工程热力学12气体的压缩DOC.doc

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机。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（<0.01MPa表压）
按压力范围 鼓风机（0.01～0.3MPa表压）
压缩机 （>0.3MPa表压））
活塞式
按构造 叶轮式（离心式和轴流式）
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。
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，气体从缸外被吸入气缸，这是吸气过程（0-1），此时，吸入气体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，这就是气体的压缩过程（2-3），此时需要消耗外功。③当活塞左行至某一位置时，气体的压力升高到预定压力，图12-1 活塞式压气机
p1

3
0
1
2
p
V
p2

pdV

Vdp

A
B
V1
V2
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－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与初压之比为增压比，
（12-1）
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）。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（1→2T）。绝热压缩和定温压缩是压缩过程的两个极限情况。
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，技术功。对于不同的压缩过程，技术功可以通过把过程方程代入上式积分来得到。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

绝热压缩： （12-2a）
多变压缩： （12-2b）
定温压缩： （12-2c）
根据上面各式计算出来的技术功为负值，表明压缩需要消耗外功。技术功在p－V图上表示为压缩过程线向纵轴投影所形成的一块面积。从图12-2（a）中可以明显看出，
（12-3）
压缩过程中所释放的热量可以根据能量方程得到，
（12-4）
其在T－S图上表示为压缩过程线在横轴投影所围成的一块面积，从图12-2b中可以发现
（12-5）
压缩后的终温为，
绝热压缩： （12-6a）
多变压缩： （12-6b）
定温压缩： （12-6c）
比较三个压缩过程之间的终温，不难得到，
1
2s
2T 2n 2s
1
2n
2T
p1
p2
a
b
p
c
d
e
T
S
V
（a） （b）
图12-2 不同压缩过程的p－V图与T－S图
（12-7）

因压缩后P2相同，故也有 （12-8）

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。

p
V

V
Vc
Vh

Vc —余隙容积； Vh=V1-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

分析：
余隙（容积）比；

， n 一定, 直至为0.
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， ）
12.2 多级压缩及级间冷却
冷却水
低压缸
高压缸
级间冷却器
图12-3 两级压缩、中间冷却
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却器，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（）。
（a） （b）
图12-4 两级压缩、中间冷却的p－V图与T－S图
1
2
p1
P3
a
b
p
V
p2
c
2′
3
′′
1
d
e
T
S
p3
p2
p1
2
2′
3
3′

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122′3ac1）为低压压缩技术功（面积122′bc1）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e122′de，而压缩终温也明显低于一次压缩的终温。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，
（12-9）
气体在级间冷却器中被定压冷却至初温，因此有、，并且根据状态方程，式（12-9）变为，
（12-10）

由上述可知，当初始状态、、和终压已知时，两级压缩、级间冷却所消耗的总功仅仅随中间压力而变化，为了使耗功量最小，令，求得最佳中间压力为，
，即 （12-10）
可见，当各级增压比相等时，压气机的总耗功量最小。
对于的多级压缩、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，
（8-22）
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。

【例12-1】空气由初压0.1MPa，初温20℃，经两级压缩、级间冷却可逆多变地压缩到6MPa，假设各级的多变指数，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，

空气在级间冷却器中被理想冷却，即，故各级的排气温度为

即，气体通过各级压缩后的温度相等，为
K
两级压缩时压气机的总耗功量为

如果采用单级压缩，则压缩终温

由上可知，采用单级压缩时，排气温度为579.7K（约306.7℃），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，

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
活塞式压气机 缺点：单位时间产气量小（转速不高、间歇吸排气、余隙影响）；
叶轮式压气机 优点：单位时间产气量大（转速高、无间歇吸排气、无余隙影响）；
缺点：1. 单级增压比小（欲提高压力，需多级）；
2．流速高，摩擦损耗大，不可逆程度高。
叶轮式 径流（离心式） 中小流量，效率低；
轴流 大流量，效率较高，结构紧凑，可多级。
喷管
扩压管
静叶片
动叶片
静叶片间通道
图12-5 叶轮式压气机

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。

不可逆绝热 ()

可逆绝热

多耗功
绝热效率

不可逆修正系数 0.8~0.9
实际
, ()
(等p)
以上为空气、燃气的压缩， 对于水蒸气。

实际压缩耗功

理论压缩耗功
多耗功

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。
喷管 （加速降压）
扩压管 （降速增压）

混合
图12.6 引射式压缩器

低压（大量）
中压（大量）
高压（少量）

(若采用节流降压，不仅量小，耗散也大)

以引射系数 表示工作性能
在混合、扩压过程中不可逆程度较大。