：吸氣過程，狀態(tài)不變， 獲得推動功p1v12-3：排氣過程，狀態(tài)不變， 消耗推動功p2v21-2：壓縮過程，壓力升高， 體積減小，耗外功增壓比：指什么功目的：分析耗功、探討省功途徑壓縮過程耗功壓氣機耗功壓氣機耗功：wC取決于初、終態(tài)壓力及過程特征，過程不同，壓縮機耗功也不同。理想氣體熱力過程的p-v,T-s圖sTvpppvvTTss(1)特別快，來不及換熱(2)特別慢，熱全散走(3)實際壓氣過程 可能的壓氣過程sTn二、 理論耗功 1.絕熱壓縮過程進行的非常

3、快，產(chǎn)生 的熱量來不及傳出2.等溫壓縮壓縮過程進行的非常慢，或者冷卻措施非常好，產(chǎn)生的熱量可以及時排出3.多變壓縮居于上述兩種極端情況之間，工程上常見的壓縮過程，都屬于多變過程2T 2n 2s討論：1、等溫壓縮最省功；2、出口溫度最低，有利于設備安全；3、出口比體積最小，有利于設備小型化。a）理想壓縮過程是等溫壓縮討論： b）通常為多變壓縮, 1n壓氣機工作過程改進方向：使工作過程盡可能接近等溫壓縮。思考題： 自行車壓力通常應維持在左右，用手動打氣筒向輪胎充氣時用濕毛巾包在打氣筒外壁，會有什么后果？8-2、余隙容積的影響產(chǎn)生原因布置進、排氣結(jié)構(gòu)，避免活塞與進排氣閥碰撞留有空隙制造公差部件熱膨脹

4、余隙容積：活塞運行到上止點時，活塞頂部與氣缸蓋間的空隙容積。壓縮過程排氣，狀態(tài)未變殘留氣體膨脹進新氣，狀態(tài)未變pV12fgV10VcV434氣缸排量研究VC對產(chǎn)氣量和耗功的影響新氣量產(chǎn)氣量有效吸氣容積CV123p41VV3V余隙容積生產(chǎn)量(每周期)：定義容積效率令余隙(容)比工程上一般CV123p41VV3V假設：壓縮過程1-2和余隙容積中氣體的膨脹過程3-4均為多變過程。一、余隙容積VC對生產(chǎn)量的影響極限討論：二、余隙容積VC對理論耗功的影響設12和3 4兩過程n相同功面積12341面積12561面積435642311V3VV645CVp余隙對單位產(chǎn)氣量耗功不影響2311V3VV645CVp

5、1、雖然余隙容積對理論耗功無影響，但實際上由于余隙容積會造成容積效率減小，使得生產(chǎn)相同質(zhì)量氣體所需要的活塞行程增多（考慮摩擦阻力的存在，還是使實際耗功增大）或設備體積增大。2、余隙存在使 1）生產(chǎn)量下降 2）實際耗功增大或設備體積增大可見余隙容積是有害容積。減小余隙容積影響的兩種方法：1）設計時，盡可能減小余隙容積比；2）使用時，盡可能減小壓縮比。討論：一、 減少壓氣機耗功的幾種方法多級壓縮 級間冷卻1）夾層冷卻（外部冷卻）2）噴水冷卻（內(nèi)部冷卻）3）多級壓縮，中間冷卻 工程上需要高壓氣體，但壓縮過程中隨p升高，T 升高，耗功增大。為此采?。?-3、多級壓縮和級間冷卻3）級數(shù)N 1）省功2）降

6、低了排氣溫度1.定性分析1n低壓缸2p中冷器3n高壓缸4二、理論耗功分析即為等溫壓縮過程問題：中間壓力應如何確定？省功大小與中間壓力p2有關(guān)存在一個最佳中間壓力，使得分級壓縮省功最多，即壓縮機耗功最小。注意：起到省功作用的是中間冷卻，沒有中間冷卻的多級壓縮不能省功。令時2.最佳中間壓力的分析每生產(chǎn)1 kg壓縮氣體：推廣：若N 級1）按選擇各級中間壓力，優(yōu)點： a）各級耗功相等 ，有利于曲軸平衡。 b）各缸終溫相同 討 論d）各中冷器散熱相等 c）各級散熱相同有利于潤滑油工作，使可靠性增加。2）若分級m，則趨于定溫壓縮，但由于體積龐大，系統(tǒng)復雜，可靠性下降，一般2-4級。3）定溫效率(isoth

7、ermal efficiency)思考題：1. 如果采用氣缸冷卻水套以及其他冷卻措施，使氣體在壓氣機中已經(jīng)能夠按等溫壓縮過程進行，這時是否還需要采用多級壓縮，為什么？ 課后思考題需要，雖然實現(xiàn)等溫壓縮后耗功最小，但由于余隙容積的存在，若壓比過大， V會很小，分級后有助于提高 V。以p1，p2， =0.04 計算。單級壓縮二級壓縮 活塞式壓氣機把，298K的空氣加壓到。 試分別按單級壓縮和二級壓縮，中間冷卻，計算壓氣機容積效率及各缸終溫。已知 解：單級壓縮二級壓縮，中間冷卻若取例題1若取容積效率排氣溫度單級壓縮0.525T2=567.3K兩級壓縮0.716Ta=342.3KT2=493.8K兩級

8、壓縮0.801Ta=T2=411.1K可見分級壓縮，可以有效提高容積效率，同時減小排氣溫度；而且按最佳中間壓力設置的分級壓縮方案地的效果最好。討論一、簡介 葉輪式壓氣機(turbo-compressor) ：原理：入口初步加速、導向葉片擴壓、葉片加速，再擴壓， 逐級升壓優(yōu)點：轉(zhuǎn)速高；吸、排氣過程連續(xù)，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)；排氣量大，沒有余隙影響；缺點：每級壓比不高。 離心式壓氣機centrifugal compressor軸流式壓氣機axial-flow compressor8-4 葉輪式壓氣機工作原理和理論耗功量軸流式壓氣機離心式壓氣機絕熱壓縮過程理論耗功實際耗功絕熱效率理想氣體二、葉輪式壓氣機熱力學分

9、析由于排量大，運轉(zhuǎn)快，難冷卻，可作絕熱壓縮考慮。然而，由于流速高，摩擦的影響不可忽略，因此其壓縮過程是不可逆過程，引入壓氣機絕熱效率：理論耗功實際耗功實際多耗功實際多消耗的功，并不等于有效能損失。2葉輪式壓縮機，氮氣進口參數(shù)p1 ，t1= 20， 出口壓力p2 ，進口處氮氣流量 。壓氣機絕熱效率C,s，略去進出口動能差和位能差，求： 1）壓氣機定熵壓縮的耗功量; 2）實際耗功量; 3）由于不可逆而多耗功wt; 4）作功能力損失I。t0=20 。已知氮氣：例題2解：1）壓氣機定熵壓縮的耗功量2）求實際耗功量3）由于不可逆而多耗功4）作功能力損失討論由于不可逆而多耗功作功能力損失可見由于實際不可逆

10、過程多消耗的功，并不等于有效能損失，因為不可逆過程產(chǎn)生的熱量，仍舊具有一定的有效能。 某大學實驗室需壓縮空氣源，據(jù)市場調(diào)查，目前市售活塞式壓氣機余容比 。葉輪式壓氣機絕熱效率 Cs，試提出初步方案及必要的分析計算。已知，T0 = 290 K，p0 = 0.1 MPa。解： 分析：活塞式壓氣機壓比高、流量小，葉輪式壓氣機壓比低、流量大，考慮到大學實驗室用氣量較小，但其壓比卻較大，故采用活塞式壓氣機較合適。為了保證一定的容積效率及設備和人身安全，考慮分級（2級）壓縮中間冷卻。例題3容積效率因為兩級壓氣機 相同，n 相同，所以 V L = V H 中間壓力及壓力比若單級壓縮，則再次說明分級壓縮，可以有效提高容積效率，并減小排氣溫度。 葉輪式壓氣機的排氣溫度遠高于活塞式壓氣機的排氣溫度，因此，采用活塞式壓縮機兩級壓縮中間冷卻設計方案較合適。若葉輪式壓氣機可以實施如此大之壓比，則小結(jié)1. 壓氣機耗功適用于任何工質(zhì)、絕熱過程。適用于理想氣體、絕熱過程。適用于理想氣體、可逆絕熱過程。當用于多變過程時，只需將絕熱指數(shù)k改為多變指數(shù)n即可1）