工程熱力學12氣體的壓縮(DOC)

1、第十二章氣體的壓縮通過消耗外功來提咼氣體壓力的設(shè)備稱為壓氣機。壓氣機在工程、科 學研究中具有十分廣泛的用途，如動力工程中煤粉的輸運和鍋爐通風、制冷設(shè) 備中制冷劑的壓縮、風洞實驗中高壓氣體的獲得、風動工具（如公共汽車車門 的開關(guān)、大型內(nèi)燃機的啟動） ，車胎打氣等。壓氣機分類：（通風機（0 0 0 01MPa1MPa 表壓）按壓力范圍J J 鼓風機（0 0 01010 0 3MPa3MPa 表壓）壓縮機 （0 0 3MPa3MPa 表壓）活塞式按構(gòu)造 葉輪式（離心式和軸流式）引射式活塞式壓氣機是通過活塞在氣缸中的往復運動來擠壓氣缸中的氣體，從而使氣體的壓力提高。葉輪式壓氣機通過葉輪的旋轉(zhuǎn)， 使氣

2、體加速，并使高速氣體在特定流道中（相當于擴壓管）降低流速，從 而提高壓力。活塞式壓氣機和葉輪式壓氣機的一個顯著區(qū)別是：活塞式壓氣 機吸氣與排氣是間歇性的；而葉輪式壓氣機的壓縮過程是在連續(xù)流動狀態(tài)下 進行的，即氣體不斷地流入壓氣機，在壓氣機內(nèi)被壓縮后，不斷地被排出壓氣 機?；钊綁簹鈾C適用于高壓、排量小的場合；而軸流式壓氣機適用 于低壓、排量大的場合。盡管壓氣機的種類和工作原理多種多樣，但是從熱力學的觀點來看，壓縮氣體的狀態(tài)變化并沒有什么不同，都是接受外功使氣體壓縮升壓的過程。12.1活塞式壓氣機的工作原理工作三部曲：在活塞式壓氣機的理想工 作過程中，氣體經(jīng)過進氣閥與排氣閥時，不考慮 在閥門處的

3、阻力與摩擦力。當活塞自左止點向右 移動時，進氣閥門A打開，氣體從缸外被吸入 氣缸，這是吸氣過程（0-10-1），此時，吸入氣體 的熱力學狀態(tài)不發(fā)生任何變化。當?shù)竭_右止點 時，進氣閥關(guān)閉，活塞在外力作用下向左回行， 氣缸內(nèi)的氣體被壓縮，壓力升高，這就是氣體的壓縮過程（2-32-3） ，此時需要消耗外功。 當活 塞左行至某一位置時，氣體的壓力升高到預定壓 力P2，此時排氣閥門B開啟，活塞繼續(xù)左行，把氣缸內(nèi)的氣體排到儲氣罐或輸氣管道中，直至活塞到達左止點，這是排氣過程（2-32-3）。排氣過程中，氣體的狀態(tài)也不發(fā)生變化?；钊汕S一連桿機構(gòu)帶動，曲軸回轉(zhuǎn)一次，活塞往返一 次。活塞不斷往復，重復上面三

4、個過程，這就是活塞式壓氣機的理想工作過程。從上面的說明中可以看出，過程0-1與2-3僅僅是將氣體吸入和排出氣缸的 機械輸運過程，氣體的狀態(tài)并不發(fā)生任何變化； 而只有1-2的壓縮過程才是真正 的熱力過程。定義壓縮過程中氣體的終壓P2與初壓pi之比為增壓比，二二必（12-112-1）Pi圖12-2（a）和12-2（b）分別是壓縮過程的pV圖和TS圖。壓氣機的 壓縮過程可以看作多變過程（1-2n）o若壓縮過程進行的很快，氣體來不及和外 界交換熱量，則壓縮過程近似于絕熱壓縮過程（1-2s）;如果壓縮過程進行得較 慢，并且氣缸壁得到良好的冷卻，則壓縮過程接近于定溫壓縮過程（1-2T）o絕熱壓縮和定溫壓縮

5、是壓縮過程的兩個極限情況。因要考慮流動功，壓氣機耗功應(yīng)以技術(shù)功計。對于可逆的壓縮過程，技術(shù)功 Wt二-:V dp。對于不同的壓縮過程，技術(shù)功可以通過把過程方程P=f（V）代活塞式壓氣機的示意圖和p-v圖（又稱示功圖）示于圖12-1中0RV2V1圖12-1活塞式壓氣機入上式積分來得到。絕熱壓縮過程、多變壓縮過程和定溫壓縮過程所消耗的技 術(shù)功分別通過式（12-2a）、（12-2b）和（12-2c）來計算絕熱壓縮：Wt,s =-PiVi1 -K -1JIK=面積 12sab1(12-2a)-nVT多變壓縮：Wt,n=亠訓1-Ttn1=面積12nab1(12-2b)n -1定溫壓縮：WtT=-p1V1

6、In兀面積12Tab1(12-2c)根據(jù)上面各式計算出來的技術(shù)功為負值，表明壓縮需要消耗外功。技術(shù)功在pV圖上表示為壓縮過程線向縱軸投影所形成的一塊面積。從圖12-2(a)中可以明顯看出，Wt,TTWt,nWt,s(12-3)壓縮過程中所釋放的熱量可以根據(jù)能量方程得到，Qm-U W(12-4)其在TS圖上表示為壓縮過程線在橫軸投影所圍成的一塊面積，從圖12-2b中可以發(fā)現(xiàn)QTQnQs = 0壓縮后的終溫為，絕熱壓縮：T2,S=TIn -4多變壓縮：T2,n二定溫壓縮：T2T二Ti比較三個壓縮過程之間的終溫，不難得到,(12-5)(12-6a)(12-6b)(12-6c)(12-7)(a圖12-

7、2不同壓縮過程的因壓縮后P2相同，故也有V2,T :V2,n：v2,s(12-8)上述結(jié)果說明，放熱壓縮可以節(jié)省壓氣機的耗功量，并且，在一切壓縮中，定溫壓縮所消耗的功量最小；壓縮后氣體的終溫最低（有利于改善氣缸的 潤滑條件，安全及防缸壁損壞的拉缸出現(xiàn)）；同時，壓縮后的體積最?。ㄙA氣缸小）。為了讓壓縮過程接近于定溫壓縮，工程上經(jīng)常采用加氣缸冷卻水套、噴霧化 水，以及下節(jié)中所要介紹的多級壓縮、級間冷卻等措施。由于摩擦的影響，實際的壓氣過程是不可逆的，因此實際壓氣機的耗功量 要比可逆壓縮大。余隙影響：進氣量影響 為了避免活塞與缸蓋之間的撞擊，考慮缸蓋 上有進、排氣閥，以及熱膨脹、制造公差。在活塞式壓

8、氣機中，活塞與缸蓋之 間保持有一定的余隙，這使得排氣后，余隙容積內(nèi)仍然殘留有一定數(shù)量的高壓氣體，從而造成氣缸容積不能得到充分應(yīng)用。Vc余隙容積；Vh=Vi-V3氣缸排量（左止點與右止點間活塞掃過的容積）V=V1-V4有效吸氣容積（余隙中殘留高壓氣體膨脹至進氣壓力要占去一部分 容積）余隙不僅本身有一部分容積Vc，還使另一部分氣缸容積V4-V3失去作用, 描述這一氣缸利用率下降，用容積效率1分析：V-V4M -V3V3Vc乂-V3Vh余隙（容積）比;1P41IP1丿=JI匕，n n 一定，二Vh耗功影響-Wtnn -1-P1V11-1nn -1-P4V4P1M - V4n-1n-11nn -1P4

9、丿P1V帆n-1 = - 一1-1mRgT#呼,nT 一-Tn一匚Inn-1-彳 PiW Pn-1- 一n一1- 一nA即余隙不影響單位質(zhì)量氣體的耗功，只影響壓縮氣體的產(chǎn)量（m減少，P, P1V1 -“4）12.212.2 多級壓縮及級間冷卻采用放熱可以減小壓氣機的耗功量和降低終溫， 是改進壓縮效果的有效手段。但是，這種手段在氣體流速很高的軸流式壓氣機中是很難實現(xiàn)的?；钊綁?氣機雖然可以采用加水套、噴霧化水等方法 來實現(xiàn)放熱壓縮， 但是對于高轉(zhuǎn)速、 大排量 的情況，要降低多變指數(shù)也很困難，效果有 限；同時，高壓縮比還會降低壓氣機的容積級間冷卻器高壓缸冷卻水低壓缸圖12-3兩級壓縮、中間冷卻1

10、效率（余隙容積的影響）。因此，為了進一步改善壓縮過程，以節(jié)省壓縮功、降 低壓縮終溫以及提高容積效率，常常采用多級壓縮、級間冷卻的方法。多級壓縮、 級間冷卻是把氣體分別在兩個或兩個以上氣缸中依次 壓縮、使氣體的壓力逐級提高，并且在相鄰的兩級之間布置有級間冷去卩器，對前一級所壓縮的氣體進行冷卻，降低氣體的壓縮溫度。以圖12-3所示的兩級壓縮級間冷卻的壓氣機裝置系統(tǒng)為例，來說明多級壓 縮、級間冷卻的基本原理。為了分析方便，假定被壓縮的氣體是理想氣體；氣 體在每一級中的壓縮過程為絕熱壓縮；氣體在級間冷卻器中進行的是定壓理想 冷卻（T2 =TJ。兩級壓縮、級間冷卻的pV圖和TS圖分別如圖12-4（a）、

11、（b）所示。 過程c-1為壓氣機低壓缸的吸氣過程，1-2為氣體在低壓缸的壓氣過程，2-b為 低壓缸的排氣過程；b-2為壓縮氣體進入級間冷卻器的過程，2-2為壓縮氣體在 級間冷卻器的定壓放熱過程，2-b為冷卻后的氣體自級間冷卻器中排出；b-2為咼壓缸的吸氣過程，2 -3為氣體在高壓缸的壓縮過程，3-a為高壓缸的排氣過 程。（余隙影響可通過減小氣缸容積加以考慮）在pV圖上，兩級壓縮級間冷卻所消耗的技術(shù)功（面積122 3ac1）為低壓 壓縮技術(shù)功（面積122 bc1）和高壓壓縮技術(shù)功（面積23ab2）之和，和一次 壓縮的耗功量（面積123ac1）相比，節(jié)省的功量大小為面積22332。相應(yīng)地， 兩次壓

12、縮級間冷卻所放出的熱量在TS圖上表示為面積e122 de,而壓縮終溫T3也明顯低于一次壓縮的終溫T3。因此，采用多級壓縮、級間冷卻方式可以有 效地降低壓氣機的耗功量、并降低排氣的終溫。對于理想氣體，兩級壓縮、級間冷卻的壓氣機的總耗功量可以表示為，氣體在級間冷卻器中被定壓冷卻至初溫T1，因此有P2二P2、丁2二T2，并且根據(jù)狀態(tài)方程P2V2= pM = mRT，式（12-9）變?yōu)?由上述可知，當初始狀態(tài)P1、T1、V1和終壓P3已知時，兩級壓縮、級間冷卻所 消耗的總功僅僅隨中間壓力P2而變化，為了使耗功量最小，令 列=0，求得d P2最佳中間壓力為，P2 fP1P3，即P2二P3P1P2可見，當

13、各級增壓比相等時，壓氣機的總耗功量最小對于 N 2 的多級壓縮、級間冷卻的壓氣過程，上面得到的結(jié)論同樣適用, 即各級增壓比相等時，總耗功量最小，因此，各級的最佳增壓比為，P2= P3PN=NPNNP1P2PN4PNVP1采用最佳增壓比后，還可以使各級的耗功量相等，各級氣體的溫升相等，各級 間冷卻器的放熱量相等。這種均衡對于壓氣設(shè)備的設(shè)計與運行都是有利的。從PV圖中不難看出。在總增壓比一定的條件下，分級越多，理論上的耗 功量越??；當級數(shù)無限多時，此時的壓縮過程和 定溫壓縮無限趨近，總耗功量 最小。實際上，壓縮的分級數(shù)不易過多，視總增壓比的大小，一般為24級（考慮成本、運行管理，機構(gòu)不能太復雜）。

14、盡管采用了多級壓縮級間冷卻的措施， 但對于每級壓縮而言，仍然需要采用多變放熱壓縮的措施。LHWt二 Wt,sWt,s-f P1V11-也I& -1P2pP1丿-f二 P2V21 -巳I-.JP3 P2丿(12-9)(12-10)(12-10)(8-22(8-22)【例 12-112-1】空氣由初壓 O.IMPaO.IMPa，初溫 2020C，經(jīng)兩級壓縮、級間冷卻可逆多變地壓縮到6MPa6MPa ,假設(shè)各級的多變指數(shù)n -1.2，試求壓縮終溫及壓縮耗功量各為多少，并把所得結(jié)果和單級多變壓縮至同樣增壓比的情況進行比較。解：兩級壓縮、級間冷卻過程的p-vp-v 圖與 T Ts s 圖如圖 1

15、2-412-4 所示。按照壓氣機耗功量最小原理，分配各級的增壓比,nT2nn _1n _1IT3= T22 n= T 1 n即，氣體通過各級壓縮后的溫度相等，為1.2T T2= 20 2737.75- =412.2K K兩級壓縮時壓氣機的總耗功量為-410.4kJ/kg如果采用單級壓縮，則壓縮終溫=20 2736012=579.7K由上可知，采用單級壓縮時，排氣溫度為579.7K579.7K （約 306.7306.7C）,遠遠高于兩級壓縮、級間冷卻的壓縮終溫 412.2K412.2K。在活塞式壓氣機中，如此高的壓縮終溫已經(jīng)超出了潤滑油的正常二二2空氣在級間冷卻器中被理想冷卻，即T；二Ti，故

16、各級的排氣溫度為Wt 2RT11 -二11.2二 21.2 -10.28720273 1 -7.75P3Pln 4n1.2 4工作溫度。再來看看單級壓縮的耗功量，1.21493.7kJ/kg顯然，單級壓縮的耗功量也大于兩級壓縮、級間冷卻的耗功量。從計算可以看出，多級壓縮、級間冷卻可以降低壓縮終溫，減小耗功量。12.212.2 葉輪式壓氣機的工作原理活塞式壓氣機 缺點：單位時間產(chǎn)氣量?。ㄞD(zhuǎn)速不高、間歇吸排氣、余隙影響）；葉輪式壓氣機 優(yōu)點：單位時間產(chǎn)氣量大（轉(zhuǎn)速高、無間歇吸排氣、無余隙影響）；缺點：1.單級增壓比?。ㄓ岣邏毫?，需多級）；2.流速咼，摩擦損耗大，不可逆程度咼。葉輪式|徑流（離心式

17、） 中小流量，效率低；軸流大流量，效率較高，結(jié)構(gòu)緊湊，可多級。葉輪式壓氣機因氣流速度高與動、靜葉片有摩擦，因而實際的壓縮過程為不可 逆絕熱壓縮。nwtn 1-RT11 -P3nd-.Pi丿X 0.287 漢(20 + 273)1 601.2/1.2WC二屮八H = H-H H-H3=Q(3T 2)=面積2456可逆絕熱WC = Wt =：H =H2S_H1=H2S-H3=Q(3r 2s)=面積2s3r456多耗功WC WC,s=h2h2s=面積22s1 56絕熱效率不可逆修正系數(shù)0.80.9實際1呢二丄呢,T2C,s1V2二TVT Vi(等p)T2T2不可逆絕熱sC,WCH2s_HiWC_ H-H1mCp(T2s-T1) T2s-TimCpT2- TiT2 -TiT2-T1(1 -C,s)F -nC,s以上為空氣、燃氣的壓縮，對于水蒸氣I實際壓縮耗功Wlc= -W；=h2，：h! =（h2，：人4